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芯片制造到底难在哪?这里有来自一线工程师的切身感受

所属分类:时事聚焦    发布时间: 2020-08-11    作者:世说芯语
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芯片制造的难,就是难在不断地向物理极限发起挑战,而且你不知道这个物理极限到底在哪里。

不同种类的芯片所面临的物理极限的挑战是不一样的,我们来分类看一下。

先来看3D-NAND芯片

NAND这个词在外行的看来比较陌生,但实际上离我们并不遥远,我们买的很多固态硬盘的核心存储芯片,就是3D-NAND芯片。

3D NAND芯片的内部结构就像一座住宅大厦,里面有很多的“小房子”(下图中的memory cell),它们就是电荷存储的物理空间。


为什么叫做3D NAND,因为原来的NAND的“小房子”只能盖一层,是平面型的,故而称作2D NAND,而3D NAND可以在垂直方向上叠加“小房子”,是一个立体的结构。

这些“小房子”是基于半导体制造几大基本模块工艺批量制作的。每一个"小房子"的组成,是经过..设计的导体/半导体/绝缘材料。


国产3D NAND芯片之所以落后,就是在于国产芯片的堆叠层数较低,目前国产芯片量产.高可以做到64层(长江存储128层QLC 3D NAND 闪存目前仅通过测试,尚未量产),而一线大厂,如三星、海力士、镁光等,已经可以做到128层及以上。

叠加的层数越多,工艺制造上遭遇的难度与问题就会越大,电路搭错的几率就会越高。

3D NAND芯片的制造难度在于:在水平方向上,要解决增加图案密度的问题,以增加存储密度;在垂直方向上,又要解决高深宽比(HAR)刻蚀均匀性的问题。

下图展示的就是一道高深宽比刻蚀的缺陷,正常的情况下,dry etch工艺都会呈现出垂直或者梯形的形貌,而随着深宽比的加大,竟然还观察到了中间刻蚀出“胖肚子”的形貌。


这是长江存储与一些科研机构在联合研发过程中遭遇到的一个真实案例。

实际上,在芯片研发与制造过程中,类似的例子数不胜数,新的工艺失效模型永远在颠覆着我们的认知,有的时候甚至会感叹这是一门玄学,我们要做的,就是不断地挑战微观控制的极限。

再来说一下逻辑芯片

我们日常接触的CPU芯片、显卡芯片都隶属于此范畴。

逻辑芯片在器件上要解决的首要问题就是,随着随着摩尔定律的推进以及尺寸的缩小,CMOS器件在某些电性能方面出现了衰退,这就需要新的器件设计。

但逻辑芯片不仅仅要解决微电子器件的问题,当尺寸缩小之后,工艺难度也会进一步加大。

比如,为了让尺寸缩小,分辨率更高,光刻工艺会采用浸没式光刻。所谓的浸没式,就是让光源与光刻胶之间使用水来充当光路介质,这就对光刻机台以及工艺提出更高的挑战。

尺寸的缩小不仅仅体现在图案的尺寸上,垂直方向上的薄膜高度的要求也越来越高。在这样的背景下,原子层沉积(ALD)技术被发明出来,这样在薄膜厚度上可以..地控制到只有几层原子的厚度。

但是,工艺越先进,工艺缺陷与失败的几率也会增加,其原因,用业界术语来说,就是工艺的window在缩小。所谓的window,就是允许的工艺参数浮动的范围。在关键的步骤里,一旦工艺指标跑出了限定标准,芯片制造失败的风险就会大大增加。因此,越是先进的工艺,就越要保证工艺的稳定性。

而且,也会出现很多很“玄学”的现象。

比如,在先进节点的dry etch工艺中,往往会出现”pitch walking“现象。

Pitch walking,是指芯片某一层图案的周期结构并没有按照掩膜版的设计呈现,而是出现了个别线条的挪动,它会导致图案的周期性受到破坏。

上述的例子还仅仅是涉及单一模块工艺,更繁琐的是工艺集成。

芯片的制造上是一个成百上千步的过程,前后步之间相互影响非常大。

这里我做一个比喻,方便大家理解。

假如我要挖一口井,原来的时候,我按照标准工艺去挖井就好了,现在有人说,井下的石头层是一种罕见的类型,特别容易渗水,那挖井的工艺就要做相应的调整。

很多时候,前步出现了工艺调整,后步就要相应地做出调整,而调整多少,怎么调整,带来的是正面影响还是负面影响,往往都是未知的。这就需要不断地进行工艺验证以及新工艺的开发。这就会让芯片研发的周期延长。

而消费者那边,还在苦苦盼望着更先进芯片的上市。殊不知,芯片厂里面数百数千的研发工程师,用尽了他们学到的所有科学知识,消耗了本已残存不多的脑细胞,甚至是放弃了美好的个人时间,辛苦搬砖,他们远比消费者还想让芯片尽快面市。

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