全球半導(dǎo)體性能不斷進化的核心驅(qū)動力

2020年伊始，全球半導(dǎo)體先進制程之戰(zhàn)已然火花四射。從華為和蘋果打響7nm旗艦手機芯片第一槍開始，7nm芯片產(chǎn)品已是百花齊放之勢，5nm芯片也將在下半年正式首秀。這些逐漸縮小的芯片制程數(shù)字，正是全球電子產(chǎn)品整體性能不斷進化的核心驅(qū)動力。

通往更先進制程的道路猶如攀登高峰，極高的技術(shù)難度和研發(fā)成本將大多數(shù)芯片選手攔在半山腰，目前全球唯有臺積電、英特爾、三星還在向峰頂沖刺。三星成功研發(fā)3nm芯片，臺積電3nm芯片晶體管密度達2.5億/mm2，英特爾官宣制程回歸。

在全球備戰(zhàn)更先進制程的關(guān)鍵節(jié)點，本文圍繞晶體管五大關(guān)鍵環(huán)節(jié)，探討先進制程沖刺戰(zhàn)中的核心技術(shù)及玩家格局。

芯片制程描述的是芯片晶體管柵極寬度的大小，納米數(shù)字越小，晶體管密度越大，芯片性能就越高。

各家對制程工藝的命名法則不同，在相同納米制程下，并不能對各制程技術(shù)做直觀比較。比如英特爾10nm的晶體管密度與三星7nm、臺積電7nm的晶體管密度相當。

從制程進展來看，一邊是三星臺積電在5nm/3nm等制程上你追我趕，另一邊是英特爾循序漸進地走向7nm。

5nm方面，臺積電已經(jīng)拿到蘋果和華為的手機芯片訂單。三星的5nm制程相對落后，正在與谷歌合作開發(fā)Exynos芯片組，將搭載于谷歌的Chrome OS設(shè)備、Pixel智能手機甚至中心數(shù)據(jù)服務(wù)器中。

3nm方面，臺積電預(yù)計2021年開始試生產(chǎn)，2022年開始量產(chǎn)。三星原計劃2021年量產(chǎn)3nm工藝，但受當前疫情影響，不量產(chǎn)時間可能會推遲。

為什么挺進先進制程的玩家選手屈指可數(shù)呢？主要源于兩大門檻：資本和技術(shù)。制程工藝的研發(fā)和生產(chǎn)成本呈指數(shù)上漲，單從資金數(shù)目來看，很多中小型晶圓廠就玩不起。

更高的研發(fā)和生產(chǎn)對應(yīng)的是更難的技術(shù)挑戰(zhàn)。每當制程工藝逼近物理極限，芯片性能天花板就取決于晶體管結(jié)構(gòu)、光刻、沉積、刻蝕、檢測、封裝等技術(shù)的創(chuàng)新與協(xié)同配合。晶體管在芯片中起到開關(guān)作用，通過影響相互的狀態(tài)傳遞信息。

幾十年來，基于平面Planar晶體管芯片一直是市場熱銷設(shè)備。然而制程技術(shù)發(fā)展到后期，平面晶體管開始遇到漏極源極間距過近的瓶頸。3D鰭式場效晶體管（FinFET）成為延續(xù)摩爾定律的革命性技術(shù)，為工藝技術(shù)創(chuàng)新做出了核心貢獻。2011年，英特爾轉(zhuǎn)向22nm FinFET。相比平面晶體管，F(xiàn)inFET在工藝節(jié)點減小時，電壓縮放、切換速度和電流密度均顯著提升。

FinFET已經(jīng)歷兩個工藝世代，臺積電5nm FinFET晶體管工藝的芯片也將在下半年問世。隨著深寬比不斷拉高，F(xiàn)inFET也逼近了物理極限，為了制造出密度更高的芯片，環(huán)繞式柵極晶體管（GAAFET，Gate-All-Ground FET）成為新的技術(shù)選擇。不同于FinFET，GAAFET的溝道被柵極包圍，溝道電流比FinFET更加順暢，能進一步改善對電流的控制，從而優(yōu)化柵極長度的微縮。三星名為多橋通道FET（MBCFET，Multi-Bridge Channel FET）的GAA技術(shù)，用納米片替換納米線周圍的柵極，實現(xiàn)每堆更大的電流。

與現(xiàn)有GAAFET不一樣的是，在forksheet FET中，nFET和pFET都集成在同一結(jié)構(gòu)中，間距小并減少密集縮放，forksheet具有的接觸柵極間距均低于Nanosheet 的接觸柵極間距。Complementary FET（CFET）是另一種類型的GAA器件，由兩個單獨的FET組成，消除了n-p分離的瓶頸，減少電池有效面積。英特爾的3nm也將采用CFET。但CFET及相關(guān)的晶體管存在散熱等問題，需要在各環(huán)節(jié)更新技術(shù)和設(shè)備。

雕刻電路圖案的核心制造設(shè)備是光刻機，它的精度決定了制程的精度。光刻機的運作原理是先把設(shè)計好的芯片圖案印在掩膜上，用激光穿過掩膜和光學(xué)鏡片，將芯片圖案曝光在帶有光刻膠涂層的硅片上，涂層被激光照到之處則溶解，沒有被照到之處保持不變，掩膜上的圖案就被雕刻到芯片光刻膠涂層上。

目前193nm浸沒式光刻是最成熟、應(yīng)用最廣的技術(shù)，等到7nm及更先進的技術(shù)節(jié)點時，則需要波長更短的極紫外（EUV）光刻技術(shù)來實現(xiàn)制程。

Imec和ASML成立了聯(lián)合研究實驗室，專注于3nm節(jié)點的元件制造藍圖，根據(jù)ASML年報，他們將采用high-NA技術(shù)研發(fā)下一代極紫外光刻機，產(chǎn)品將有更高的分辨率、數(shù)值孔徑和覆蓋能力。值得一提的是，英特爾與ASML的光刻機設(shè)備的量產(chǎn)時間相吻合，大約在2024年前后。

Imec重點投入的研發(fā)領(lǐng)域包括光罩的防塵薄膜技術(shù)、光阻技術(shù)、工藝優(yōu)化。一方面，更高的光阻劑往往會增加缺陷率，另一方面，光罩防塵薄膜發(fā)展相對緩慢。為了將微電子器件造的更小，必須把越來越多的電路放進更小的薄膜結(jié)構(gòu)中，與半導(dǎo)體工藝兼容的刻蝕和沉積技術(shù)也需要隨著提升。在硅片襯底上生成特定薄膜層的工藝就是薄膜沉積，所沉積的薄膜可以是導(dǎo)體、絕緣材料或半導(dǎo)體材料?？涛g機根據(jù)印上去的圖案刻蝕，留下剩余的部分，芯片圖案就可以從光刻膠涂層轉(zhuǎn)移到了硅片上。

將材料以單原子膜形式一層一層的鍍在襯底表面就是所謂的原子層沉積（ALD）技術(shù)可將，選擇性沉積是一種先進的自對準圖案化技術(shù)，將化學(xué)方法與MLD工具結(jié)合在一起，可減少流程中的光刻和刻蝕步驟。從理論上講，選擇性沉積可用于沉積金屬或沉積電介質(zhì)。不過目前區(qū)域選擇性沉積仍存在一定挑戰(zhàn)，有待持續(xù)研發(fā)。

嵌段共聚物視是生產(chǎn)緊密圖案化表面的一種方式。嵌段共聚物將性質(zhì)不同的聚合物鏈段連在一起，制成一種線型聚合物，得到性能更為優(yōu)越的聚合物材料。這種刻蝕技術(shù)可以選擇性去除MLD層，不會影響到附近的ALD層，精確控制了納米級材料的幾何形狀。

芯片進入量產(chǎn)前需要對芯片進行檢測，就是使用各種系統(tǒng)來查找芯片的缺陷。晶圓檢測分為兩類：光學(xué)和電子束。光學(xué)檢查速度快，但分辨率受限；電子束檢測分辨率更好，但速度偏慢。因此很多公司均在開發(fā)多光束電子束檢測系統(tǒng)，最好能以較高的速度發(fā)現(xiàn)最不顯眼的缺陷。ASML開發(fā)了一種具有9條光束的電子束檢測工具。

芯片制造商還使用各種量測系統(tǒng)來測量芯片結(jié)構(gòu)。微距量測掃描式電子顯微鏡（CD-SEM）進行自上而下的量測，光學(xué)CD系統(tǒng)則使用偏振光來表征結(jié)構(gòu)。被稱為臨界尺寸小角X射線散射（CD-SAXS）的X射線量測技術(shù)是一種無損量測技術(shù)，使用小光束尺寸的可變角度透射散射來量測，其優(yōu)點是能提供更高的分辨率，避免了OCD參數(shù)相關(guān)性問題，且計算更加簡單。但X射線是由R＆D的大型同步加速器存儲環(huán)產(chǎn)生的，這對晶圓廠來說很不切實際。CD-SAXS需要緊湊的X射線源，問題在于X射線源有限且速度慢，影響吞吐量，其成本也是一個問題，該技術(shù)仍處于概念階段，X射線強度還將面臨挑戰(zhàn)。封裝技術(shù)能讓內(nèi)存更接近邏輯處理單元，提升信號傳輸速率和互聯(lián)密度。傳統(tǒng)方法是縮小節(jié)點上不同的芯片功能，并將它們封裝到一個單片芯片上。通過封裝可以低功耗并增加內(nèi)存帶寬。在研發(fā)先進的封裝技術(shù)，以增加晶體管速度，從而提高整個系統(tǒng)性能的道路上，英特爾主推EMIB工藝，臺積電主推CoWoS工藝，三星主推FOPLP。

小芯片chipset是一種實現(xiàn)異構(gòu)集成的新形式，通過在特定空間堆疊多種芯片，實現(xiàn)更快的開發(fā)速度和更高的計算力。臺積電采用COWOS封裝技術(shù)和LIPINCON互連技術(shù)，將大型多核設(shè)計劃分成多個小芯片，實現(xiàn)更高的良率和更好的經(jīng)濟性。英特爾將不同IP、不同工藝的方案封裝在一起，從而省去漫長的再制作過程。

隨著摩爾定律的推進節(jié)奏逐漸趨緩，半導(dǎo)體制程的不斷發(fā)展，想要延續(xù)摩爾定律的生命力需要技術(shù)和設(shè)備的創(chuàng)新突破。半導(dǎo)體行業(yè)大約每隔20年，就會有新的危機出現(xiàn)，20年前，大家一度非常悲觀，看不清如何才能將芯片做得更好。如今半導(dǎo)體行業(yè)到了20年周期的危機循環(huán)節(jié)點，誰都不知道未來半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展路在何方？這個問題的答案，也許藏在5G、AI等新興技術(shù)里，也許藏在半導(dǎo)體的新模式、器件和技術(shù)里，半導(dǎo)體行業(yè)在不斷探索前行。無論未來誰是創(chuàng)新風暴的引領(lǐng)者，最終受益的都是享用更高性能電子產(chǎn)品的每一個人。
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