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从28nm到2nm节点,Imec扩展的DTCO框架量化和基准测试的不同过程和集成方案


集成电路制造占用了多少环境资源?今天,回答这个问题并不容易:因为仍然缺乏准确评估芯片制造环境影响的综合方法。然而,IMEC已经制定了一个解决方案,通过扩大其设计技术协调和优化(DTCO)框架,可以估计当前和未来逻辑CMOS技术、水和温室气体排放的能耗。第一个分析显示,B-36-3芯片技术的数量正在增加。该框架允许企业在大规模生产前做出更可持续的制造过程选择。这些初步研究结果已在国际教育管理研究所会议上公布。

环境可持续性:日益增长的优先事项。

半导体工业是能源、水、化工和原材料的资源密集型工业。在制造过程中,会产生不同类型的排放物,包括二氧化碳、氟化合物和其他温室气体。如何最大限度地减少行业对环境的影响,遵守当地和全球政策,控制环境,健康和安全(EHS)将成为每个半导体工厂长期工作的重要组成部分。

工厂和设备供应商希望实现资源枯竭和全球污染,工厂和设备供应商希望为更绿色的集成电路制造业做出更多努力。虽然EHS控制主要局限于化学品、减排和水资源管理,但半导体公司希望了解和减少其产品中所有生态资源的占用。减少资源占用也可以确保业务的连续性——例如,如果涉及稀缺材料,它可能会给公司带来竞争优势。如今,许多公司依靠生命周期评估来评估产品的环境影响,从材料采购到生命结束。

缺失的拼图:评估未来集成电路的生命周期。

然而,目前的LCA方法远不准确和完整,尤其是在集成电路方面。芯片制造中使用的气体平衡和能量流的最新信息是20世纪10年代主流技术的32纳米技术节点。很难获得即将到来的CMOS过程处理的最新环境数据。已知信息主要来自当地信息,无论是来自设备或材料供应商,还是来自半导体制造商生产后发布的信息。Fabless根本无法获取信息。因此,仍然缺乏全面的方法,这对如何将环境因素纳入早期技术定义阶段具有巨大的挑战。

主要绊脚石:未来技术的复杂性。

随着节点的演变和复杂性的增加,预计CMOS工艺环境的影响将变得非常复杂。多年来,新材料、设备结构、工艺和设备都引入了芯片制造的所有步骤,包括前端线(FEOL)、中端线(MOL)和后端线(BEOL),以确保摩尔定律的连续性。我们正在探索未来的面积和性能(即工作频率),我们正在探索许多选择。

为了打印更窄的间距,光刻技术从193nm(浸没)到双、三、四种图案方法。EUV光刻可用于7nm节点,大大减少了工艺步骤的数量。但并不是每个半导体制造商都实现了这一变化,因为有多种处理路线可供选择。对于未来的技术节点,30nm以下的印刷间距将需要多个EUV岩蚀刻序列。

在FEOL中,FinFET已经成为7nm技术节点的主流设备架构,也是芯片生产中最先进的节点。对于下一个技术节点,Imec认为水平纳米板(垂直堆叠)是发展方向,其次是叉设备架构和互补场效应管(CFET)。

为了跟上前端面积的缩小,BEOL的尺寸必须更快地缩小——导致金属距离越来越小,导线的横截面积越来越小。多年来,互联网层的数量和最密集的金属线的复杂性显著增加。为了降低最密集层的电阻率,正在探索新的金属工艺方案。

从快乐微缩到设计技术协同优化。

随着DTCO的演变:设计技术的协调和优化。大约在2005年之前,半导体行业仍然生活在一个快乐和微观的时代。当时,随着晶体管的不断缩小,它在功耗、性能、面积和制造成本(称为PPAC)方面给整个系统带来了好处。然而,自2005年以来,人们越来越意识到,只有通过设备制造技术和设计的共同优化,才能保持效率。DTCO允许进一步缩小面积,而不是晶体管,而是标准单元水平。微助推器,如自对准格栅极接触或嵌入式电源轨,可以进一步改善芯片不同部件之间的连接,但也对FEOL、BEOL和MOL芯片的生产产生不利影响。

DTCO包括可持续性:Imec方法。

如上所述,DTCO框架可以作为环境指标分析的有趣基础,并与标准PPAC指标并行监控。DTCO考虑了当前和未来的IC技术流程。这些可以与工艺步骤和设备的相关环境信息相结合,对功耗、性能、面积、成本和环境进行评分和分析。

Imec以电耗、超纯水使用和温室气体排放为评价环境影响的主要指标。Imec团队利用300mm晶圆厂的数据,辅以设备供应商生态系统的信息,扩大DTCO框架。这样,就可以连接不同的专有知识和信息。

目的是在大规模制造前分析和探索不同工艺节点的选择,以识别瓶颈、风险和机会。这需要一个真正的整体方法来正确地评估它。例如,众所周知,在EUV过程中,每个工具的功耗约为传统193nm(浸入式)光刻工具的十倍。然而,EUV大大降低了制造步骤,因此在计算总功耗时必须考虑到这一点。

从28nm到2nm节点,Imec扩展的DTCO框架量化和基准测试的不同过程和集成方案。接下来,我们将展示如何使用这个框架来选择一个更可持续的制造过程。


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