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[导读]2020年10月14日,“第三届全球IC企业家大会暨第十八届中国国际半导体博览会”(IC China 2020)于上海开幕,会上各位专家指出了行业的痛点和机会所在。

伴随5GAIoT的发展和国际关系的日渐紧张之下,集成电路产业逐渐受到一致关注。20201014日,“第三届全球IC企业家大会暨第十八届中国国际半导体博览会”(IC China 2020)于上海开幕,会上各位专家指出了行业的痛点和机会所在。

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摩尔定律放缓催生新材料新架构

摩尔定律是产业一直以来遵循的重要法则,回溯1965年当时提出价格不变情况下,集成电路可容纳的元器件数量每年都会翻番,性能也会提升一倍。十年后,这项定律被修改为两年一翻番。时至今日,多核众核、功耗、密度、频率已逐渐失效,只有晶体管密度还在继续前向发展。

中国工程院院士吴汉明认为,在制程节点20nm以后叫做后摩尔时代,2nm和1nm是否还会走下去,这是业界仍未知的领域,未来的挑战非常大。但从另一个角度来看,对于中国集成电路来说,发展速度变慢也是一个机会。

摩尔定律在发展过程中曾经主要遭遇了三大瓶颈,其一,受到材料限制,发明了电化学镀铜和机械平面化的双镶嵌结构(dual damascence process)技术;其二,受到设备物理限制,Si栅极和SiO2栅极电介质材料被金属栅极和高K电介质取代;其三,受到光刻限制,193nm以上的制程工艺,应运而生了光刻技术。

实际上,正是因为受到这种限制,光刻工艺和刻蚀工艺便成为了后摩尔时代芯片图形发展的两个重要技术。通过公式得知,光刻工艺技术受到NA、k1、λ几个参数影响,在制程节点32nm-45nm下产生了浸没工艺、10nm-16nm下使用多重曝光工艺、5nm-7nm则使用极紫外线(EUV)工艺。

但与此同时,EUV光刻也面临着光源、光刻胶和掩膜版三大挑战。掩模的整体产率约94.8%,但EUV掩模仅64.3%左右,EUV淹模比复杂光学掩模还贵三至八倍(40层到50层交替的硅和钼层组成)。

除了上述的光刻技术,目前纳米压印、X光光刻、电子束直写作为先进光刻技术正在高速发展之中,但这些技术在3-5内仍然有发展空间,并不会马上成为主流技术。

默克中总裁兼高性能材料业务中国区董事总经理Allan Gabor认为,展望未来,伴随摩尔定律的逐渐失效,正在催生新材料和新结构。在此方面,吴汉明也预测,随着工艺节点演进,摩尔定律越来越难以持续,预计将走到2025年。在这些挑战下,新材料、新工艺将是未来成套工艺研发的主旋律。

后摩尔时代有着四大发展模式,具体的方式包括:冯-硅模式,二进制基础的MOSFET和CMOS (平面) 及泛CMOS (立体栅FinFET、纳米线环栅NWFET、 碳纳米管CNTFET等技术) ;类硅模式,现行架构下NCTFET(负电容)、TFET(隧穿)、相变FET、SET(单电子)等电荷变换的非CMOS技术;类脑模式3D封装模拟神经元特性,存算一体等计算,并行性、低功耗的特点,人工智能的主要途径;新兴模式,状态变换(信息强相关电态/自旋取向)、新器件技术(自旋器件/量子)和新兴架构(量子计算/神经形态计算)。

因而逻辑器件将会拥有三个趋势,其一是结构方面,增加栅控能力,以实现更低的漏电流,降低器件功耗;其二是材料方面,增加沟道的迁移率,以实现更高的导通电流和性能;其三,架构方面,类似平面NAND闪存向三位NAND闪存演进,未来的逻辑器件也会从二维集成技术走向三维堆栈工艺。

“摩尔定律放缓是不争的事实,但据OpenAI预估AI算力约每3.5个月翻倍,算力需求正已10倍年增长增加,甚至在摩尔定律不放缓下都难以满足日益增速的算力需求。”上海燧原科技有限公司创始人兼CEO赵立东如是说。