邁向5nm、3nm或甚至2nm半導(dǎo)體制程技術(shù)之路

即使是5nm制程，已經(jīng)令人難以確定能否從中找到任何優(yōu)勢(shì)了，3nm很可能成為半導(dǎo)體終極先進(jìn)制程，而2nm似乎太遙遠(yuǎn)…

在邁向5nm、3nm或甚至2nm半導(dǎo)體制程技術(shù)之路，業(yè)界工程師可能有多種選擇，但有些人并不確定他們是否仍能從中找到任何商業(yè)利益，甚至是5nm制程。

為了打造尺寸日益縮小的晶片，所需的復(fù)雜度與成本越來越高，但卻導(dǎo)致收益遞減。日前于新思科技(Synopsys)用戶大會(huì)(SNUG)的一場(chǎng)座談會(huì)上，高通公司(Qualcomm)的一位工程師指出，行動(dòng)處理器的資料速率將在3GHz達(dá)到峰值，而功耗和面積增益則從7nm開始縮減。

高通設(shè)計(jì)技術(shù)團(tuán)隊(duì)資深工程總監(jiān)Paul Penzes指出，由于金屬導(dǎo)線中存在電阻性，使得10nm時(shí)速度提升的16%到了7nm時(shí)耗盡。此外，從10nm進(jìn)展到7nm，功耗節(jié)省的幅度將從30%縮減到10-25%，面積微縮的幅度也會(huì)從37%減少到20-30%。

數(shù)十年來，電子產(chǎn)業(yè)一直循“摩爾定律”(Moore’s law)所設(shè)定的開發(fā)藍(lán)圖——晶片上可容納的電晶體數(shù)量大約每隔兩年增加1倍。其結(jié)果是從個(gè)人電腦(PC)到智能手機(jī)等產(chǎn)品的尺寸越來越小、速度越來越快，價(jià)格也越來越便宜。

Penzes說：“目前的晶片面積仍然以很高的兩位數(shù)持續(xù)微縮，但在光罩背后所隱藏的成本增加，意味著實(shí)際的成本優(yōu)勢(shì)以及其他進(jìn)展正開始放緩......目前尚不清楚到了5nm時(shí)還能保有什么?！边@表示5nm節(jié)點(diǎn)很可能只是7nm的延伸。

來自Synopsys和三星(Samsung)的技術(shù)專家表示，當(dāng)今的FinFET電晶體版本應(yīng)該還能用于5nm節(jié)點(diǎn)。而當(dāng)進(jìn)展到低于3.5nm的寬度時(shí)，F(xiàn)inFET將會(huì)達(dá)到極限。

新思科技研究人員兼電晶體專家Victor Moroz說，設(shè)計(jì)人員可能必須過渡到采用大約三層的橫向納米線堆疊，或稱為“納米矽板”(nano-slabs)。三星則宣布計(jì)劃使用閘極全環(huán)(GAA)電晶體以實(shí)現(xiàn)4nm制程，目標(biāo)是在2020年投入生產(chǎn)。

新思科技的Munoz表示，到了未來的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，間距微縮將減緩至每世代約0.8倍左右。這將迫使設(shè)計(jì)人員將7nm時(shí)雙鰭、6軌的228nm單元高度結(jié)構(gòu)，在3nm和2nm時(shí)縮減到單鰭、5軌的130-100nm結(jié)構(gòu)。

他總結(jié)說，使用這種技術(shù)，“矽晶似乎就能讓我們安全地微縮至2nm，而在那之后，我們可能就會(huì)開始使用石墨烯?！?/p>

然而，在最后的問答環(huán)節(jié)中，一位與會(huì)者對(duì)于這種單鰭5軌單元的結(jié)構(gòu)表示震驚。

新思科技描繪邁向2nm的通用開發(fā)藍(lán)圖（來源：Synopsys）

新思科技部門研發(fā)總監(jiān)Henry Sheng表示，更精細(xì)制程的復(fù)雜度迫使晶片設(shè)計(jì)師面對(duì)日益嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)規(guī)則。例如，F(xiàn)inFET對(duì)于工程師必須追蹤的波形傳播、電遷移和元件變異帶來了新的效應(yīng)。但他也樂觀地認(rèn)為，“這些效應(yīng)最終都將得到解決”。

在這場(chǎng)座談會(huì)上的專家們認(rèn)為，成功最終將取決于代工廠、EDA和設(shè)計(jì)工程師之間越來越密切的合作。在邁向目標(biāo)進(jìn)行時(shí)，高通公司認(rèn)為，為了獲得最佳產(chǎn)能，必須在生產(chǎn)開始之前對(duì)其先進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，以及更清楚地定義制程節(jié)點(diǎn)。

“由于行動(dòng)處理器的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，代工廠導(dǎo)入的節(jié)點(diǎn)越來越不成熟，”Penzes說：“如果超出了利潤(rùn)，那么平均單位成本就會(huì)上漲，而變得缺乏競(jìng)爭(zhēng)力?！?/p>

“現(xiàn)在，在了解單元的電氣特性之前，必須先掌握其環(huán)境，”他補(bǔ)充說。“即使是10%的變異也可能讓一個(gè)新節(jié)點(diǎn)的所有優(yōu)勢(shì)盡失，因此，以前存在的所有雜訊都必須克服?！?/p>

Penzes指出最近的一些開發(fā)工作為此帶來了希望。晶圓代工廠正在尋找以不同速率微縮各種單元的方法，而EDA供應(yīng)商也承諾改善布線，其方式可能是采用極紫外光微影(EUV)技術(shù)。

Moroz表示，工程師們也開始探索其他許多技術(shù)，以降低金屬導(dǎo)線上的電阻率，從而為加速取得優(yōu)勢(shì)開啟大門。其方式包括新的結(jié)構(gòu)，例如跨越多個(gè)金屬層的梯度和超導(dǎo)孔（super-vias），以及使用鈷(Co)和釕(Ru)等新材料。

為了說明未來即將面對(duì)的挑戰(zhàn)，Moroz詳細(xì)闡述開發(fā)藍(lán)圖。

成功的恒久不變因素仍然是工程師有信心找到解決棘手問題的方法。

例如，三星承諾為搭配EUV的7nm制程制訂規(guī)范，并計(jì)劃在今年制造晶圓，不過它仍然在等待步進(jìn)器。Samsung Foundry設(shè)計(jì)支援副總裁Jongwook Kye在座談會(huì)上表示，“只要ASML能夠提供這些工具，我們就會(huì)開始投入大量制造。”。

同時(shí)，三星也正在試圖為2020年的4nm生產(chǎn)定義新的電晶體。Kyle說：“這是我們?cè)谖磥韼啄陜?nèi)必須克服的挑戰(zhàn)；只要能與工具供應(yīng)商和其他公司密切合作，我相信我們最終能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)?！?/p>