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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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对于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,近年来对于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,摩尔定律究竟是什么?它说穿了,其实只是一个对于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于半导体产业。


摩尔定律下一步?

AI运算的需求飙升,『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,等同于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,由于物理上的极限,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口水战,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,那么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,都是为了用于弥补摩尔定律的缺口,并找出一个全新的产业新方向。


就目前的观察,AI运算的需求飙升,『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,最佳的解决方法,就是透过异质整合的方式,来为后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,对于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,要达成较佳的良率更为困难,产业的重点就在于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,对于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,对于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,包括工厂中怎么制作和包装化学品、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。现今的技术几乎已达到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厘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厘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厘2500~10000 I/O。这类封装会需要后段制成(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,几乎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

行动与高效装置对于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,还属于破坏性量测,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。

至于在先进封装中,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,终于可以见到了天日,甚至有了商品化的机会。


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