imec 总裁：半导体技术在未来20年内实现颠覆性创新才能更好延续摩尔定律

近期，imec 举办了年度国际技术论坛 ( ITF USA）。imec 总裁兼首席执行官 Luc Van den hove 介绍了他对 20 年半导体技术路线图的看法，他说该路线图比该行业过去几十年取得的成就更具进取性。“我们将利用我们的核心半导体专业知识，通过在半导体技术层面、系统和应用层面的共同创新，以及利用材料科学、生物医学、制药、人工智能等多个领域的专业知识，实现深度半导体技术创新。” Luc Van den hove说。建设蓬勃发展的深层技术生态系统必须成为应对 21 世纪挑战的首要任务，包括医疗领域的挑战、解决粮食短缺、应对气候变化和空气污染、寻找可持续交通的解决方案。“所有这些挑战都要求我们开发真正的深度技术解决方案，”他说。"因为这些挑战都需要大量的数据处理，因此需要我们的技术更加高效。"

半导体行业长期以来一直依赖传统的基于 Dennard 的缩放，它同时以更低的功率和更低的成本提供更高的性能和更高的密度。“这个一维版本的路线图在未来可能已经不够用了，” Luc Van den hove说。“我们将不得不针对特定应用调整我们的设备。”

传统的扩展在功率、性能、扩展和成本方面遇到了多重障碍。“只是基于光刻的收缩变得越来越难，” Van den hove说。“它并没有停止，而是变得越来越难。我们习惯于从节点到节点的单个晶体管的性能改进一直在放缓。这就是我们必须进行大规模并行化的原因。”

系统性能越来越受到核心处理器和内存之间的数据路径限制的支配，这造成了数据处理限制，尤其是在 AI 应用程序中。“这就是我们所说的内存墙。内存峰值带宽无法跟上处理器峰值吞吐量，”Van den hove 说。

另一面墙是能量墙。“将所有功率输入芯片变得越来越难，而且从每个芯片中提取热量也变得越来越难。因此，我们需要新的冷却技术，”他说。成本也在爆炸式增长（成本墙），需要通过复杂性增加来弥补。

Van den hove 说：“传统的缩放显然正在击中许多这样的墙，我们将不得不开发实际的技术解决方案来拆除这些墙，以使摩尔定律得以延续”。

对于这种“墙”的拆除，需要多种方法，包括尺寸缩小、新开关/晶体管的开发、第三维度的增加使用以及设计优化的系统级方法。  

3年内投入High NA EUV

Van den hove 表示，随着 EUV 被引入大批量制造，光刻技术路线图最近经历了“惊人的推动”。“这个成功发生在五纳米节点。它比最初预期的要难得多，花了更长的时间，但由于 ASML 和蔡司等公司的承诺和努力下，真的成功了，”他说。“我们认为当前版本的 EUV 将可扩展到两纳米，甚至可能更远的节点，但要超越这一点，我们将需要下一版本的 EUV。” 这将需要开发更大的镜头和新的系统平台。光学器件必须符合惊人的规格，直径为 1 米的镜头精度超过 20 皮米。“如果我们将其比喻为地球的大小，这意味着我们必须以人类头发丝粗细的精度来打磨地球。这令人难以置信，” Van den hove说。“我们预计第一台机器将在明年准备就绪。”

High NA EUV 的引入也将在工艺方面带来许多挑战。“为了以积极主动的方式解决这些问题，我们正在与 ASML 一起建立一个围绕第一台原型机建造的联合High NA 实验室，该实验室将与 TEL 轨道连接，并配备最先进的计量能力。我们这样做是因为及时引入High NA EUV 的挑战将是巨大的，”Van den hove 说。“从第一台 EUV 扫描仪到投入大批量生产，我们花了大约 10 年的时间。对于High NA，我们将有更少的时间，只有三年。为了降低在制造业中引入的风险，我们正在制定一个非常密集的计划，以开发所有的产品。例如掩模技术和使用湿式或干式紫外线抗蚀剂的材料和光学特性。”  

设备创新

Van den hove 描述了几个颠覆性晶体管架构的创新建议，以实现进一步的扩展，包括由纳米片堆叠构成的环栅器件，以及称为叉片器件的新晶体管概念，其中 N 和 P沟道晶体管靠得更近。“这种叉板设备，我们将其视为标准纳米片概念的延伸，我们相信它将在相当于一纳米一代的情况下推出，”Van den hove 说。他还描述了一种将 N 和 P 沟道晶体管堆叠在彼此顶部的选项，称为互补 FET (CFET) 器件。

“很明显，可以在缩小单元尺寸方面实现另一个非常重要的步骤，但显然是以更复杂的接触方案来接触源极和漏极区域为代价的。但我们相信，我们已经开发出集成方案，可以通过优化外延工艺、图案化工艺和利用非常复杂的沉积工艺来实现接触结构，从而实现这种晶体管的集成方案。”Van den hove 说。

其他创新包括减少硅通道的厚度以减少通道长度。这可以通过使用新材料来实现，用二维材料（原子级平坦的单层）代替硅，例如钨或钼的硫化物或硒化物。“我们最近展示了使用 300 毫米设备制造的第一批设备，”他说。  

20年路线图

Van den hove 表示，持续的尺寸缩放、新的晶体管架构、新材料的引入以及创新的互连架构（埋入式电源轨）相结合将是成功的秘诀。他说：“我们相信，我们可以画出未来 8 到 10 代也就是未来20年的路线图。”

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