IBM以輸出技術(shù)及提供服務(wù)平臺而聞名，他在先進制程沿著摩爾定律向前發(fā)展的過程中起到了重要的推動作用。IBM所創(chuàng)建的全球IBM制造技術(shù)聯(lián)盟（成員包括有三星、東芝、AMD、Freescale、英飛凌、意法半導(dǎo)體、Chartered及NEC八家），攻克了當(dāng)時32/28納米時的高k金屬柵(HKMG)工藝難題。后來，其所研發(fā)的SOI技術(shù)曾經(jīng)引領(lǐng)了一代晶圓代工廠的發(fā)展，也同樣為AMD等廠商所推出的芯片帶來了性能上的提升。

后來由于種種原因，IBM在2014年將其芯片制造業(yè)務(wù)出售給了GlobalFoundries，但其在半導(dǎo)體先進制程方面的研究卻一直沒有停止。因為也是在這一年中，IBM著手布局了一項耗資30億美元的項目——“ 7nm and Beyond ”。據(jù)相關(guān)報道顯示，該項目涉及了兩個方向，一是開發(fā)可以經(jīng)濟地制造7nm及其以下制程的工藝。另一個方面則是尋找可以新材料（如石墨烯、III- V）和技術(shù)以支持先機制程的繼續(xù)發(fā)展。

在IBM“ 7nm and Beyond ”計劃中脫胎的很多成果都推動了如今7nm發(fā)展，這種影響力甚至在未來3nm節(jié)點處仍有體現(xiàn)。

IBM聯(lián)手三星用EUV技術(shù)重新定義7nm

在IBM宣布“ 7nm and Beyond ”計劃后一年，IBM就與GlobalFoundries、三星等合作伙伴，共同推出了其首款7nm測試芯片。

需要強調(diào)的是，IBM在2015年推出的這款7nm芯片是實驗室測試芯片。據(jù)外媒當(dāng)時的報道顯示，“要制造出7nm制式的半導(dǎo)體芯片還需要很長的時間”，IBM Research半導(dǎo)體技術(shù)副總裁Mukesh Khare稱：“通過使用SiGe（鍺硅）材料及極紫外（EUV）光刻技術(shù)，IBM Research的研究員得以完成上述7nm測試芯片?！?/p>

而后，在2017年，IBM又聯(lián)合三星與GlobalFoundries推出了一款5nm芯片。當(dāng)時，IBM研究中心的硅器件負責(zé)人Bu Huiming表示，該5nm芯片是第一次使用極紫外線光刻技術(shù)進行線的前端圖形繪制。EUV的波長(13.5nm)比目前的浸入式光刻機(193nm)要窄得多這反過來又可以減少構(gòu)圖階段的數(shù)量。該研究成果，又進一步推進了EUV的商業(yè)化落地。

回過頭來看，雖然IBM當(dāng)時推出的7nm工藝僅是一款實驗室芯片，但從現(xiàn)在看來，從IBM推出7nm測試芯片到5nm芯片，其中所采用的EUV技術(shù)是一次大膽的嘗試，這種嘗試也為現(xiàn)在先進工藝的發(fā)展起到了深刻的影響（眾所周知，EUV被視為是推動先進工藝向下發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)備之一。最近兩年，三星和臺積電也紛紛宣布在7nm階段導(dǎo)入EUV技術(shù)）。

三星率先推出了采用EUV技術(shù)的7nm工藝，無疑是EUV技術(shù)實現(xiàn)商業(yè)化的重要推手?；蛟S是IBM十分看好采用EUV技術(shù)的先進工藝，也或許是基于IBM和三星多年來的合作。2018年，IBM選擇將其Power處理器交給了三星進行代工，根據(jù)雙方的合作信息，IBM將使用三星的7nm EUV工藝生產(chǎn)未來的Power處理器及其他HPC產(chǎn)品。而這項合作的達成，則進一步推動了EUV技術(shù)在實際應(yīng)用中的落地。

日前，IBM也在IEEE中發(fā)表的文章中稱，“在2014-2015年的時間窗口中，整個行業(yè)對EUV技術(shù)的實際可行性存在很大的疑問。但現(xiàn)在，EUV已成為主流推動者。當(dāng)時，我們基于EUV交付了第一款7nm技術(shù)，這有助于建立對我們行業(yè)中EUV制造的信心和動力?！?/p>

IBM GAA架構(gòu)即將沖出實驗室

IBM相信，實現(xiàn)超越FinFET的規(guī)模擴展的芯片基礎(chǔ)元素將是Nanosheet（納米片）。IBM認為，Nanosheet可以被視為是FinFET架構(gòu)的替代品，并有望實現(xiàn)從7nm和5nm節(jié)點到3nm節(jié)點的過渡。

據(jù)相關(guān)資料顯示，IBM Research從事GAA晶體管研究已有十多年了，其設(shè)備架構(gòu)已從單納米線發(fā)展到堆疊納米片。2015年，研究人員在S3S會議上發(fā)表了第一篇納米片論文，首次為“Nanosheet”命名。2017年，IBM和研究合作伙伴三星宣布了業(yè)界首個制造可用于5nm芯片的硅納米片晶體管的工藝。

在2019年的IEEE國際電子設(shè)備會議上，IBM Research在納米片上的最新進展顯示，他們利用了全能門（GAA）堆疊納米片，解決了FinFET在真正的5nm節(jié)點及以后所面臨的若干挑戰(zhàn)。在該會議中，IBM指出，由于GAA中更好的靜電控制和更高的封裝密度，NanoSheet提供了更好的功率性能設(shè)計點。與目前晶圓代工廠中可用的最新，最出色的7nm FinFET技術(shù)相比，NanoSheet技術(shù)在相同功率下的性能提高了25％以上，在相同性能下的功率節(jié)省了50％以上。同時，由于極紫外光刻（EUV）支持可變寬度，Nanosheet技術(shù)可以為AI和5G時代計算機產(chǎn)品的更好設(shè)備架構(gòu)。

在采用新納米片架構(gòu)的方面上，三星依舊是將IBM技術(shù)從實驗室?guī)У绞袌龅闹覍嵤刈o者?；诋?dāng)初IBM與三星之間在GAA上的合作研究，三星又重新設(shè)計了現(xiàn)有的GAA，使其成為多橋溝道FET（MBCFET ?）。據(jù)三星公布資料顯示，MBCFET ?的功率效率比GAA更高，其性能也因此更好。與現(xiàn)有的7納米鰭式晶體管工藝技術(shù)相比，MBCFET?將功耗降低了50％，性能提高了30％，晶體管占用的面積減少了45％。

據(jù)悉，這項被稱作是MBCFET?的技術(shù)將作為三星3nm的第一個工藝節(jié)點出現(xiàn)在市場中。而根據(jù)三星的先進工藝規(guī)劃來看，2021年或許我們就能窺見這項技術(shù)的廬山真面目。

新設(shè)計推動GAA架構(gòu)發(fā)展

我們都知道，三星正在晶圓代工業(yè)務(wù)上發(fā)力，GAA就是他與臺積電在3nm節(jié)點處進行較量的一大利器。與此同時，市場中也有傳言稱，臺積電或?qū)⒃谄涞诙?nm或2nm上會升級到GAA晶體管技術(shù)。另外，據(jù)觀察者網(wǎng)的消息顯示，英特爾似乎也有意向在其5nm節(jié)點處采用GAA環(huán)繞柵極晶體管。這些晶圓代工廠向GAA技術(shù)的靠攏，也說明了該技術(shù)擁有十分廣闊的發(fā)展前景。

但在GAA架構(gòu)落實到先進工藝的過程中，依然存在著一些挑戰(zhàn)，IBM正是致力于解決這挑戰(zhàn)并進行創(chuàng)新的中流砥柱。

根據(jù)EET的報道顯示，在2020年VLSI技術(shù)和電路專題討論會上，IBM Research的一個團隊介紹了其在納米片架構(gòu)上的最新工作，據(jù)相關(guān)報道顯示，該研究團隊成功地在晶體管柵極周圍產(chǎn)生了稱為空氣隔離物的空氣囊，該空氣囊普遍適用于任何設(shè)備架構(gòu)，并提供了一種更實用，兼容的方式來使設(shè)備消耗得更少。實際上，他們已經(jīng)表明，與將器件縮放到5 nm節(jié)點相比，在7 nm節(jié)點設(shè)備上應(yīng)用此空氣隔離器可提供更好的性能增益和功耗降低。

基于IBM這項研究，IBM的合作伙伴CEA-Leti的研究人員表示，他們已經(jīng)制造出了一種新的堆疊式七層全環(huán)繞（GAA）納米片晶體管架構(gòu)，以替代FinFET技術(shù)。IBM的研究人員預(yù)計，他們的工作將為未來幾年在FinFET和NanoSheet晶體管中采用其技術(shù)鋪平道路。

IBM走過的彎路

IBM為先進工藝所做出的付出，并不是每次都能如愿實現(xiàn)商業(yè)化。

當(dāng)初，在新材料方面，IBM曾經(jīng)一度認為SiGe是未來晶體管的發(fā)展方向，IBM曾在其一篇技術(shù)文章中提到，在先進制程繼續(xù)向下發(fā)展的過程中，溝道材料的創(chuàng)新以降低晶體管的溝道電阻是研究的關(guān)鍵領(lǐng)域，這就是為什么IBM要探索硅鍺（SiGe）的原因。IBM指出，SiGe具有比純硅更高的電子遷移率，這使其更適合于較小的晶體管。

但近些年來，伴隨著業(yè)界對III-V族材料的認識越來越深入，這使得同樣可以實現(xiàn)高電子遷移率的III-V族材料被應(yīng)用到越來越多工藝當(dāng)中，也被視為是取代硅的理想材料。據(jù)相關(guān)報道顯示，臺積電就曾對外表示，III-V族材料也有可能會代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅作為晶體管的通道材料以提升晶體管的速度。

結(jié)語

在全球半導(dǎo)體發(fā)展的過程當(dāng)中，IBM一直在其中充當(dāng)著重要的角色——在二十世紀六十到九十年代間推出了，IBM接連推出了單晶體管的DRAM單元、RISC處理器架構(gòu)、倒裝芯片技術(shù)、代替鋁的銅互連技術(shù)、化學(xué)機械拋光技術(shù)(CMP)、氟化氬(ArF)光刻以及SOI技術(shù)，這些技術(shù)都深刻地影響了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

在晶圓代工方面，從1988年IBM創(chuàng)建200mm生產(chǎn)線到2014年IBM將其半導(dǎo)體制造業(yè)務(wù)出售給GlobalFoundries的近三十年時間里，IBM也曾在該領(lǐng)域中擁有高光時刻——據(jù)2003年的報道稱，iSuppli的統(tǒng)計報告顯示，IBM公司的晶圓代工服務(wù)已躍身入圍世界前三強，以6.3%的市場份額緊隨臺積電、聯(lián)電之后。但IBM卻無心壯大其晶圓代工業(yè)務(wù)，根據(jù)相關(guān)媒體報道顯示，雖在2003年的晶圓代工市場表現(xiàn)亮眼，但以半導(dǎo)體業(yè)務(wù)為核心的IBM科技事業(yè)部技術(shù)制造服務(wù)總經(jīng)理John Acocella仍強調(diào)，公司并不打算追隨臺積電或聯(lián)電的腳步成為晶圓代工大廠，IBM仍然與其他晶圓代工廠商保持客戶關(guān)系。

IBM雖然已經(jīng)放棄了半導(dǎo)體制造業(yè)務(wù)，但其所授予眾多晶圓代工廠的專利技術(shù)，卻極大地推動了先進制程的發(fā)展，這也使得他成為了先進制程升級過程中的重要一員。而伴隨著10nm及其以下先進工藝玩家的減少，7nm、5nm節(jié)點處的競爭也愈演愈烈，IBM的“ 7nm and Beyond ”計劃的研究成果，或許成為晶圓代工廠在競爭中取得優(yōu)勢的一大幫手。