半導體創新的三個“竅門”有哪些？

半導體行業不可思議的強大動力源于其核心的器件創新。而且，當今的企業面臨著巨大的競爭壓力，創新是保持其競爭優勢的關鍵因素。

“并不是微軟在復制Mac時如此聰明或巧妙，而是Mac十年來一直是一個容易攻擊的目標。這就是Apple的問題：他們的差異化消失了?！?– 1994年Steve Jobs在The Rolling Stone采訪中如是說。

有趣的是，盡管創新是區分和創造價值的關鍵，但新創新的采用范圍可以很廣泛，如圖12所示。

圖 1：創新進入行業的典型擴散和采納情況

既然我們已經了解到創新對成功企業的重要性，現在讓我們關注手頭的話題——半導體器件創新的三個技巧是什么。嗯，抱歉讓你失望了，但實際上并沒有簡單的技巧?，F在既然我引起了你的注意，讓我開始揭穿一些誤區。

器件創新：一些真正的謊言

首先，半導體器件創新沒有什么神奇之處。第二個神話是創新是某種突然頓悟的時刻。幾千年來，人們一直相信創新就像一道閃電一樣出現。一般認為：1）一個人必須被動地等待突破性的想法出現，不能直接控制創造過程；2）任何幸運得到重大想法的人必須抓住可能的最大利益，因為這種閃電般的才智可能永遠不會再發生；3）最后，連續的創新者和發明天才是稀有的人才。所有這些概念都是錯誤的。與其他創新一樣，半導體器件的成功反而一直是結構化創新的最佳產品。

器件創新：源源不斷的禮物

器件創新通常是一個良性循環，持續共同優化三個關鍵因素：材料，堆疊/器件結構和器件電氣操作。一切從材料開始，它決定了什么是可能的。然后你優化器件結構以構建可制造的東西，最終你調整電氣操作以確保器件在其產品生命周期內保持可靠。例如，你可以在晶圓上吹氣，創建一個可以在兩個存儲狀態之間切換的本地氧化物器件。問題是它是否會在十億次以上的周期中可靠地切換，并滿足當前的性能，可制造性和成本標準。共同優化這三個標準的結構化創新循環是需要不斷重復的方法，直到滿足器件關鍵參數指數（KPIs）。例如，Intermolecular已經成功地展示了在這樣一個良性周期中使用其器件創新能力，以實現許多不同材料系統中的領先邊緣存儲器和選擇器器件。

下圖2中顯示了材料和器件創新的輪子：

圖2：由材料、電氣操作和器件結構共同優化提供動力的器件創新，以滿足器件KPIs。

它的基礎是材料、器件結構和器件操作的共同優化，這是通過快速組合沉積，先進的物理和電氣表征，數據分析來評估器件性能和可靠性，以及不斷理解推動器件行為的機制來實現的。

半導體器件：壓力開始

并不令人驚訝，半導體行業的技術進步遵循一種“方法論”。對于半導體產品，它從推動軟件和系統架構的應用開始，進而推動芯片架構到器件到過程集成到材料。要成功地進行器件創新，了解推動器件行為的指標是至關重要的。新興和領先邊緣的邏輯和存儲器件是對以下列出的參數的共同優化和改進：

表1：推動器件創新的示例領先參數（KPIs）

器件創新：案例研究勝過千言萬語

接下來，我們將回顧一個案例研究，該研究將進一步強調第三節中描述的共同優化方法，以實現第四節中示范的KPIs。幾年前，一家領先的存儲器制造商找到Intermolecular，尋找一種選擇器器件，該器件在表1的新興選擇器列中的所有參數上都應具有最佳性能。預計這種Ovonic閾值開關（OTS）二極管的材料系統將是一個多元（3至7）硫屬元素。盡管這些參數每個都極其困難，但主要的“石墻”是泄漏（IOFF）和熱穩定性之間的權衡（圖3）

圖3：OTS選擇器的基本泄漏與熱穩定性權衡

技術團隊接受了這個挑戰，同時考慮并共同優化了基于配位數和電子能帶的材料系統，仔細管理了操作期間的電氣符合性，利用了器件結構的熱傳導特性，了解了基礎機制，并且不僅如此，還利用了機器學習來利用豐富數據集的多樣性和數量。因此，在3年的時間里，如圖4所示，器件的多元材料系統得到了顯著的改進，以解決諸如泄漏，熱穩定性等器件級KPI，以及諸如閾值電壓漂移（VTH）之類的芯片物理設計參數。

圖4：優化多元元素（A至E）用于器件和設計KPI

從系統到芯片設計到器件到材料：這就是結果

以器件創新為核心，當今的技術開發側重于新興方法，將器件和材料技術的協同優化進一步擴展到更高的抽象層次。此類前沿技術開發戰略涉及包括設計相互依賴性，即 DTCO（設計 - 技術協同優化），有些還延伸優化以包括產品和系統級關注，例如 STCO（系統 - 技術協同優化）。以下是我們的主要領先客戶強調的重點領域。圖 5 顯示了臺積電對每個節點上不斷增加的 DTCO 貢獻與傳統擴展的3 個估計，該擴展與芯片設計的協同優化無關。

圖 5：DTCO 與技術節點的貢獻不斷增長

同樣，當技術優化的整體方法包括芯片設計、封裝和產品級相互依賴性時，Micron 4期望提高研發效率和為最終客戶帶來的價值，如圖 6 所示。

圖 6：包括產品、設計、封裝、工藝和器件相互依賴性的整體方法，以提高研發效率和價值生成

半導體器件：無限及超越

預計到 2030 年，全球半導體行業的收入將增長至 1 萬億美元，在這十年中翻一番5。這將通過其核心的器件和材料創新來實現。電子行業路線圖強調了這一目標豐富的前景和半導體器件的光明未來。因此，不要停止思考明天，從現在到永遠成為器件創新者。我們每個人都將成為這一令人難以置信的進步的貢獻者，無論是作為創新者、制造者，還是半導體器件的用戶。

審核編輯：劉清