Moore Moore的一些路線預(yù)測

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上世紀(jì)中葉，IEEE電子和電子工程師協(xié)會(huì)在上世紀(jì)中葉設(shè)立了一個(gè)叫ITRS的組織，該組織每年都會(huì)發(fā)布一份半導(dǎo)體領(lǐng)域中技術(shù)路線圖——ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductors）路線圖。但在2017年，IEEE停止更新ITRS，并將其重新重命名為IRDS，他們認(rèn)為這樣可以更全面地反應(yīng)各種系統(tǒng)級(jí)新技術(shù)。

與此同時(shí)，業(yè)界提出了More Moore、Moore than Moore和Beyond COMS三種方法，來持續(xù)提升芯片性能。在本文中，我們摘譯了IRDS最新版本的IRDS 2020，里面談及Moore Moore的一些路線預(yù)測，歡迎大家閱讀。

技術(shù)現(xiàn)狀

大部分的半導(dǎo)體器件都是數(shù)字邏輯，那就需要去支持兩種器件類型的技術(shù)平臺(tái)：1）高性能邏輯；2）低功耗/高密度邏輯。該技術(shù)平臺(tái)的關(guān)鍵考慮因素是速度、功耗、密度和成本。More Moore路線圖為MOSFET的持續(xù)擴(kuò)展提供了一個(gè)參考，以保持以更低的功耗和成本改進(jìn)設(shè)備性能的歷史趨勢(shì)。

所謂“More Moore”，這是一個(gè)延續(xù)CMOS的整體思路方法，具體而言就是在器件結(jié)構(gòu)、溝道材料、連接導(dǎo)線、高介質(zhì)金屬柵、架構(gòu)系統(tǒng)、制造工藝等等方面進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，沿著摩爾定律一路微縮。

以下應(yīng)用推動(dòng)了IRDS中More Moore技術(shù)的需求：

?高性能計(jì)算——在恒定功率密度（受熱約束）下的更高性能

?移動(dòng)計(jì)算——以恒定的功耗（受電池限制）和成本提供更多的性能和功能

?自主感知和計(jì)算（IoT）——以減少泄漏（ leakage）和變異性（variability）為目標(biāo)

而技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素包括以下重點(diǎn)項(xiàng)目：邏輯技術(shù)（Logic technologies）、基本規(guī)則縮放（Ground rule scaling）、性能助推器（Performance boosters）、性能-功率-尺寸（PPA）縮放（Performance-power-area （PPA） scaling）、3D集成（3D integration）、內(nèi)存技術(shù)（Memory technologies）、DRAM技術(shù)（DRAM technologies）、Flash技術(shù)（Flash technologies）、新興的非易失性內(nèi)存（NVM）技術(shù)（Emerging non-volatile-memory （NVM） technologies）

More Moore目標(biāo)是每2——3年為節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展帶來PPAC價(jià)值：

?（P）性能：在標(biāo)度電源電壓下，工作頻率增加15%以上?（P）功率：在給定性能下，每次開關(guān)的能量損耗減少30%以上?（A）面積：減少30%的芯片面積；?（C）成本：晶圓成本增加《30% -縮放裸片成本減少15%。

這些標(biāo)度目標(biāo)推動(dòng)了該行業(yè)的一些重大技術(shù)創(chuàng)新，包括材料和工藝的變化，如 high-κ柵極電介質(zhì)和應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)（strain enhancement），以及在不久的將來，新的架構(gòu)，如柵極全方位（GAA）;替代高遷移率溝道材料和新的3D集成方案，允許異構(gòu)疊加/集成。這些創(chuàng)新將以快速的速度引入，因此及時(shí)地理解、建模和實(shí)現(xiàn)到制造業(yè)中對(duì)行業(yè)來說是至關(guān)重要的。

需要注意的是，成本指標(biāo)（減少15%的裸片成本）和市場節(jié)奏（每年都需要推出新產(chǎn)品）在移動(dòng)產(chǎn)業(yè)中越來越重要。由于應(yīng)用嚴(yán)格要求所有figure-of-merits（FoM）同時(shí)滿足，有必要推進(jìn)一個(gè)有效的工藝技術(shù)清單，以維持某些設(shè)備架構(gòu)的極限，例如在未來五年推動(dòng)finFET架構(gòu)。

在從一個(gè)邏輯世代到另一個(gè)邏輯世代的過程中，這種方法還有助于以降低風(fēng)險(xiǎn)的方式維持成本。由于多圖形光刻步驟的增加，晶圓加工的成本越來越高，這就變得更加困難。我們還 需要在相同數(shù)量的晶體管上降低15%以上的成本，這只能通過在溝道材料、器件架構(gòu)、接觸工程（contact engineering）和器件隔離方面的新進(jìn)展實(shí)現(xiàn)pitch scaling。增加的工藝復(fù)雜性也必須考慮到整個(gè)裸片良率。為了補(bǔ)償復(fù)雜性的成本，需要加速設(shè)計(jì)效率，進(jìn)一步擴(kuò)大面積，以達(dá)到裸片成本的比例目標(biāo)。

在ITRS的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)工作組的早期工作中也觀察到了這些設(shè)計(jì)誘導(dǎo)的縮放因子，它們被用作校準(zhǔn)因子，以匹配行業(yè)的面積縮放趨勢(shì)。設(shè)計(jì)比例因子（design scaling factor）現(xiàn)在被認(rèn)為是More Moore技術(shù)路線圖的關(guān)鍵元素之一。

半導(dǎo)體行業(yè)的目標(biāo)是能夠在降低功耗和成本的情況下繼續(xù)擴(kuò)大技術(shù)的整體性能。器件和最終芯片的性能可以通過許多不同的方式來衡量：更高的速度、更高的密度、更低的功耗、更多的功能，等等。從本質(zhì)上講，dimensional scaling已經(jīng)足以帶來上述的性能優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)在已經(jīng)不是這樣了。制程、工具和材料性能等，對(duì)繼續(xù)擴(kuò)展提出了困難的挑戰(zhàn)。我們?cè)诒鞰M-5和表MM-6中總結(jié)了這些困難的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)分為近期2020-2025年（表MM-5）和長期2026-2034年（表MM-6）。

如下圖所示表MM-5展示了近期的挑戰(zhàn)。

表MM-6則說明了長期的困難挑戰(zhàn)

晶體管的演進(jìn)

在More Moore路線圖中，我們將重點(diǎn)放在了有效的解決方案上，以在縮放的尺寸和縮放的供電電壓下維持性能和功率的縮放?；疽?guī)則縮放（Ground rule scaling ）驅(qū)動(dòng)裸片成本降低。然而，這種縮放增加了寄生在總負(fù)載中的部分，并在性能和功率縮放中帶來的縮放收益遞減。因此，有必要關(guān)注技術(shù)擴(kuò)展的解決方案，同時(shí)擴(kuò)展設(shè)備和互連的寄生。

基礎(chǔ)規(guī)則縮放（Ground rule scaling ）還需要使DTCO結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)面積縮小，并收緊限制面積縮放的關(guān)鍵設(shè)計(jì)規(guī)則。由于multiple patterning的成本和過程的復(fù)雜性，EUV被用于以較少的制程步驟來解決模式嚴(yán)密的基本規(guī)則。規(guī)劃的基本規(guī)則路線圖和設(shè)備架構(gòu)如表MM-7所示。基本規(guī)則的演化過程如圖MM-2所示。對(duì)于不同的代工廠和集成設(shè)備制造商（IDMs）的節(jié)點(diǎn)命名還沒有達(dá)成共識(shí);

然而，計(jì)劃規(guī)則給出了技術(shù)能力符合PPAC要求的指示?；A(chǔ)規(guī)則（ground rules）中的關(guān)鍵參數(shù)是柵極間距、金屬間距、fin間距和柵極長度，它們是核心邏輯區(qū)域縮放的重要因素。

表MM-7邏輯器件的設(shè)備件、PPA和基本規(guī)則路線圖。

表中使用的首字母縮寫（按外觀順序）：LGAA-lateral gate-all-around-device （GAA）， 3DVLSI-fine-pitch 3D邏輯順序集成。

圖MM-2關(guān)鍵基本規(guī)則的投影比例

僅按基本規(guī)則縮放（Ground rule scaling ）不足以縮放單元格高度。有必要將設(shè)計(jì)比例系數(shù)付諸實(shí)踐。例如，標(biāo)準(zhǔn)單元高度將通過縮放標(biāo)準(zhǔn)單元中有源器件的數(shù)量/寬度以及縮放次要規(guī)則（例如尖端到尖端（tip-to-tip）、延伸、P-N分離（P-N separation）和最小面積規(guī)則）來進(jìn)一步減小。

類似地，可以通過關(guān)注關(guān)鍵設(shè)計(jì)規(guī)則（如邊緣fin的fin端接等）和啟用結(jié)構(gòu)（如有源接觸）來減小標(biāo)準(zhǔn)單元寬度。此外，需要仔細(xì)選擇接觸結(jié)構(gòu)，以降低連接處電流密度增加的風(fēng)險(xiǎn)。預(yù)計(jì)到2028年，P和N器件可以堆疊在一起，從而進(jìn)一步降低成本。標(biāo)準(zhǔn)單元縮放的趨勢(shì)如圖MM-3所示。

圖MM-3通過fin去填充和設(shè)備堆疊縮放標(biāo)準(zhǔn)單元高度和寬度

在我們看來，2031年以后，就沒有二維微縮的空間了，使用順序/堆疊集成方法的電路和系統(tǒng)的三維超大規(guī)模集成（VLSI）將是必要的。這是由于沒有接觸放置（contactplacement ）的空間，以及由于gate pitch scaling和metal pitch scaling而導(dǎo)致性能惡化。

據(jù)預(yù)測，由于靜電效應(yīng)的惡化，物理溝道長度將在12nm左右飽和，而gate pitch將在38nm處飽和，以便為器件接觸預(yù)留足夠的寬度（~14nm），提供可接受的寄生。3D VLSI期望為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)帶來PPAC增益，并為異構(gòu)和/或混合集成鋪平道路。

這種3D集成的挑戰(zhàn)是如何劃分系統(tǒng)，以更好地利用設(shè)備、互連和子系統(tǒng)（如內(nèi)存、模擬和I/O）。這就是為什么在2031年后需要進(jìn)行functional scaling和/或重大架構(gòu)更改的原因。這可能是Beyond CMOS和專業(yè)技術(shù)設(shè)備/組件的時(shí)代，將系統(tǒng)微縮到單位功率密度和單位立方體積下的高系統(tǒng)性能。

在130nm節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)之前的最初幾年，晶體管遵循著Dennard scaling，其中等效氧化物厚度（EOT）、晶體管柵極長度（Lg）和晶體管寬度（W）均采用常數(shù)因子進(jìn)行微縮，以便在恒定功率密度下提供延遲改善。

目前，有許多輸入?yún)?shù)可以改變，而輸出參數(shù)是這些輸入?yún)?shù)的復(fù)雜函數(shù)?？砂l(fā)現(xiàn)其它組投射的參數(shù)值（即，不同的縮放場景）來實(shí)現(xiàn)相同的目標(biāo)。為了維持低電壓下的定標(biāo)，近年來的定標(biāo)主要集中在提高性能的其他解決方案上，如在溝道中引入應(yīng)變、應(yīng)力助推器、high-κ金屬柵、降低接觸電阻和改善靜電。所有這些都是為了補(bǔ)償柵極驅(qū)動(dòng)損耗的同時(shí)，還滿足高性能移動(dòng)應(yīng)用所需要的低電源電壓。

設(shè)備架構(gòu)、關(guān)鍵模塊和performance boosters的路線圖概述如表MM-8所示。

表MM-8More Moore微縮的設(shè)備路線圖和技術(shù)錨定。

FinFET仍然是關(guān)鍵的晶體管架構(gòu)，目前看來他們還可以持續(xù)擴(kuò)展到2025年。ctrostatics和findepopulation仍然是改善性能的兩種有效解決方案。寄生改進(jìn)（Parasitics improvement）預(yù)計(jì)將繼續(xù)作為性能改進(jìn)的主要手段，作為收緊設(shè)計(jì)規(guī)則的結(jié)果。預(yù)計(jì)寄生（ parasitics ）將繼續(xù)作為關(guān)鍵路徑性能的主導(dǎo)項(xiàng)。

為了降低供電電壓，未來的晶體管必須過渡到如橫向 nanosheets這樣的GAA結(jié)構(gòu)，以維持柵極驅(qū)動(dòng)改進(jìn)的靜電學(xué)。橫向GAA結(jié)構(gòu)最終將演變?yōu)榕c垂直GAA結(jié)構(gòu)的混合形式，以彌補(bǔ)由于在更緊密的pitches上增加寄生以及特殊SoC功能（如內(nèi)存選擇器）所造成的性能損失。

順序集成（Sequential integration）將允許采用單片3D （monolithic 3D）集成在彼此之上進(jìn)行堆疊。微縮的焦點(diǎn)則將從單線程性能提升轉(zhuǎn)移到功耗降低，然后發(fā)展到高度并行的3D架構(gòu)，允許低Vdd操作和更多的功能嵌入到單位立方體體積中。

雖然設(shè)備架構(gòu)正在發(fā)生變化，但后續(xù)的模塊預(yù)計(jì)也將發(fā)展。這些可能包括：

1.起始襯底，如Si到絕緣體體上硅（SOI）和SRA（strain-relaxation-buffer）;2.從Si到SiGe、Ge、IIIV的溝道材料演變;3.接觸模塊從硅化物演變?yōu)樘峁└?a target="_blank">肖特基阻隔高度（SBH）的新型材料，并采用包裹式接觸集成方案來增加接觸表面積。

正如前面提到的，finFET可能可能會(huì)維持到2025年。到2022年以后，橫向GAA晶體管的過渡預(yù)計(jì)將開始，并可能包括縱向GAA設(shè)備的混合形式與橫向GAA，潛在的3D混合memory-on-logic應(yīng)用。這種情況是由于fin寬度縮放和接觸寬度的限制。

Parasitic capacitance penalty， Weff（effective drive width ）和RMG9（replacement metal gate ）集成對(duì)GAA的應(yīng)用構(gòu)成了挑戰(zhàn)。一個(gè)折衷的解決方案可能是EGAA（electrically GAA）架構(gòu)，它大大減少寄生電容，并增加有效寬度，以帶來更好的短溝道控制和更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)。晶體管架構(gòu)的演進(jìn)規(guī)劃如圖MM-5和圖MM-5所示。

體硅仍將是主流襯底，而絕緣體上硅（SOI）和SRB將分別用于支持更好的隔離（例如，射頻集成）和無缺陷集成的高遷移率溝道。

我們知道，像Ge和III-V族材料這樣的高遷移率材料在通過增加一個(gè)數(shù)量級(jí)的固有遷移率來增加驅(qū)動(dòng)電流方面帶來了希望。隨著柵極長度的縮放，由于速度飽和，遷移率對(duì)漏極電流的影響變得有限。

另一方面，當(dāng)柵極長度進(jìn)一步縮小時(shí)，載流子傳輸變成了ballistic。這使得載流子的速度（也稱為“注入速度”）隨著移動(dòng)性的增加而導(dǎo)致漏極電流的增加。然而，對(duì)于高遷移率器件，低有效質(zhì)量（low effective mass）實(shí)際上會(huì)在較高的供電電壓下產(chǎn)生高的隧穿電流。這可能會(huì)降低III-V器件在短溝道工作函數(shù)調(diào)諧后的有效性能（例如，閾值電壓增加），以降低漏電流（Ioff），以補(bǔ)償隧穿電流。

高遷移率溝道需要考慮的另一個(gè)問題是較低的態(tài)密度（ lower density of states）。電流與溝道中的漂移速度和載流子濃度的乘積成正比。這就需要正確選擇柵極長度（Lg）、電源電壓（Vdd）和器件結(jié)構(gòu)，以最大化這一乘積，而這些參數(shù)的選擇將因所使用的溝道材料類型不同而不同。這一切都需要整體解決。

很可能，高移動(dòng)性溝道將用于連續(xù)集成，以協(xié)同集成高速IOs、RF（如5G及以上）和photonics協(xié)集成。

在過去十年中，應(yīng)變工程（Strain engineering）已被用作最有效的解決方案之一，如32nm節(jié)點(diǎn)和早期的所示。然而，這些壓力源的影響可能不能直觀地推進(jìn)到新的節(jié)點(diǎn)上。隨著柵極間距的縮小，源漏外延（S/D EPI）接觸和SRB上的SiGe仍然是高遷移率溝道材料的兩倍以上的遷移率的有效助推器。工程師們?cè)谑褂肧RB的7nm CMOS平臺(tái)上成功地演示了PMOS的SiGe溝道和NMOS的應(yīng)變Si溝道。

另一方面，SRB或S/D應(yīng)力源可能對(duì)垂直器件中的溝道應(yīng)力產(chǎn)生不起作用。其他應(yīng)變工程技術(shù)還包括gate stressor 和ground plane stressors。

互聯(lián)和3D異構(gòu)集成

對(duì)于芯片的未來，互聯(lián)也是一個(gè)重要方面，而互連最困難的挑戰(zhàn)是引入滿足導(dǎo)線導(dǎo)電性要求、降低介電常數(shù)和滿足可靠性要求的新材料。對(duì)于導(dǎo)電性，必須減小尺寸效應(yīng)對(duì)互連結(jié)構(gòu)的影響。尺寸控制是當(dāng)今和未來幾代互連技術(shù)面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，由此產(chǎn)生的刻蝕難題是在 low-κ介電材料中形成精確的溝道和通孔結(jié)構(gòu)，以減少阻容（RC）的變化。

為了獲得最大的性能，互連結(jié)構(gòu)不能容忍剖面的變化而不產(chǎn)生不希望的RC退化。這些尺寸控制要求對(duì)測量高深寬比結(jié)構(gòu)的高通量成像計(jì)量提出了新的要求。新的計(jì)量技術(shù)也需要在線監(jiān)測附著力和缺陷。更大的晶圓和限制測試晶圓的需要將推動(dòng)更多的現(xiàn)場過程控制技術(shù)的采用。表MM-12突出并區(qū)分了最主要的挑戰(zhàn)，表MM-13顯示了互連擴(kuò)展路線圖。

表MM-12互連難題

表MM-13互連擴(kuò)展路線圖

至少到2025年，銅（Cu）預(yù)計(jì)仍將是互連金屬的首選解決方案，而非銅溶液（例如Co和Ru）預(yù)計(jì)將用于本地互連（M0）。另一方面，由于電遷移的限制，局部互連（middle-of-line：MOL））、M1和Mx水平將使用如鈷（Co）這樣的非銅方案，特別是對(duì)于通孔，因?yàn)樗懈玫募纱翱趤硖畛洫M窄的溝槽，同時(shí)它在縮放尺寸上有比銅更低的電阻。

銅布線、線阻擋材料必須防止銅擴(kuò)散到鄰近的介電介質(zhì)中，但也必須與銅形成合適的、高質(zhì)量的界面，以限制空位擴(kuò)散，并實(shí)現(xiàn)可接受的電遷移壽命。Ta（N）是一個(gè)知名的行業(yè)解決方案。Mn（N）在近年來也受到了人們的高度關(guān)注。對(duì)于新型材料，SAMs（self-assembled monolayers）則是候選材料之一。

同時(shí)，3D異構(gòu)集成也成為大家關(guān)注的一個(gè)方向。

眾所周知，每一代的邏輯節(jié)點(diǎn)都需要為其添加新的函數(shù)，以保持單價(jià)不變（以保持利潤率）。由于以下挑戰(zhàn)，這變得更加困難：

?留在板上/系統(tǒng)上的協(xié)同集成功能更少?每個(gè)功能專用的異構(gòu)核心和每個(gè)專用核心所需的專用性能改進(jìn)需求?封裝外存儲(chǔ)器與邏輯協(xié)同集成成本高，技術(shù)與基線CMOS不兼容（可能需要晶圓/芯片級(jí)堆疊）

到目前為止，裸片成本的降低是通過柵極間距（gate pitch）、金屬間距（metal pitch）和單元高度（cell height）的同步縮放實(shí)現(xiàn)的。預(yù)計(jì)這種情況將持續(xù)到2028年。在單元和物理設(shè)計(jì)中，三維器件（如finFET和橫向GAA）和DTCO結(jié)構(gòu)可能會(huì)追求單元高度縮放。然而，這種微縮途徑預(yù)計(jì)將面臨更大的挑戰(zhàn)，因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/2364/" target="_blank">電氣/系統(tǒng)效益的減少，以及SoC水平上面積減少的減少。

因此，有必要尋求3D集成的，例如器件對(duì)器件堆疊（device-over-device stacking）、精細(xì)間距層轉(zhuǎn)移（fine-pitch layer transfer）和/或monolithic 3D（或sequential integration）。這些追求將保持系統(tǒng)性能和功率增益，同時(shí)潛在地保持成本優(yōu)勢(shì)，例如在其他地方處理昂貴的非縮放組件，并使用最適合每層功能的技術(shù)。

3DVLSI可以在門級(jí)或晶體管級(jí)布線。3DVLSI提供了堆疊層的可能性，實(shí)現(xiàn)了層級(jí)別的高密度接觸（每平方毫米高達(dá)幾百萬個(gè)過孔）。柵極級(jí)的分區(qū)允許由于導(dǎo)線長度減少而獲得IC性能增益，同時(shí)通過將nFET堆疊在pFET上（或相反）在晶體管級(jí)別進(jìn)行分區(qū)，實(shí)現(xiàn)兩種類型晶體管的獨(dú)立優(yōu)化（定制實(shí)現(xiàn)溝道材料/襯底定向/溝道和提高的源極/漏極應(yīng)變等），同時(shí)與平面共集成相比降低工藝復(fù)雜度，例如在SiGe pFET上方堆疊III-V nFET。

這些高遷移率晶體管非常適合3DVLSI，因?yàn)樗鼈兊墓に嚋囟群艿?。具有高接觸密度的3DVLSI還可以實(shí)現(xiàn)與高密度3D過孔進(jìn)行異質(zhì)共集成的應(yīng)用，例如用于氣體傳感的CMOS的NEMS或高度小型化的成像器。集成器件對(duì)器件堆疊（例如P器件對(duì)N器件）以解耦溝道工程（例如用于PMOS的Ge溝道）以獲得更好的性能是一個(gè)巨大的發(fā)展勢(shì)頭。

為了解決從2D到3DVLSI的過渡，路線圖中預(yù)測了以下幾代：

（1）Die-to-wafer和wafer-to-wafer 堆疊：

方法：細(xì)間距（Fine-pitch）介質(zhì)/混合鍵合和/或倒裝芯片組裝

機(jī)會(huì)：減少系統(tǒng)上的材料清單、異構(gòu)集成、邏輯上的高帶寬和低延遲內(nèi)存

挑戰(zhàn)：設(shè)計(jì)/架構(gòu)劃分

（2）設(shè)備對(duì)設(shè)備（例如P-over-N堆疊）

方法：順序集成

機(jī)會(huì)：減少標(biāo)準(zhǔn)單元和/或位單元的2D占用空間

挑戰(zhàn)：最小化互連開銷是N&P之間實(shí)現(xiàn)低成本的關(guān)鍵

（3）添加邏輯3D SRAM和/或MRAM堆棧（嵌入式/堆疊）

方法：順序集成和/或晶圓轉(zhuǎn)移

機(jī)會(huì)：2D區(qū)域增益，邏輯和內(nèi)存之間更好的連接，使系統(tǒng)延遲增益。

挑戰(zhàn)：如果使用堆疊方法，則解決較低層互連的熱預(yù)算，重新審視緩存層次結(jié)構(gòu)和應(yīng)用程序需求、電源和時(shí)鐘分布

（4）添加模擬和I/O方法：順序集成和/或晶圓傳輸

機(jī)遇：給予設(shè)計(jì)者更多的自由，并允許集成高移動(dòng)性溝道，將非微縮組件推到另一層，IP復(fù)用，可擴(kuò)展性

挑戰(zhàn)：熱預(yù)算、可靠性要求、電源和時(shí)鐘分配

（5）True-3D超大規(guī)模集成電路：集群功能堆棧

方法：順序集成和/或晶圓片轉(zhuǎn)移

機(jī)會(huì)：互補(bǔ)功能，而不是CMOS替代，如神經(jīng)形態(tài)，高帶寬內(nèi)存或純邏輯應(yīng)用納入新的數(shù)據(jù)流方案有利于3D連接。應(yīng)用實(shí)例包括神經(jīng)形態(tài)結(jié)構(gòu)中的圖像識(shí)別，寬io傳感器接口（例如，DNA測序，分子分析），以及高度并行的內(nèi)存邏輯計(jì)算。

挑戰(zhàn)：架構(gòu)應(yīng)用程序，在低能量、低頻率和高度并行接口可以利用，映射應(yīng)用到非馮·諾伊曼架構(gòu)。

More Moore縮放需要增加金屬化層的數(shù)量，因此，如果在patterning技術(shù)上沒有進(jìn)步，就需要增加mask。預(yù)計(jì)從193i光刻到EUV的過渡將可能拯救mask。然而，由于對(duì)金屬化和用于3D集成的FEOL）和MOL集成的重復(fù)掩模的需求增加，掩模數(shù)量預(yù)計(jì)將在2031年后上升。這反過來會(huì)增加過程的復(fù)雜性，從而增加缺陷（D0）需求。2034年所需的D0水平預(yù)計(jì)將減少2.2倍，以保持80mm2移動(dòng)裸片（表MM-15）的良率在控制之下。

表MM-15 80mm2裸片的缺陷率（D0）要求。

存儲(chǔ)技術(shù)也要齊頭并進(jìn)

CMOS邏輯和存儲(chǔ)器共同構(gòu)成了半導(dǎo)體器件生產(chǎn)的主要部分。在探討完邏輯器件之后，我們需要考慮存儲(chǔ)器。

正如大家所熟知，存儲(chǔ)器的類型有DRAM和非易失性存儲(chǔ)器（NVM）。我們重點(diǎn)放在商品化的、獨(dú)立的芯片上，因?yàn)檫@些芯片傾向于驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)器技術(shù)。然而，嵌入式存儲(chǔ)芯片預(yù)計(jì)將遵循與商品存儲(chǔ)芯片相同的趨勢(shì)，通常有一定的時(shí)滯。對(duì)于DRAM和NVM，都考慮了詳細(xì)的技術(shù)要求和潛在的解決方案。

對(duì)于DRAM，主要目標(biāo)是繼續(xù)微縮1T-1C單元的占用空間，達(dá)到4F2的實(shí)際限制。挑戰(zhàn)是垂直晶體管結(jié)構(gòu)，high-κ電介質(zhì)提高電容密度，同時(shí)保持低泄漏。從當(dāng)前的技術(shù)看來，DRAM的技術(shù)要求隨著微縮而變得越來越困難。近年來，DRAM中引入了許多新技術(shù)，如193 nm ArF浸沒式高鈉光刻技術(shù)，包括Fin型晶體管在內(nèi)的改進(jìn)cell的FET技術(shù)，buried word line和cell FET等技術(shù)。

由于DRAM存儲(chǔ)電容在物理尺寸上變得越來越小，EOT（equivalent oxide thickness）必須急劇下降，以保持足夠的存儲(chǔ)電容。為了測量EOT，需要具有較高的相對(duì)介電常數(shù)（κ）的介質(zhì)材料。因此，我們采用MIM（metal-insulator-metal ）電容器，選用high-κ （ZrO2/Al2O/ZrO2）材料。這種材料的發(fā)展和改進(jìn)一直持續(xù)到20nm HP和超high-κ （perovskite κ 》 50 ~ 100）材料的釋放。此外，high-κ絕緣子的物理厚度應(yīng)按比例縮小，以適應(yīng)最小特征尺寸。因此，電容器的三維結(jié)構(gòu)將由圓柱形變?yōu)橹鶢睢?/p>

另一方面，隨著外圍CMOS器件的微縮，這些器件形成后的工藝步驟需要低溫工藝制程。這對(duì)于通常在CMOS器件形成之后構(gòu)造DRAM cell工藝是一個(gè)挑戰(zhàn)，因此僅限于低溫處理。DRAM外圍設(shè)備的要求可以放寬Ioff，但需要更多的LSTP（Ion of low standby power ）設(shè)備。但是，未來需要high-κ金屬柵來維持性能。

另一個(gè)重要的話題是從6F2遷移到4F2 cell。由于half-pitch縮放變得非常困難，這是不可能維持的成本趨勢(shì)。保持成本趨勢(shì)并通過生成增加總比特輸出的最有前途的方法是改變單元大小因子（cell size factor）a的縮放（a = ［DRAM cell大?。?［DRAMhalf pitch］］2）。目前6F2 （a = 6）是最常見的。例如，垂直cell 晶體管是需要的，但仍然有一些挑戰(zhàn)。

總而言之，保持足夠的存儲(chǔ)電容和足夠的cell晶體管性能是需要在未來保持時(shí)間特性。為了繼續(xù)擴(kuò)大DRAM設(shè)備的規(guī)模，并獲得更大的產(chǎn)品容量，它們的困難指數(shù)也在不斷增加，。此外，如果成本縮放的效率與引入新技術(shù)相比變差，則停止DRAM縮放，采用3D cell堆疊結(jié)構(gòu)，或采用新的DRAM概念。討論了3D cell堆疊和新的概念DRAM，但沒有明確的途徑進(jìn)一步擴(kuò)展2D DRAM。

在DRAM之外，還有幾種存儲(chǔ)技術(shù)，他們都有一個(gè)共同的特征——非易變性。根據(jù)應(yīng)用的不同，要求和挑戰(zhàn)也不同，從只需要Kb存儲(chǔ)的RFID到芯片中數(shù)百Gb的高密度存儲(chǔ)。非易失性存儲(chǔ)器可分為兩大類——閃存（NAND閃存和NOR閃存）和非基于電荷存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器。非易失性內(nèi)存基本上是普遍存在的，許多應(yīng)用使用的嵌入式內(nèi)存通常不需要前沿技術(shù)節(jié)點(diǎn)。More Moore 非易失性內(nèi)存表只跟蹤內(nèi)存挑戰(zhàn)和領(lǐng)先的獨(dú)立部件的潛在解決方案。

閃存是基于簡單的單晶體管（1T）單元，其中晶體管既是存?。ɑ騿卧x擇）設(shè)備又是存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。目前閃存服務(wù)于99%以上的應(yīng)用。

當(dāng)存儲(chǔ)的電子數(shù)量達(dá)到統(tǒng)計(jì)極限時(shí)，即使可以進(jìn)一步縮放器件并實(shí)現(xiàn)更小的單元，存儲(chǔ)陣列中所有器件的閾值電壓分布也變得無法控制，邏輯狀態(tài)也無法預(yù)測。因此，不能通過持續(xù)擴(kuò)展基于電荷的設(shè)備來無限期地增加存儲(chǔ)密度。但是，有效的密度增加可以通過垂直堆疊存儲(chǔ)層來繼續(xù)。

通過完成一個(gè)設(shè)備層然后再完成另一個(gè)設(shè)備層的堆疊經(jīng)濟(jì)是值得懷疑的。如圖MM-12所示，堆疊多層設(shè)備后，bit成本開始上升。此外，由于互連增加和復(fù)雜處理造成的產(chǎn)量損失，陣列效率的降低可能進(jìn)一步降低這種3D疊加的bit成本效益。

2007年，業(yè)內(nèi)提出了一種新的制造方法，大大簡化了制程步驟。這種方法無需重復(fù)處理，只需幾步就可以制作出3D堆疊設(shè)備，從而為NAND flash提供了一種新的低成本縮放路徑。圖MM-12說明了一種方法。這種架構(gòu)最初被稱為bitcost -scalable（簡稱BiCS），它將NAND string 從水平位置轉(zhuǎn)向垂直位置90度。word line（WL）保持在水平面上。如圖MM-12所示，這種類型的3D方法比堆疊完整的設(shè)備要經(jīng)濟(jì)得多，而且成本效益在相當(dāng)高的層數(shù)時(shí)不會(huì)飽和。

自2007年以來，人們提出了許多基于BiCS概念的架構(gòu)，其中一些架構(gòu)，包括一些使用floating gate 代替charge trapping 的存儲(chǔ)架構(gòu)，這些技術(shù)在過去的2 - 3年已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)?？偟膩碚f，所有3D NAND方法都采用了比傳統(tǒng)2D NAND更大的面積占用策略。與最小的2D NAND的~15nm相比，3D NAND的x-和y-尺寸（相當(dāng)于2D細(xì)胞尺寸）在100nm和更高的范圍內(nèi)。更大的“單元尺寸”是通過堆疊大量的存儲(chǔ)層來實(shí)現(xiàn)具有競爭力的封裝密度。

3D NAND的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)一步被其復(fù)雜和獨(dú)特的制造需求所困擾。雖然較大的cell尺寸似乎放寬了細(xì)線光刻的要求，但為了實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率，需要使用較大的page size，而這反過來又轉(zhuǎn)化為細(xì)線間距的位線和金屬線。因此，即使單元尺寸很大，金屬線仍然需要約20nm的半間距，這只能通過193i光刻和雙圖案實(shí)現(xiàn)。深孔的刻蝕困難且緩慢，并且刻蝕吞吐量通常很低。沉積多層電介質(zhì)和/或多晶硅，以及多層膜和深孔的計(jì)量都是一個(gè)挑戰(zhàn)。這些都轉(zhuǎn)化為對(duì)新設(shè)備和占地面積的巨大投資，以及對(duì)晶圓flow和良率的新挑戰(zhàn)。

閃存最終可以堆疊多少層？這似乎是一個(gè)未知之?dāng)?shù)。因?yàn)樵趯拥亩询B上似乎沒有嚴(yán)格的物理限制。但我們清楚認(rèn)識(shí)到，超過一定的縱橫比（也許是100：1？）后，蝕刻停止現(xiàn)象會(huì)發(fā)生，當(dāng)反應(yīng)離子蝕刻過程中的離子由于側(cè)壁上的靜電荷彎曲而無法向下傳播時(shí)，可能會(huì)限制一次操作可以蝕刻多少層。

但是，可以通過堆疊更少的層，蝕刻和堆疊更多的層（以更高的成本）來繞過此問題。堆疊許多層可能會(huì)產(chǎn)生高應(yīng)力，從而使晶圓彎曲，盡管需要仔細(xì)設(shè)計(jì)，但這似乎并不是一個(gè)無法解決的物理極限。即使在200層（每層約50nm）處，總堆疊高度約為10μm，仍與邏輯IC的10-15個(gè)金屬層處于相同范圍內(nèi)。這種層的厚度不會(huì)顯著影響裸片的厚度（到目前為止，最薄的厚度約為40μm）。

然而，在1000層時(shí)，總的層厚度可能導(dǎo)致不符合用于在薄封裝中堆疊多個(gè)裸片（例如16或32）的形狀因數(shù)的厚裸片?，F(xiàn)在閃存已經(jīng)到了170多層，我們認(rèn)為未來的256層也有可能。

當(dāng)堆積更多的層被證明太難時(shí)，面積x-y可能最終開始縮小。然而，這種趨勢(shì)并不能保證。如果孔寬高比是限制，收縮 footprint不會(huì)降低比率，因此也不會(huì)有幫助。此外，與緊湊的2D NAND相比，更大的單元尺寸似乎至少部分地有助于3D NAND的性能（速度和循環(huán)可靠性）更好。x-y縮放是否還能提供這樣的性能還不清楚?？赡苄枰碌膭?chuàng)新或更強(qiáng)大的新興存儲(chǔ)器來進(jìn)一步降低 bit成本。

由于2D NAND Flash縮放受存儲(chǔ)電荷太少所致的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)的限制，因此，一些不基于電荷存儲(chǔ)的非常規(guī)非易失性存儲(chǔ)器（鐵電或FeRAM，磁性或MRAM，相變或PCRAM，電阻性或ReRAM）正在被開發(fā)并形成通常被稱為“新興”存儲(chǔ)器的類別。

即使2D NAND被3D NAND取代（不再受電子數(shù)量不足的困擾），基于非電荷的新興存儲(chǔ)器的某些特性（如低壓操作或隨機(jī)存?。?duì)于各種應(yīng)用也很有吸引力。因此繼續(xù)發(fā)展這些新興的存儲(chǔ)器通常具有兩端結(jié)構(gòu)（例如，電阻器或電容器），因此難以兼用作單元選擇裝置。存儲(chǔ)器單元通常以1T-1C，1T-1R或1D-1R的形式組合單獨(dú)的訪問設(shè)備。

（1）FeRAM

FeRAM器件通過切換和檢測鐵電電容器的極化狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)非易失性。要讀取存儲(chǔ)狀態(tài)，必須跟蹤鐵電電容器的hysteresis loop，并銷毀存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并且必須在讀取后將其寫回（破壞性讀取，如DRAM）。由于這種“破壞性讀取”，尋找鐵電和電極材料在延長的工作周期內(nèi)既能提供足夠的極化變化又能提供必要的穩(wěn)定性是一個(gè)挑戰(zhàn)。許多鐵電材料是CMOS制造材料的常規(guī)補(bǔ)充材料所不具備的，并且可以通過常規(guī)CMOS工藝條件進(jìn)行降解。

FeRAM快速，低功耗和低電壓，因此適用于RFID，智能卡，ID卡和其他嵌入式應(yīng)用。但加工難度限制了其廣泛采用。最近有人提出了基于HfO2的鐵電FET，其鐵電作用于改變FET的Vt，從而形成類似閃存的1T電池。如果發(fā)展成熟，這種新的記憶可能會(huì)成為一種低功耗、非?？斓念愃崎W存的記憶。

（2） MRAM

MRAM（Magnetic RAM）設(shè)備采用磁性隧道結(jié)（MTJ）作為存儲(chǔ)元件。MTJ電池由兩種鐵磁材料組成，兩種鐵磁材料之間有一層薄絕緣層，充當(dāng)隧道屏障。當(dāng)一層magnetic moment與另一層magnetic moment對(duì)齊（或與另一層magnetic moment方向相反）時(shí)，電流通過MTJ的有效電阻就會(huì)改變。可以通過讀取隧穿電流的大小來指示存儲(chǔ)的是1還是0。

場開關(guān)MRAM可能是最接近理想的“通用存儲(chǔ)器”，因?yàn)樗欠且资院涂焖俚?，并且可以無限循環(huán)。因此，它可以作為NVM以及SRAM和DRAM使用。然而，在集成電路中產(chǎn)生磁場既困難又低效。但現(xiàn)場切換MTJ MRAM已經(jīng)成功制成產(chǎn)品。然而，開關(guān)所需的磁場隨著存儲(chǔ)元件的擴(kuò)展而增加，而電遷移限制了可用來產(chǎn)生更高H場的電流密度。

因此，預(yù)計(jì)場開關(guān)MTJ MRAM不太可能擴(kuò)展到超過65nm節(jié)點(diǎn)以下。最近的STT有可能找到新的機(jī)會(huì)。

隨著NAND閃存技術(shù)的快速發(fā)展，以及3D NAND技術(shù)的引入有望繼續(xù)實(shí)現(xiàn)等量擴(kuò)展，STT-MRAM取代NAND的希望似乎遙不可及。然而，它類似sram的性能和比傳統(tǒng)6T-SRAM小得多的內(nèi)存占用已經(jīng)引起了人們對(duì)sram應(yīng)用的極大興趣，尤其是在不需要高循環(huán)耐力的移動(dòng)設(shè)備上，比如在計(jì)算方面。因此，STT-MRAM現(xiàn)在主要被認(rèn)為不是一個(gè)獨(dú)立的內(nèi)存，而是一個(gè)嵌入式內(nèi)存，并且不在獨(dú)立的NVM表中進(jìn)行跟蹤。

STT-MRAM不僅是嵌入式SRAM的替代方案，也是嵌入式Flash （NOR）的替代方案。這對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說可能特別有趣，因?yàn)榈凸氖亲钪匾?。另一方面，?duì)于其他使用更高內(nèi)存密度的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用來說，NOR Flash預(yù)計(jì)將繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位，因?yàn)樗匀痪哂懈蟮某杀拘б妗４送?，閃存也建立了能夠忍受PCB板焊接過程（~ 250°C）不失其加載代碼，許多新興的記憶尚未能夠證明可行。

此外還有PCRAM、 Crosspoint存儲(chǔ)器和ReRAM值得關(guān)注，但限于篇幅，我們不一一介紹。

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