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再见摩尔定律?
封装技术将是关键

【作者: 王岫晨】2019年10月07日 星期一

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对於摩尔定律极限的争论一直没有停止过。半导体产业中,有一派的人认为摩尔定律已死,另一派人则认为摩尔定律还依然持续着,这双方都有他们所持的一套论述。然而观察半导体产业,近年来对於摩尔定律的投入与产出比重的确已经大不如前。我们回过头来看看,摩尔定律究竟是什麽?它说穿了,其实只是一个对於半导体产业的技术趋势预测,并非一个永恒不变的物理法则,因此并无法永久适用於半导体产业。


摩尔定律下一步?

AI运算的需求??升,『冯纽曼架构』点出了这个问题的核心,也就是资料的存取速度将远远赶不上系统的运算速度。运算龙头大厂开始重视晶片的创新。

Xilinx技术长Ivo Bolsens便指出,在过去,半导体产业依循着摩尔定律,的确为相关业者带进不少财富。按照摩尔定律,单位面积的电晶体数量每隔18个月就倍增,这使得许多晶圆业者愿意砸下重金来投资升级制程技术与晶圆设备,因为电晶体数量的倍增,等同於所带来的收益也将同时增加。同时,相关业者也可以藉由先进制程的火力展示,来展现其领先的技术实力。摩尔定律就在这样的时空环境下,带动着半导体产业的快速创新脚步向前。



图一 :  Xilinx技术长Ivo Bolsens指出,摩尔定律走到了尽头,迫使半导体产业必须开发全新的晶片架构。
图一 : Xilinx技术长Ivo Bolsens指出,摩尔定律走到了尽头,迫使半导体产业必须开发全新的晶片架构。

近期,许多产业人士开始讨论摩尔定律是不是走到了极限。消极的一派认为,由於物理上的极限,使得摩尔定律即将走到了尽头;而积极的一派则认为摩尔定律还将继续延续下去,这从产业界不断推陈出新的先进制程,从7奈米、5奈米到3奈米的晶圆厂发展就可以看出端倪(尽管有专家指出,先进制程的线距并未能确实达到实际的精确度)。


两派的争论看似是无止尽的囗水战,只不过就事论事,假如摩尔定律真的走到了尽头,这表示过去支持着半导体产业发展的这条道路不再延续,整个产业可能会顿时失去一个明确的方向。或许是这样的迷茫感,让积极的一派加速发展更为先进的制程,来延续摩尔定律的生命。然而,既使先进制程的发展脚步从来不曾停歇,现在的摩尔定律速度的确也已经趋缓,相关厂商必须投入更庞大的资源,才能获得跟原本相同的效能提升。


创新架构陆续问世

现在问题来了,既然现有的摩尔定律已经趋缓,甚至可能来到尽头,那麽寻找到下一个摩尔定律(或者替代方案)便是当务之急了。许多半导体大厂都正积极进行多方位的技术研发,特别是针对新材料、新架构,以及新封装技术等,都是为了用於弥补摩尔定律的缺囗,并找出一个全新的产业新方向。


就目前的观察,AI运算的需求??升,『冯纽曼架构』点出了这个问题的核心,也就是资料的存取速度将远远赶不上系统的运算速度。包括Xilinx、Intel等许多运算龙头大厂都开始重视晶片的创新,并持续以全新的架构设计来取代旧有的晶片。


Ivo Bolsens说,Xilinx所推出的ACAP平台(Adaptive Compute Acceleration Platform),是一款强调高度整合的多核架构异质整合运算平台,这就是在摩尔定律发展来到极限的氛围下,所开发而出的产品。事实上,半导体产业现阶段面对摩尔定律的尾声,最隹的解决方法,就是透过异质整合的方式,来为後摩尔定律时代开出一条可能性最高的道路。


新制程带动材料的本质改变

半导体产业目前有几大趋势,包含物联网、工业自动化、人工智慧、自动驾驶、5G通讯等,这些趋势发展的同时,也将会伴随着许多大数据的产生。半导体产业已经历经几波革命,现在来到了第四波工业革命,第四波工业革命就是由上述的趋势所带动。这些趋势对半导体成长将非常有帮助,因为这些趋势快速推动了晶片的需求。


英特格技术长James O’Neill表示,为了迎接这些挑战,不同时期有不同策略。在个人电脑时代仰赖微缩技术,因为装置也越来越小;到了行动装置时代,更导入新的材料增加效能,以延续摩尔定律;而来到今天这个时代,半导体产业不只需要微缩技术,更仰赖3D技术以及新的晶片架构。在这过程中,材料技术不断演进,且应用的材料也在本质上开始改变。



图二 : 英特格技术长James O’Neill表示,每提升1%制程良率,就能为先进逻辑晶片厂每年多带来1.5亿美元的净利。
图二 : 英特格技术长James O’Neill表示,每提升1%制程良率,就能为先进逻辑晶片厂每年多带来1.5亿美元的净利。

新的材料、晶片、形状都与过去不同,对於半导体制程来说都是很复杂的挑战。举例来说,从20奈米转换到7奈米,复杂程度是过去的两倍。技术要验证得更快,所以整个生产周期的时间都必须要更为紧缩。这也表示我们在采用先进制程时,要达成较隹的良率更为困难,产业的重点就在於如何快速达到好的良率。这也就是英特格的优势所在。



图三 : 现今的技术几??已达到摩尔定律的极限,在未来,将以封装来延续摩尔定律的效能表现。
图三 : 现今的技术几??已达到摩尔定律的极限,在未来,将以封装来延续摩尔定律的效能表现。

要提高良率重点之一是污染控制,从28奈米到7奈米,对於金属杂质容忍程度已经减少1,000倍,而晶圆致命微粒则缩小将近四倍,这点非常重要,因为只要杂质或微粒等污染的容忍程度有了细微变动,对晶圆厂获利都会造成很大的影响。


在半导体先进制程中,需要新的金属材料去提高阻抗与可靠度,当金属材料改变时,下游制程例如像是如何清洗的程序都须要一并改变。因此,半导体制程中导入新的材料绝对不是一个简单的过程。例如就材料品质的微粒控制来说,对於微粒可容忍的程度越来越低,即对污染控制要求更高。以现今的半导体制程的污染控制挑战来说,其难度可以打个比方,就像是在整个台湾岛上要找出两个硬币那样的困难。


James O’Neill说,可以看到整个半导体生态系中,在生产与制造材料过程中保持产品的洁净度已经不够,必须要在整个生态系统中维持化学品洁净度。每个步骤都要顾虑污染控制,包括工厂中怎麽制作和包装化学品、如何运送与在工厂中使用与储存,每个步骤都相当重要。


以封装来延续摩尔定律的效能改变

过去50年来,晶圆厂已经将最小的电路板尺寸,从过去的微米缩小到奈米级别,这个转变部分是透过精密的检验与量测系统所达成。现今的技术几??已达到Dennard微缩定律与摩尔定律的极限,使得产品效能提升的关键,从晶片的微缩转至IC的封装上。换句话说,在未来,将以封装来延续摩尔定律的效能表现。



图四 : 今天,半导体产业不只需要微缩技术,更仰赖3D技术以及新的晶片架构,且应用的材料也在本质上开始改变。
图四 : 今天,半导体产业不只需要微缩技术,更仰赖3D技术以及新的晶片架构,且应用的材料也在本质上开始改变。

蔡司半导体制造技术业务发展总监Thomas Gregorich指出,互连密度是封装微缩的关键管控因素。100微米铜柱(Cu-pillar)互连密度为每平方公??100 I/O,且不需要精密的制程控制就可以达到高组装良率。50微米高频宽记忆体(HBM)与2.5D互连的密度为每平方公??400 I/O,以既有的检验与量测系统将会难以控制其组装良率。


在此同时,封装量测技术也正在改变。未来的记忆体与「小晶片(chiplet)」技术,预计将使封装互连间距降至20微米或更小,使得互连密度达到每平方公??2500~10000 I/O。这类封装会需要後段制成(BEOL)般的互连密度,与晶圆厂及的组装良率。


近50年来,IC封装产业高度依赖物理横切面来检视、量测并定义深埋在内的结构。此方式对这些先进封装来说并不足够,因此需要新的检验与量测技术。


蔡司开发出新一代的Versa X-ray显微镜(XRM),被视为业界标准,能为深埋在IC封装内的缺陷提供高解析度、非破坏性的成像,几??全球所有的失效分析实验室都采用这样的显微镜解决方案来检测IC的封装结构。


封装领域面临的量测挑战

行动与高效装置对於微缩以及传输效能的需求不断提高,使得业界在高密度多晶片架构的许多创新,而这些设计也带动封装技术迈入立体化,使得制程的量测技术成为是否能推出新颖且先进技术的关键,而这些技术的制程宽容度(process margin)通常较低或较难被控制。


然而,现今先进封装中因目标物太小,已无法用2D X-ray与microCT这类非破坏性的方法来观测。此外,物理横切面除了无法提供3D立体资料之外,还属於破坏性量测,较为耗时,通常也只能处理少量样本,就统计层面来说,改进制程控制的成效有限。


Thomas Gregorich表示,在3D封装的新时代需要新的方法,在可靠的传输量下量测深埋在内的互连结构和其他关键制程,以加速新产品的上市时程。近十年来,蔡司Xradia Versa 3D XRM系统已成为半导体封装非破坏性失效分析的标准;如今蔡司Xradia 620 Versa RepScan为这个领先业界的Versa平台增添新功能,为深埋在先进封装内的关键晶片提供线性及体积量测功能,造就更好的制程、更快的学习周期及更高的良率。


结语

在今日,半导体产业经历着资料爆炸式成长,和摩尔定律放缓的挑战。现阶段摩尔定律正面临扩张速度的急遽减缓,已无法再提供功耗、效能和面积成本的同步提升。而新型记忆体技术被认为是实现高运算效率的新架构关键所在。



图五 : 在半导体先进制程中,需要新的金属材料去提高阻抗与可靠度,当金属材料改变时,下游制程例如像是如何清洗的程序都须要一并改变。
图五 : 在半导体先进制程中,需要新的金属材料去提高阻抗与可靠度,当金属材料改变时,下游制程例如像是如何清洗的程序都须要一并改变。

至於在先进封装中,2.5D IC与封装技术整合可以缩减高达66% 的晶片尺寸,但目前超过一半以上的半导体设备其实都还是以「同质整合」的方式,所以当我们将重点放在谈论「异质整合」时,事实上同质和异质整合皆不可忽略。


面对摩尔定律的发展,尽管市场认为已经趋缓,甚至走到了尽头,但这却是个新的机会点。在过去,半导体产业大多依循着摩尔定律的既定道路,关注着下一个即将发生的制程节点,反而不愿意尝试架构的创新。


而现在,摩尔定律走到了尽头,也迫使半导体产业必须开始摸索、尝试并开发全新的晶片架构,这使得许多还躺在盒子里的创新想法,终於可以见到了天日,甚至有了商品化的机会。


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