半导体创新的三个“窍门”有哪些？

半导体行业不可思议的强大动力源于其核心的器件创新。而且，当今的企业面临着巨大的竞争压力，创新是保持其竞争优势的关键因素。

“并不是微软在复制Mac时如此聪明或巧妙，而是Mac十年来一直是一个容易攻击的目标。这就是Apple的问题：他们的差异化消失了。” – 1994年Steve Jobs在The Rolling Stone采访中如是说。

有趣的是，尽管创新是区分和创造价值的关键，但新创新的采用范围可以很广泛，如图12所示。

图 1：创新进入行业的典型扩散和采纳情况

既然我们已经了解到创新对成功企业的重要性，现在让我们关注手头的话题——半导体器件创新的三个技巧是什么。嗯，抱歉让你失望了，但实际上并没有简单的技巧。现在既然我引起了你的注意，让我开始揭穿一些误区。

器件创新：一些真正的谎言

首先，半导体器件创新没有什么神奇之处。第二个神话是创新是某种突然顿悟的时刻。几千年来，人们一直相信创新就像一道闪电一样出现。一般认为：1）一个人必须被动地等待突破性的想法出现，不能直接控制创造过程；2）任何幸运得到重大想法的人必须抓住可能的最大利益，因为这种闪电般的才智可能永远不会再发生；3）最后，连续的创新者和发明天才是稀有的人才。所有这些概念都是错误的。与其他创新一样，半导体器件的成功反而一直是结构化创新的最佳产品。

器件创新：源源不断的礼物

器件创新通常是一个良性循环，持续共同优化三个关键因素：材料，堆叠/器件结构和器件电气操作。一切从材料开始，它决定了什么是可能的。然后你优化器件结构以构建可制造的东西，最终你调整电气操作以确保器件在其产品生命周期内保持可靠。例如，你可以在晶圆上吹气，创建一个可以在两个存储状态之间切换的本地氧化物器件。问题是它是否会在十亿次以上的周期中可靠地切换，并满足当前的性能，可制造性和成本标准。共同优化这三个标准的结构化创新循环是需要不断重复的方法，直到满足器件关键参数指数（KPIs）。例如，Intermolecular已经成功地展示了在这样一个良性周期中使用其器件创新能力，以实现许多不同材料系统中的领先边缘存储器和选择器器件。

下图2中显示了材料和器件创新的轮子：

图2：由材料、电气操作和器件结构共同优化提供动力的器件创新，以满足器件KPIs。

它的基础是材料、器件结构和器件操作的共同优化，这是通过快速组合沉积，先进的物理和电气表征，数据分析来评估器件性能和可靠性，以及不断理解推动器件行为的机制来实现的。

半导体器件：压力开始

并不令人惊讶，半导体行业的技术进步遵循一种“方法论”。对于半导体产品，它从推动软件和系统架构的应用开始，进而推动芯片架构到器件到过程集成到材料。要成功地进行器件创新，了解推动器件行为的指标是至关重要的。新兴和领先边缘的逻辑和存储器件是对以下列出的参数的共同优化和改进：

表1：推动器件创新的示例领先参数（KPIs）

器件创新：案例研究胜过千言万语

接下来，我们将回顾一个案例研究，该研究将进一步强调第三节中描述的共同优化方法，以实现第四节中示范的KPIs。几年前，一家领先的存储器制造商找到Intermolecular，寻找一种选择器器件，该器件在表1的新兴选择器列中的所有参数上都应具有最佳性能。预计这种Ovonic阈值开关（OTS）二极管的材料系统将是一个多元（3至7）硫属元素。尽管这些参数每个都极其困难，但主要的“石墙”是泄漏（IOFF）和热稳定性之间的权衡（图3）

图3：OTS选择器的基本泄漏与热稳定性权衡

技术团队接受了这个挑战，同时考虑并共同优化了基于配位数和电子能带的材料系统，仔细管理了操作期间的电气符合性，利用了器件结构的热传导特性，了解了基础机制，并且不仅如此，还利用了机器学习来利用丰富数据集的多样性和数量。因此，在3年的时间里，如图4所示，器件的多元材料系统得到了显著的改进，以解决诸如泄漏，热稳定性等器件级KPI，以及诸如阈值电压漂移（VTH）之类的芯片物理设计参数。

图4：优化多元元素（A至E）用于器件和设计KPI

从系统到芯片设计到器件到材料：这就是结果

以器件创新为核心，当今的技术开发侧重于新兴方法，将器件和材料技术的协同优化进一步扩展到更高的抽象层次。此类前沿技术开发战略涉及包括设计相互依赖性，即 DTCO（设计 - 技术协同优化），有些还延伸优化以包括产品和系统级关注，例如 STCO（系统 - 技术协同优化）。以下是我们的主要领先客户强调的重点领域。图 5 显示了台积电对每个节点上不断增加的 DTCO 贡献与传统扩展的3 个估计，该扩展与芯片设计的协同优化无关。

图 5：DTCO 与技术节点的贡献不断增长

同样，当技术优化的整体方法包括芯片设计、封装和产品级相互依赖性时，Micron 4期望提高研发效率和为最终客户带来的价值，如图 6 所示。

图 6：包括产品、设计、封装、工艺和器件相互依赖性的整体方法，以提高研发效率和价值生成

半导体器件：无限及超越

预计到 2030 年，全球半导体行业的收入将增长至 1 万亿美元，在这十年中翻一番5。这将通过其核心的器件和材料创新来实现。电子行业路线图强调了这一目标丰富的前景和半导体器件的光明未来。因此，不要停止思考明天，从现在到永远成为器件创新者。我们每个人都将成为这一令人难以置信的进步的贡献者，无论是作为创新者、制造者，还是半导体器件的用户。

审核编辑：刘清