7nm之后的架構和材料的創新

回到現在產業界正在緊盯的7nm工藝，三星認為它會在2018年到來，因為溝道變窄了，那就要求在在設計制備的時候需要從架構、溝道材料和工藝制備上進行創新，而GAA、三五族溝道材料和EUV光刻是對應的最好答案。

在這里我們詳細介紹一下GAA和三五族溝道材料：

（1）Gate-all-around （GAA）

GAA有時候被稱作橫向納米線場效應管。這是一個周邊環繞著 gate 的 FinFet 。GAA 晶體管能夠提供比 FinFet 更好的靜電特性，這個可滿足某些柵極寬度的需求。

從表面上看， GAA 和柵極夾雜在源極和漏極之間的 MOSFET 很類似。另外， GAA 同樣包含了 Finfet ，但和目前 fin 是垂直使用的 Finfet 不同， GAA 的 Finfet 是在旁邊。GAA Fet 包含了三個或者更多的納米線，形成溝道的納米線懸空且從源極跨到漏極。其尺寸是驚人的。 IMEC 最近介紹的一個 GAA fet 的納米線只有 8nm 直徑。

控制電流流動的 HKMG 架構能夠填補源極和漏極之間的差距。

但是從 FinFet 向 GAA 的轉變并不會有很大的優勢，當中你只是獲得了對晶體管靜電性能控制的提升。GAA 最大的提升在于縮小了柵極寬度。這樣你就可以得到一個全環繞和一點的靜電性能的控制。當然， gate 的縮小是必不可少的。

在GAA上，也分為兩種方案，一種是水平的，它能夠打破FinFET的限制。

另一種是垂直的，能突破更多的物理限制。

（3）EUV

（2）三五族溝道材料

溝道材料這一段時間以來一直是個熱門的話題。溝道是一個連接MOS器件源與漏之間的一個導電區域。當一個MOSFET晶體管在導通時柵電容器加在溝道上的電壓會產生一個反型層，使少數載流子在源與漏之間很快通過。反之則晶體管關閉。

溝道材料中發生大的改變是在90納米工藝，那時全球工業界開始引入應變硅材料。芯片制造商采用外延工藝在PMOS晶體管形成中集成了SiGe的應變硅，或者稱讓晶格結構發生畸變。這樣可以通過增加空穴的遷移率來達到增大驅動電流。

芯片制造商在10nm或者7nm工藝時溝道材料必須要作改變。在一段時間中曾認為首選是在PMOS中采用Ge，以及NMOS中采用InGaAs材料。因為Ge的電子遷移率可達3，900cm平方/Vs，而相比硅材料的為1，500cm，InGaAs的電子遷移率可達40，000cm平方/Vs。但是三五族溝道材料受到了廠商的更多關注。

與硅相比，由于III-V化合物半導體擁有更大的能隙和更高的電子遷移率，因此新材料可以承受更高的工作溫度和運行在更高的頻率下。且沒有明顯的物理缺陷，而且跟目前的硅芯片工藝相似，很多現有的技術都可以應用到新材料上，因此也被視為在10nm之后繼續取代硅的理想材料。目前需要解決的最大問題，恐怕就是如何提高晶圓產量并降低工藝成本了。

（3）EUV光刻

三星認為，到了7nm，EUV光刻是勢在必行。

這里我們也說一下EUV光刻。

80年代后期，半導體行業開始用激光代替汞燈作為光源，將波長從365nm 降低到 248nm。但是一些研究者們已經開始計劃一個更大的進步——向X射線范圍挺近。當時就職于日本電信公司 NTT的 Hiroo Kinoshita 在 1986 年發表了使用 11nm 射線的結果。另外還有 AT&T 公司的貝爾實驗室和 Lawrence Livermore 國家實驗室也分別實踐了這種技術。1989 年，一些相關研究學者在光蝕刻學術會上碰面并交換了研究思想。再后來，相關的研究開始得到國家和行業內的贊助。

90年代后期，ASML 公司和其他一些合作伙伴開始研究后來廣為人知的技術——EUV 光刻技術。也是這個時候，在 ASML 公司荷蘭總部 Veldhoven 小鎮長大的 Anton van Dijsseldonk ，成為了公司開展該項目的第一個全職雇員。van Dijsseldonk 回憶道：“摩爾定律的終點已經被大家所預見到了。半導體行業一直都在尋找方法來保持技術革新和進步。芯片制造商們也在努力改進套刻技術——將晶片從光刻機中加工取出后再放入其中，并在原來的位置精準地印刷出下一層圖像。那時的人們都在尋找不同的方法，而 EUV 就是里面較為不同的一個。”

EUV光刻生產中仍有一些設備上的難題亟待攻克。其中就包括對空白檢驗工具和光刻膠光化學性質的研究。

7nm之后的系統創新

根據三星介紹，7nm之后除了在架構和材料商創新，還可以在系統上創新。其中包括了MRAM創新方案和集成封裝。

先談一下MRAM。

三星認為，MRAM是最有希望替代Flash的存儲技術，因為需要更少的mask，所以其稱為會變得更低，再加上功耗優勢，這讓mram稱為他們關注的方向。

MRAM的全稱是Magnetoresistance Random Access Memory，磁致電阻隨機存儲器。目前，MRAM的諸多研究中，已經可以開始生產的產品結構被稱為STT-MRAM（Spin Transfer Torque Magnetoresistance Random Access Memory，自旋注入磁化反轉磁致電阻隨機存儲器）。因此，本文的介紹也基于STTMRAM進行，簡稱為MRAM。

如果單看上文給出的名字：自旋注入磁化反轉磁致電阻隨機存儲器，如此“高大上”的名稱肯定讓人眼暈。實際上，MRAM的結構并不復雜，原理也不難。它采用了類似三明治的結構。為了講清楚它的工作原理，我們先了解一些特性：

磁電阻效應：這是指某些材料在強磁場下表現高電阻，弱磁場下表現低電阻（或者相反）。磁電阻效應在很多金屬和半導體上都可看到，電阻率變化正負都有，常見的比如銻化銦、砷化銦等都是磁電阻效應比較明顯的材料。

量子隧道效應：又稱為勢壘貫穿，是指電子在表現出波的性質的時候，有一定概率以波的方式越過勢壘的效應。簡單來說，就是在絕緣層極薄的情況下，它擁有一定的導電能力。

自旋注入磁化反轉效應：這個效應前文提到了，也就是Spin Transfer Torque。

在了解各種效應后，理解MRAM的設計就不難了。如圖3所示的MRAM三明治結構。上下兩層磁體夾著中間的絕緣膜，其厚度大約幾納米，如此薄的絕緣膜使得量子隧道效應能很自如的展現出來。

除了絕緣層外，MRAM中可變磁方向的層（利用自旋注入磁化反轉效應）被稱為“自由層”，而固定不變的永磁體層被稱為“參考層”。

當一個MRAM單元通電后，電流利用量子隧道效應，在自由層和參考層之間流動。當參考層的磁場方向和自由層相同時，磁場表現為疊加強磁場，電阻變低，電流變大；當兩者方向相反時，磁場表現為互斥弱磁場，電阻變高，電流變小，相反的情況也可以。工程人員只需要測試電流的高低差值、或者電壓差，就可以很自如的給出1和0兩種狀態定義，從而存儲數據。

不僅如此，由于自由層的磁場方向改變是由于外部條件引發電子自旋方向改變，因此只要外部條件消失，電子自旋方向理論上會穩定持久的存在下去，這就意味著在完成了寫入狀態后，數據狀態會被永久的保留。

另外，集成封裝也是三星看好的另一個系統解決方案。

三星認為，借助2.5D/3D的封裝技術，最終做出來的芯片擁有更高的帶寬，進而帶來更強的系統性能。