半導(dǎo)體創(chuàng)新的三個“竅門”有哪些？

半導(dǎo)體行業(yè)不可思議的強大動力源于其核心的器件創(chuàng)新。而且，當(dāng)今的企業(yè)面臨著巨大的競爭壓力，創(chuàng)新是保持其競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵因素。

“并不是微軟在復(fù)制Mac時如此聰明或巧妙，而是Mac十年來一直是一個容易攻擊的目標(biāo)。這就是Apple的問題：他們的差異化消失了?！?– 1994年Steve Jobs在The Rolling Stone采訪中如是說。

有趣的是，盡管創(chuàng)新是區(qū)分和創(chuàng)造價值的關(guān)鍵，但新創(chuàng)新的采用范圍可以很廣泛，如圖12所示。

圖 1：創(chuàng)新進入行業(yè)的典型擴散和采納情況

既然我們已經(jīng)了解到創(chuàng)新對成功企業(yè)的重要性，現(xiàn)在讓我們關(guān)注手頭的話題——半導(dǎo)體器件創(chuàng)新的三個技巧是什么。嗯，抱歉讓你失望了，但實際上并沒有簡單的技巧。現(xiàn)在既然我引起了你的注意，讓我開始揭穿一些誤區(qū)。

器件創(chuàng)新：一些真正的謊言

首先，半導(dǎo)體器件創(chuàng)新沒有什么神奇之處。第二個神話是創(chuàng)新是某種突然頓悟的時刻。幾千年來，人們一直相信創(chuàng)新就像一道閃電一樣出現(xiàn)。一般認(rèn)為：1）一個人必須被動地等待突破性的想法出現(xiàn)，不能直接控制創(chuàng)造過程；2）任何幸運得到重大想法的人必須抓住可能的最大利益，因為這種閃電般的才智可能永遠不會再發(fā)生；3）最后，連續(xù)的創(chuàng)新者和發(fā)明天才是稀有的人才。所有這些概念都是錯誤的。與其他創(chuàng)新一樣，半導(dǎo)體器件的成功反而一直是結(jié)構(gòu)化創(chuàng)新的最佳產(chǎn)品。

器件創(chuàng)新：源源不斷的禮物

器件創(chuàng)新通常是一個良性循環(huán)，持續(xù)共同優(yōu)化三個關(guān)鍵因素：材料，堆疊/器件結(jié)構(gòu)和器件電氣操作。一切從材料開始，它決定了什么是可能的。然后你優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)以構(gòu)建可制造的東西，最終你調(diào)整電氣操作以確保器件在其產(chǎn)品生命周期內(nèi)保持可靠。例如，你可以在晶圓上吹氣，創(chuàng)建一個可以在兩個存儲狀態(tài)之間切換的本地氧化物器件。問題是它是否會在十億次以上的周期中可靠地切換，并滿足當(dāng)前的性能，可制造性和成本標(biāo)準(zhǔn)。共同優(yōu)化這三個標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化創(chuàng)新循環(huán)是需要不斷重復(fù)的方法，直到滿足器件關(guān)鍵參數(shù)指數(shù)（KPIs）。例如，Intermolecular已經(jīng)成功地展示了在這樣一個良性周期中使用其器件創(chuàng)新能力，以實現(xiàn)許多不同材料系統(tǒng)中的領(lǐng)先邊緣存儲器和選擇器器件。

下圖2中顯示了材料和器件創(chuàng)新的輪子：

圖2：由材料、電氣操作和器件結(jié)構(gòu)共同優(yōu)化提供動力的器件創(chuàng)新，以滿足器件KPIs。

它的基礎(chǔ)是材料、器件結(jié)構(gòu)和器件操作的共同優(yōu)化，這是通過快速組合沉積，先進的物理和電氣表征，數(shù)據(jù)分析來評估器件性能和可靠性，以及不斷理解推動器件行為的機制來實現(xiàn)的。

半導(dǎo)體器件：壓力開始

并不令人驚訝，半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)進步遵循一種“方法論”。對于半導(dǎo)體產(chǎn)品，它從推動軟件和系統(tǒng)架構(gòu)的應(yīng)用開始，進而推動芯片架構(gòu)到器件到過程集成到材料。要成功地進行器件創(chuàng)新，了解推動器件行為的指標(biāo)是至關(guān)重要的。新興和領(lǐng)先邊緣的邏輯和存儲器件是對以下列出的參數(shù)的共同優(yōu)化和改進：

表1：推動器件創(chuàng)新的示例領(lǐng)先參數(shù)（KPIs）

器件創(chuàng)新：案例研究勝過千言萬語

接下來，我們將回顧一個案例研究，該研究將進一步強調(diào)第三節(jié)中描述的共同優(yōu)化方法，以實現(xiàn)第四節(jié)中示范的KPIs。幾年前，一家領(lǐng)先的存儲器制造商找到Intermolecular，尋找一種選擇器器件，該器件在表1的新興選擇器列中的所有參數(shù)上都應(yīng)具有最佳性能。預(yù)計這種Ovonic閾值開關(guān)（OTS）二極管的材料系統(tǒng)將是一個多元（3至7）硫?qū)僭?。盡管這些參數(shù)每個都極其困難，但主要的“石墻”是泄漏（IOFF）和熱穩(wěn)定性之間的權(quán)衡（圖3）

圖3：OTS選擇器的基本泄漏與熱穩(wěn)定性權(quán)衡

技術(shù)團隊接受了這個挑戰(zhàn)，同時考慮并共同優(yōu)化了基于配位數(shù)和電子能帶的材料系統(tǒng)，仔細管理了操作期間的電氣符合性，利用了器件結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)特性，了解了基礎(chǔ)機制，并且不僅如此，還利用了機器學(xué)習(xí)來利用豐富數(shù)據(jù)集的多樣性和數(shù)量。因此，在3年的時間里，如圖4所示，器件的多元材料系統(tǒng)得到了顯著的改進，以解決諸如泄漏，熱穩(wěn)定性等器件級KPI，以及諸如閾值電壓漂移（VTH）之類的芯片物理設(shè)計參數(shù)。

圖4：優(yōu)化多元元素（A至E）用于器件和設(shè)計KPI

從系統(tǒng)到芯片設(shè)計到器件到材料：這就是結(jié)果

以器件創(chuàng)新為核心，當(dāng)今的技術(shù)開發(fā)側(cè)重于新興方法，將器件和材料技術(shù)的協(xié)同優(yōu)化進一步擴展到更高的抽象層次。此類前沿技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略涉及包括設(shè)計相互依賴性，即 DTCO（設(shè)計 - 技術(shù)協(xié)同優(yōu)化），有些還延伸優(yōu)化以包括產(chǎn)品和系統(tǒng)級關(guān)注，例如 STCO（系統(tǒng) - 技術(shù)協(xié)同優(yōu)化）。以下是我們的主要領(lǐng)先客戶強調(diào)的重點領(lǐng)域。圖 5 顯示了臺積電對每個節(jié)點上不斷增加的 DTCO 貢獻與傳統(tǒng)擴展的3 個估計，該擴展與芯片設(shè)計的協(xié)同優(yōu)化無關(guān)。

圖 5：DTCO 與技術(shù)節(jié)點的貢獻不斷增長

同樣，當(dāng)技術(shù)優(yōu)化的整體方法包括芯片設(shè)計、封裝和產(chǎn)品級相互依賴性時，Micron 4期望提高研發(fā)效率和為最終客戶帶來的價值，如圖 6 所示。

圖 6：包括產(chǎn)品、設(shè)計、封裝、工藝和器件相互依賴性的整體方法，以提高研發(fā)效率和價值生成

半導(dǎo)體器件：無限及超越

預(yù)計到 2030 年，全球半導(dǎo)體行業(yè)的收入將增長至 1 萬億美元，在這十年中翻一番5。這將通過其核心的器件和材料創(chuàng)新來實現(xiàn)。電子行業(yè)路線圖強調(diào)了這一目標(biāo)豐富的前景和半導(dǎo)體器件的光明未來。因此，不要停止思考明天，從現(xiàn)在到永遠成為器件創(chuàng)新者。我們每個人都將成為這一令人難以置信的進步的貢獻者，無論是作為創(chuàng)新者、制造者，還是半導(dǎo)體器件的用戶。

審核編輯：劉清