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再見摩爾定律?
封裝技術將是關鍵

【作者: 王岫晨】   2019年10月07日 星期一

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對於摩爾定律極限的爭論一直沒有停止過。半導體產業中,有一派的人認為摩爾定律已死,另一派人則認為摩爾定律還依然持續著,這雙方都有他們所持的一套論述。然而觀察半導體產業,近年來對於摩爾定律的投入與產出比重的確已經大不如前。我們回過頭來看看,摩爾定律究竟是什麼?它說穿了,其實只是一個對於半導體產業的技術趨勢預測,並非一個永恆不變的物理法則,因此並無法永久適用於半導體產業。


摩爾定律下一步?

AI運算的需求飆升,『馮紐曼架構』點出了這個問題的核心,也就是資料的存取速度將遠遠趕不上系統的運算速度。運算龍頭大廠開始重視晶片的創新。

Xilinx技術長Ivo Bolsens便指出,在過去,半導體產業依循著摩爾定律,的確為相關業者帶進不少財富。按照摩爾定律,單位面積的電晶體數量每隔18個月就倍增,這使得許多晶圓業者願意砸下重金來投資升級製程技術與晶圓設備,因為電晶體數量的倍增,等同於所帶來的收益也將同時增加。同時,相關業者也可以藉由先進製程的火力展示,來展現其領先的技術實力。摩爾定律就在這樣的時空環境下,帶動著半導體產業的快速創新腳步向前。



圖一 :  Xilinx技術長Ivo Bolsens指出,摩爾定律走到了盡頭,迫使半導體產業必須開發全新的晶片架構。
圖一 : Xilinx技術長Ivo Bolsens指出,摩爾定律走到了盡頭,迫使半導體產業必須開發全新的晶片架構。

近期,許多產業人士開始討論摩爾定律是不是走到了極限。消極的一派認為,由於物理上的極限,使得摩爾定律即將走到了盡頭;而積極的一派則認為摩爾定律還將繼續延續下去,這從產業界不斷推陳出新的先進製程,從7奈米、5奈米到3奈米的晶圓廠發展就可以看出端倪(儘管有專家指出,先進製程的線距並未能確實達到實際的精確度)。


兩派的爭論看似是無止盡的口水戰,只不過就事論事,假如摩爾定律真的走到了盡頭,這表示過去支持著半導體產業發展的這條道路不再延續,整個產業可能會頓時失去一個明確的方向。或許是這樣的迷茫感,讓積極的一派加速發展更為先進的製程,來延續摩爾定律的生命。然而,既使先進製程的發展腳步從來不曾停歇,現在的摩爾定律速度的確也已經趨緩,相關廠商必須投入更龐大的資源,才能獲得跟原本相同的效能提升。


創新架構陸續問世

現在問題來了,既然現有的摩爾定律已經趨緩,甚至可能來到盡頭,那麼尋找到下一個摩爾定律(或者替代方案)便是當務之急了。許多半導體大廠都正積極進行多方位的技術研發,特別是針對新材料、新架構,以及新封裝技術等,都是為了用於彌補摩爾定律的缺口,並找出一個全新的產業新方向。


就目前的觀察,AI運算的需求飆升,『馮紐曼架構』點出了這個問題的核心,也就是資料的存取速度將遠遠趕不上系統的運算速度。包括Xilinx、Intel等許多運算龍頭大廠都開始重視晶片的創新,並持續以全新的架構設計來取代舊有的晶片。


Ivo Bolsens說,Xilinx所推出的ACAP平台(Adaptive Compute Acceleration Platform),是一款強調高度整合的多核架構異質整合運算平台,這就是在摩爾定律發展來到極限的氛圍下,所開發而出的產品。事實上,半導體產業現階段面對摩爾定律的尾聲,最佳的解決方法,就是透過異質整合的方式,來為後摩爾定律時代開出一條可能性最高的道路。


新製程帶動材料的本質改變

半導體產業目前有幾大趨勢,包含物聯網、工業自動化、人工智慧、自動駕駛、5G通訊等,這些趨勢發展的同時,也將會伴隨著許多大數據的產生。半導體產業已經歷經幾波革命,現在來到了第四波工業革命,第四波工業革命就是由上述的趨勢所帶動。這些趨勢對半導體成長將非常有幫助,因為這些趨勢快速推動了晶片的需求。


英特格技術長James O’Neill表示,為了迎接這些挑戰,不同時期有不同策略。在個人電腦時代仰賴微縮技術,因為裝置也越來越小;到了行動裝置時代,更導入新的材料增加效能,以延續摩爾定律;而來到今天這個時代,半導體產業不只需要微縮技術,更仰賴3D技術以及新的晶片架構。在這過程中,材料技術不斷演進,且應用的材料也在本質上開始改變。



圖二 : 英特格技術長James O’Neill表示,每提升1%製程良率,就能為先進邏輯晶片廠每年多帶來1.5億美元的淨利。
圖二 : 英特格技術長James O’Neill表示,每提升1%製程良率,就能為先進邏輯晶片廠每年多帶來1.5億美元的淨利。

新的材料、晶片、形狀都與過去不同,對於半導體製程來說都是很複雜的挑戰。舉例來說,從20奈米轉換到7奈米,複雜程度是過去的兩倍。技術要驗證得更快,所以整個生產週期的時間都必須要更為緊縮。這也表示我們在採用先進製程時,要達成較佳的良率更為困難,產業的重點就在於如何快速達到好的良率。這也就是英特格的優勢所在。



圖三 : 現今的技術幾乎已達到摩爾定律的極限,在未來,將以封裝來延續摩爾定律的效能表現。
圖三 : 現今的技術幾乎已達到摩爾定律的極限,在未來,將以封裝來延續摩爾定律的效能表現。

要提高良率重點之一是汙染控制,從28奈米到7奈米,對於金屬雜質容忍程度已經減少1,000倍,而晶圓致命微粒則縮小將近四倍,這點非常重要,因為只要雜質或微粒等污染的容忍程度有了細微變動,對晶圓廠獲利都會造成很大的影響。


在半導體先進製程中,需要新的金屬材料去提高阻抗與可靠度,當金屬材料改變時,下游製程例如像是如何清洗的程序都須要一併改變。因此,半導體製程中導入新的材料絕對不是一個簡單的過程。例如就材料品質的微粒控制來說,對於微粒可容忍的程度越來越低,即對汙染控制要求更高。以現今的半導體製程的汙染控制挑戰來說,其難度可以打個比方,就像是在整個台灣島上要找出兩個硬幣那樣的困難。


James O’Neill說,可以看到整個半導體生態系中,在生產與製造材料過程中保持產品的潔淨度已經不夠,必須要在整個生態系統中維持化學品潔淨度。每個步驟都要顧慮汙染控制,包括工廠中怎麼製作和包裝化學品、如何運送與在工廠中使用與儲存,每個步驟都相當重要。


以封裝來延續摩爾定律的效能改變

過去50年來,晶圓廠已經將最小的電路板尺寸,從過去的微米縮小到奈米級別,這個轉變部分是透過精密的檢驗與量測系統所達成。現今的技術幾乎已達到Dennard微縮定律與摩爾定律的極限,使得產品效能提升的關鍵,從晶片的微縮轉至IC的封裝上。換句話說,在未來,將以封裝來延續摩爾定律的效能表現。



圖四 : 今天,半導體產業不只需要微縮技術,更仰賴3D技術以及新的晶片架構,且應用的材料也在本質上開始改變。
圖四 : 今天,半導體產業不只需要微縮技術,更仰賴3D技術以及新的晶片架構,且應用的材料也在本質上開始改變。

蔡司半導體製造技術業務發展總監Thomas Gregorich指出,互連密度是封裝微縮的關鍵管控因素。100微米銅柱(Cu-pillar)互連密度為每平方公厘100 I/O,且不需要精密的製程控制就可以達到高組裝良率。50微米高頻寬記憶體(HBM)與2.5D互連的密度為每平方公厘400 I/O,以既有的檢驗與量測系統將會難以控制其組裝良率。


在此同時,封裝量測技術也正在改變。未來的記憶體與「小晶片(chiplet)」技術,預計將使封裝互連間距降至20微米或更小,使得互連密度達到每平方公厘2500~10000 I/O。這類封裝會需要後段製成(BEOL)般的互連密度,與晶圓廠及的組裝良率。


近50年來,IC封裝產業高度依賴物理橫切面來檢視、量測並定義深埋在內的結構。此方式對這些先進封裝來說並不足夠,因此需要新的檢驗與量測技術。


蔡司開發出新一代的Versa X-ray顯微鏡(XRM),被視為業界標準,能為深埋在IC封裝內的缺陷提供高解析度、非破壞性的成像,幾乎全球所有的失效分析實驗室都採用這樣的顯微鏡解決方案來檢測IC的封裝結構。


封裝領域面臨的量測挑戰

行動與高效裝置對於微縮以及傳輸效能的需求不斷提高,使得業界在高密度多晶片架構的許多創新,而這些設計也帶動封裝技術邁入立體化,使得製程的量測技術成為是否能推出新穎且先進技術的關鍵,而這些技術的製程寬容度(process margin)通常較低或較難被控制。


然而,現今先進封裝中因目標物太小,已無法用2D X-ray與microCT這類非破壞性的方法來觀測。此外,物理橫切面除了無法提供3D立體資料之外,還屬於破壞性量測,較為耗時,通常也只能處理少量樣本,就統計層面來說,改進製程控制的成效有限。


Thomas Gregorich表示,在3D封裝的新時代需要新的方法,在可靠的傳輸量下量測深埋在內的互連結構和其他關鍵製程,以加速新產品的上市時程。近十年來,蔡司Xradia Versa 3D XRM系統已成為半導體封裝非破壞性失效分析的標準;如今蔡司Xradia 620 Versa RepScan為這個領先業界的Versa平台增添新功能,為深埋在先進封裝內的關鍵晶片提供線性及體積量測功能,造就更好的製程、更快的學習週期及更高的良率。


結語

在今日,半導體產業經歷著資料爆炸式成長,和摩爾定律放緩的挑戰。現階段摩爾定律正面臨擴張速度的急遽減緩,已無法再提供功耗、效能和面積成本的同步提升。而新型記憶體技術被認為是實現高運算效率的新架構關鍵所在。



圖五 : 在半導體先進製程中,需要新的金屬材料去提高阻抗與可靠度,當金屬材料改變時,下游製程例如像是如何清洗的程序都須要一併改變。
圖五 : 在半導體先進製程中,需要新的金屬材料去提高阻抗與可靠度,當金屬材料改變時,下游製程例如像是如何清洗的程序都須要一併改變。

至於在先進封裝中,2.5D IC與封裝技術整合可以縮減高達66% 的晶片尺寸,但目前超過一半以上的半導體設備其實都還是以「同質整合」的方式,所以當我們將重點放在談論「異質整合」時,事實上同質和異質整合皆不可忽略。


面對摩爾定律的發展,儘管市場認為已經趨緩,甚至走到了盡頭,但這卻是個新的機會點。在過去,半導體產業大多依循著摩爾定律的既定道路,關注著下一個即將發生的製程節點,反而不願意嘗試架構的創新。


而現在,摩爾定律走到了盡頭,也迫使半導體產業必須開始摸索、嘗試並開發全新的晶片架構,這使得許多還躺在盒子裡的創新想法,終於可以見到了天日,甚至有了商品化的機會。


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