如今我們缺乏一種全面準確評估芯片制造影響的方法。近日，Imec制定了一個解決方案，通過擴展其設計-技術協同優化(DTCO)框架，可以估計當前和未來的邏輯CMOS技術的能源消耗、水資源使用和溫室氣體排放的狀況。第一個分析顯示，由于芯片技術日益復雜，節點之間的所有這些指標都在增加。該框架會讓企業做出更加符合可持續的制造方針。
如何保障半導體的環境可持續性
半導體產業是涵蓋能源、水、化工和原材料的資源密集型產業。在生產過程中，會產生不同種類的排放物，包括二氧化碳和氟化化合物等溫室氣體。為了最大限度地減少行業對環境的影響，并遵守當地和全球的政策，環境、健康和安全(EHS)控制這些因素已經成為每一個代工廠關鍵考慮的部分。
但由于對氣候變化、資源消耗和全球污染的日益關注，晶圓廠和設備供應商希望在綠色集成電路制造方面做出更多努力。雖然EHS控制主要局限于化學品、減排和水管理，但電子公司希望了解并減少其產品的全部碳足跡。減少碳足跡也能保證業務的連續性。今天，公司依靠生命周期評估(LCA)等方法來評估其產品從原材料采購到壽命結束的環境影響。
未來集成電路的生命周期評估
然而，目前的LCA方法還遠遠不夠精確和完整，特別是在集成電路方面。最新發布的關于芯片制造中使用的質量平衡和能量流的信息涉及到32nm技術節點——一項在2010年成為主流的技術。關于當前和即將到來的CMOS技術處理的環境數據是很難得到的。而我們所知道的大多來自于片面的觀點，要么來自于設備或材料供應商，要么來自于代工廠在生產后發布的內容。無晶圓廠的公司根本無法獲取信息。缺乏一種整體的方法，使得將環境考慮因素納入早期技術確定階段極具挑戰性。
主要障礙:未來技術日益復雜
由于節點間復雜度的增加，預計CMOS技術對環境的影響將變得非常復雜。多年來，在芯片制造的所有步驟——包括前端生產線(FEOL)、中間生產線(MOL)和后端生產線(BEOL)，都引入了新的材料、設備結構、工藝和設備，以確保摩爾定律的連續性。對于未來的節點，我們也在探索新方法，以進一步減少邏輯單元面積，同時提高節點之間的性能(即操作頻率)。
為了設計更加緊湊的間距，光刻技術已經從單曝光193nm發展到雙曝光、三曝光或四曝光方法。EUV光刻可用于7nm節點，大大減少工藝步驟的數量。但并不是每家代工廠都能實現了這一轉變，因為同一種間距有多種加工路線可供選擇。對于未來的技術節點，將需要多個EUV光刻序列來印刷30nm以下的pitches。
在FEOL中，FinFET已經成為7nm技術節點的主流設備架構，7nm技術節點是目前芯片生產中使用的最先進節點。對于下一個技術節點，imec認為(垂直堆疊)橫向納米片是未來的發展方向，其次是Forksheet結構和綜合性互補FET（Complementary FET，CFET）。
對于Complementary FET（CFET）而言，它是在1nm節點采用的方法。在此，通過在p型FET上堆疊n型FET，即通過三維堆疊具有不同導電類型的晶體管，從而標準單元面積被大大減小。據說芯片的背面可以提供更多功能，但未公開細節。從這里開始，將采用high-NA EUV光刻以進一步微縮晶體管結構。
IMEC還希望采用二維材料，自旋電子學和量子計算。為了將來進一步微縮，除了設計和工藝協同優化（DTCO）之外，系統和工藝協同優化（STCO）也很重要。
為了跟上前端面積的縮放，BEOL尺寸急劇減小——這導致金屬節變得越來越小，導線的截面面積也越來越小。這些年，互連層的數量和最密集的金屬線復雜性已經顯著增加。人們正在探索新的金屬化工藝方案，并正在引入新的金屬來降低最致密層的電阻率。
設計-技術協同優化DTCO
伴隨著這種演變出現了DTCO——設計-技術聯合優化。2005年以前，半導體的技術演進很順利，處于“happy scaling”時代。不斷縮小的晶體管在功耗、性能、面積和制造成本(表示為PPAC)方面為整個系統帶來了好處。但自2005年以來，人們逐漸意識到，只有在設備技術和設計共同優化的情況下，才能保持這些好處。DTCO通過引入縮放助推器，允許進一步縮小面積，但這不是在晶體管上，而是在標準單元水平上。縮放助推器，如自對準柵觸點或埋置功率軌，進一步改善了芯片不同部分之間的連接，但也影響了FEOL、BEOL和MOL水平上的芯片生產。
DTCO的可持續性發展
DTCO框架可以作為分析環境指標的基礎，這些環境指標可以與標準PPAC指標并行監測。DTCO考慮了當前和未來集成電路技術的工藝流程。這些可以與工藝步驟和設備的相關環境信息相結合，允許進行電能-性能-區域-成本-環境(PPACE)的分析。
Imec將電能消耗、超純水使用和溫室氣體排放作為評估環境影響的主要指標。為了利用這些指標擴展DTCO框架，imec團隊使用了來自其300mm fab的數據，并補充了來自其設備供應商生態系統的信息。通過這種方式，不同的知識可以被連接起來。
這樣做的目的是在不同的縮放選擇上進行PPACE分析，以識別大批量制造之前的瓶頸、風險和機會。要進行正確的評價，需要一個真正的整體方法。例如，極紫外光刻工具比傳統的193nm(浸入式)光刻工具消耗大約10倍的功率。但EUV也將顯著減少處理步驟的數量，這是在推導總能耗時必須考慮的因素。
Imec使用擴展的DTCO框架對不同的工藝流程和集成方案進行量化和基準測試，從28nm到2nm節點。
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