2nm量產(chǎn)面臨哪些問(wèn)題

導(dǎo)讀

近日，臺(tái)積電2nm工藝fab20工廠獲批，最快到2024年下半年可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的消息令半導(dǎo)體業(yè)界炸開了鍋。那么2nm意味著什么？它到底能給業(yè)界帶來(lái)怎樣的改變？

PS：文末互動(dòng)有禮

何為2nm工藝？

2nm工藝其實(shí)指代的就是芯片工藝制程，此前我們所聽到的14nm、10nm以及7nm都是如此。制程工藝的每一次提升，都將帶來(lái)性能的大幅增強(qiáng)和功耗的顯著降低，而2nm就是目前業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的制程。

這個(gè)從幾到十幾納米的數(shù)字又是怎么計(jì)算出來(lái)的？為什么這個(gè)數(shù)字越小越好呢？以14nm工藝為例，在下圖晶體管示意圖中，14nm指代的就是從Drain端到Source端的距離。

圖1：晶體管示意圖

縮小晶體管最主要目的就是要減少耗電量，借助縮短閘極長(zhǎng)度（Drain端到Source端），電流就可以用更短的路徑實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。而縮減元器件之間的距離之后，晶體管之間的電容也會(huì)更低，其開關(guān)頻率也能夠得以提升，晶體管在開關(guān)切換時(shí)的能量消耗更低。此外，更小的晶體管只需要更低的導(dǎo)通電壓，而動(dòng)態(tài)功耗又與電壓的平方成正比，這時(shí)能效便會(huì)隨之提升。

除了功耗和能效方面的考量，推動(dòng)半導(dǎo)體制造商向更小的工藝尺寸進(jìn)發(fā)的最大動(dòng)力，就是成本的降低。組件越小，同一片晶圓可切割出來(lái)的芯片就更多。即便更小的工藝需要更昂貴的設(shè)備，其投資成本也可以被產(chǎn)生出更多芯片帶來(lái)的價(jià)值所囊括。

不過(guò)，隨著工藝制程的發(fā)展，“變小”正在變得越來(lái)越困難。來(lái)到7nm以下后，靜態(tài)功耗成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，而其所帶來(lái)的功耗和性能優(yōu)勢(shì)也開始減少。過(guò)去晶體管規(guī)格微縮70%預(yù)期可帶來(lái)性能提高40%，面積減少50%的好處。現(xiàn)在，想要實(shí)現(xiàn)性能提升在15%至20%的范圍，就需要更復(fù)雜的流程、新的材料和不一樣的制造設(shè)備。與此同時(shí)，有能力制造先進(jìn)節(jié)點(diǎn)芯片的公司數(shù)量在不斷減少，其中一個(gè)關(guān)鍵的原因是新節(jié)點(diǎn)所帶來(lái)的昂貴的成本，例如臺(tái)積電最先進(jìn)的300mm晶圓廠就耗資了200億美元。為了降低成本，芯片制造商已經(jīng)開始部署比過(guò)去更加異構(gòu)的新架構(gòu)，并且他們對(duì)于在最新工藝節(jié)點(diǎn)上制造的芯片變得越來(lái)越挑剔。

群雄競(jìng)逐2nm

半導(dǎo)體巨頭們似乎沒(méi)有畏懼，2nm目前仍然是各大半導(dǎo)體巨頭角逐的制高點(diǎn)，IBM早些時(shí)候已在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)率先公布了2nm芯片，而除了臺(tái)積電、三星兩大代工巨頭，歐洲、日本等地也在緊鑼密鼓地進(jìn)行規(guī)劃。

Digitimes發(fā)表的一份研究報(bào)告顯示了三星、臺(tái)積電、英特爾和IBM四家的半導(dǎo)體制程工藝密度。目前已經(jīng)公開的2nm節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)表明，IBM之前聯(lián)合三星等公司發(fā)布的2nm工藝密度大約是3.33億/mm2 ，臺(tái)積電的目標(biāo)則是4.9億/mm2。

不同于之前世代在相同的基礎(chǔ)架構(gòu)上不斷演進(jìn)，臺(tái)積電的2nm工藝最大特點(diǎn)就是會(huì)首次引入納米片（Nanosheet）晶體管，取代現(xiàn)在的FinFET結(jié)構(gòu)。

圖2：納米片晶體管在Vt上的表現(xiàn)（圖片源于臺(tái)積電）

納米片晶體管最大的優(yōu)勢(shì)就是可以更好地控制閾值電壓（Vt）。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，Vt是電路運(yùn)行所需的最低電壓，它的任何輕微波動(dòng)，都會(huì)顯著影響芯片的設(shè)計(jì)和性能，其波動(dòng)數(shù)值越小，對(duì)于系統(tǒng)的益處越大。臺(tái)積電宣稱，根據(jù)試驗(yàn)，目前納米片晶體管可將Vt波動(dòng)降低至少15%。

IBM也不甘示弱，今年5月份，IBM宣布推出全球首個(gè)2nm芯片制造技術(shù)，與7nm的技術(shù)相比，預(yù)計(jì)將帶來(lái)45%的性能提升或75%的能耗降低。而比起當(dāng)前最尖端的5nm芯片，2nm芯片的體積更小，速度更快，其中的核心技術(shù)則是源于IBM所采用的新型納米片堆疊晶體管，也被稱為gate all around或GAA晶體管。

圖3：IBM的GAA晶體管示意圖（圖片源自IBM）

IBM的三層GAA納米片，每片納米片寬40nm，高5nm，間距44nm，柵極長(zhǎng)度12nm。該芯片首次使用了底部電介質(zhì)隔離，實(shí)現(xiàn)12nm的柵極長(zhǎng)度，可以減少電流泄漏，有助于減少芯片上的功耗。該芯片另一個(gè)新技術(shù)就是IBM提出的內(nèi)部空間干燥工藝，這有助于實(shí)現(xiàn)納米片的開發(fā)，并且該芯片廣泛地使用EUV技術(shù)，例如在芯片的制造過(guò)程的前端進(jìn)行EUV圖案化。而這樣的技術(shù)最終可以讓2nm芯片所需的制造步驟比7nm少得多，從而降低成品晶圓的成本。

2nm量產(chǎn)面臨的問(wèn)題

在制程工藝的演進(jìn)中，互連技術(shù)的跟進(jìn)是十分關(guān)鍵的因素。傳統(tǒng)上一般采用銅互連，但是當(dāng)發(fā)展到2nm時(shí)，相應(yīng)的電阻電容（RC）延遲問(wèn)題顯得非常突出，因此行業(yè)正在積極尋找銅的替代方案。

目前，面向2nm先進(jìn)制程的新型互連技術(shù)主要包括：混合金屬化或預(yù)填充，將不同的金屬嵌套工藝與新材料相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更小的互連和更少的延遲；半金屬嵌套，使用減法蝕刻，實(shí)現(xiàn)微小的互連；超級(jí)通孔、石墨烯互連以及其他技術(shù)。同時(shí)，業(yè)界還一直探索在互連中使用釕材料作為襯墊。釕可以改善銅的潤(rùn)濕性和填充間隙，但也存在一些缺點(diǎn)，例如電遷移壽命較短，需要面對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光等單元工藝的挑戰(zhàn)，這也加大了釕襯墊的使用難度。

隨著2nm逐步實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)以及商用化，其它新的互連解決方案也會(huì)陸續(xù)出現(xiàn)。根據(jù)IMEC的路線圖，預(yù)計(jì)行業(yè)會(huì)從今天的雙金屬嵌套工藝轉(zhuǎn)移到下一代技術(shù)，即2nm混合金屬化，接下來(lái)還將出現(xiàn)有半金屬嵌套和其它方案。

據(jù)悉，臺(tái)積電在材料上的研究也實(shí)現(xiàn)了突破。臺(tái)積電和臺(tái)交大聯(lián)手，開發(fā)出了全球最薄、厚度只有0.7納米的超薄二維半導(dǎo)體材料絕緣體，可有望借此進(jìn)一步開發(fā)出2nm，甚至是1nm的晶體管通道。這也讓2nm及更先進(jìn)制程量產(chǎn)成為可能。

除了互連技術(shù)，目前EUV光刻機(jī)對(duì)于2nm和更先進(jìn)制程工藝的重要性越來(lái)越高，但是EUV設(shè)備的產(chǎn)量依然是一大難題，超高的技術(shù)門檻和高額的研發(fā)費(fèi)用令其注定只能是屬于“少數(shù)人的游戲”，而且巨大能耗也限制了它發(fā)展的空間。

總體來(lái)講，先進(jìn)制程芯片的量產(chǎn)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游、特別是上游的設(shè)備、材料、IP等技術(shù)廠商都拿出看家本領(lǐng)，才能應(yīng)對(duì)如此高精尖的芯片制造要求，所有這些形成合力，才能制造出高晶體管密度、高性能、低功耗的先進(jìn)制程芯片。

2nm真的有意義嗎？

也許有人會(huì)質(zhì)疑，如今摩爾定律的效用在逐漸減弱，繼續(xù)投入高成本追求先進(jìn)制程，能否帶來(lái)合理的投入產(chǎn)出比？業(yè)內(nèi)對(duì)于先進(jìn)制程的追捧是否真的有意義？

從上文各家企業(yè)的行動(dòng)和取得的進(jìn)展來(lái)看，“擁抱2nm”不僅是大勢(shì)所趨，而且會(huì)給行業(yè)帶來(lái)積極和長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。臺(tái)積電就曾表示過(guò)，2nm工藝意義重大，如果2nm工藝能夠成功量產(chǎn)，那么意味著半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)在現(xiàn)有的條件下將繼續(xù)逼近物理極限。未來(lái)數(shù)十年芯片的發(fā)展是繼續(xù)優(yōu)化還是走向其他路線，都要以2nm工藝的研發(fā)進(jìn)度來(lái)決定。

原文標(biāo)題：擁抱2nm時(shí)代 我們準(zhǔn)備好了么？

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