秒速赛车规律怎么找:7nm制程详解,摩尔定律延寿背后的秘密

2018-06-22 10:52:17来源: 雷锋网 关键字:摩尔定律

秒速赛车外挂 www.sj0v.com.cn 谈起半导体技术的发展,总是回避不了“摩尔定律”这四个字——当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18~24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。

芯片的制造工艺常常用XXnm来表示,比如Intel最新的六代酷睿系列CPU就采用Intel自家的14nm++制造工艺。所谓的XXnm指的是集成电路的MOSFET晶体管栅极的宽度,也被称为栅长。栅长越短,则可以在相同尺寸的硅片上集成更多的晶体管。

目前,业内最重要的代工企业台积电、三星和GF(格罗方德),在半导体工艺的发展上越来越迅猛,10nm制程才刚刚应用一年半,7nm制程便已经好似近在眼前,上个月雷锋网刚刚还报道过下一代iPhone A12处理器将使用台积电7nm制程生产的消息。

在业界盛行的摩尔定律将死的论调下,如此猛烈的突击7nm制程需要克服怎样的困难?几方大佬又是如何布局这一关键节点?雷锋网将在本文为您解读。

半导体工艺的Tick-Tock

Tick-Tock,是Intel的芯片技术发展的战略模式,在半导体工艺和核心架构这两条道路上交替提升。半导体工艺领域也有类似的形式存在,在14nm/16nm节点之前,半导体工艺在相当长的历史时期里有着“整代”和“半代”的差别。

在戈登·摩尔提出著名的摩尔定律后,半导体产业一直坚持以18个月为周期升级半导体工艺。直观结果是,制程演进一直在以大约0.7的倍数逐级缩减,如1000nm->700nm->500nm->350nm->250nm等。

而在制程迈过180nm节点后,台积电等代工厂提出了一种相比Intel的制程缩减0.9的工艺。这种工艺可以在不对产线进行大改的同时,提供1.24倍电路密度的芯片。Intel对此等技术非常不感冒,还为其挂上了半代工艺的名号。

自此,Intel和IBM制造技术联盟(包括三星和GF等依然严格按着180nm->130nm->90nm->65nm->45nm->32nm->22nm的步调前行(三星和GF在32nm后转向28nm),而台积电等半导体晶圆代工厂则走上了150nm->110nm->80nm->55nm->40nm->28nm->20nm的路线。

制程演进

不过当半导体工艺继续向前演进时,由于随着晶体管尺寸逐渐缩小至接近物理极限,在各种物理定律的束缚下,半导体工厂如同戴着镣铐跳舞,因此在几家厂商纷纷出现“异常状况”:本应属于整代工艺的16nm制程被台积电所用,Intel的14nm制程字面上却应该属于半代工艺的范畴。再接下来,几家则不约而同的选择了10nm->7nm->5nm的路线,整代和半代的区别自此成为历史。

也正是因为这个原因,半导体厂商们进军7nm制程的道路并不顺利,还需要掀翻“光刻”、晶体管架构”和沟道材料”三座大山。

工欲善其事,先搞光刻机

作为半导体工艺中最具代表性的,光刻技术可称为现代集成电路上最大的难题,没有之一。

所谓光刻其实很好理解,就是让光通过掩膜投射到涂抹了光刻胶的硅片上,将电路构造印在上面,类似于“投影描图”,只是描图的不是人手,而是机器,照射图样的也不再是可见光,而是紫外线。

光刻车间

目前半导体生产中使用的是波长193nm的深紫外(DUV)光刻。实际上,在制程发展到130nm之前,人们就曾指出193nm深紫外光会发生严重的衍射现象而无法继续使用,需要换用波长为13.5nm的极紫外(EUV)光刻才能继续缩小半导体工艺。

EUV的研发始于20世纪90年代,最早希望在90nm制程节点投入应用,然而EUV光刻机一直达不到正式生产的要求。无奈之下,人们只能通过沉浸式光刻、多重曝光等手段,将DUV一路推进到了10nm阶段。

目前ASML的EUV光刻机使用40对蔡司镜面构成光路,每个镜面的反光率为70%。这也就是说,EUV光束通过该系统中的每一对镜面时都会减半,在经过40对镜面反射后,只有不到2%的光线能投射到晶元上。

ASML光刻机光路示意

到达晶圆的光线越少,光刻所需的曝光时间就越长,相应的生产成本也就越高。为了抵消镜面反射过程中的光能损耗,EUV光源发出的光束必须足够强,这样才能与现在非常成熟的DUV光刻技术比拼时间成本。

但是多年以来,光照亮度的提升始终未能达到人们的预期,ASML的EUV产品市场负责人Hans Meiling曾表示,人们严重低估了EUV的难度。正在实验中的EUV光源焦点功率刚刚达到250瓦,可以支撑机器每小时处理125个晶片,效率仅有现今DUV的一半。

如果再加上价格和能耗,EUV取代DUV还会更加艰难。最新的EUV光刻机价格超过1亿欧元,是DUV光刻机价格的二倍有余,且使用EUV光刻机进行批量生产时会消耗1.5兆瓦的电力,远超现有的DUV光刻机。

ASML方面表示,EUV光刻设备尚未彻底准备完成,最快也要到2019年才能应用于正式生产,因此几大半导体代工厂均在DUV+多重曝光技术上继续深挖,以求撑过EUV光刻机的真空期。

全新晶体管架构和沟道材料

通过DUV+多重曝光或EUV光刻缩小栅极宽度,进而刻画出更小的晶体管,只是实现7nm的关键要素之一。随着半导体工艺的发展,半导体沟道上的“门”会在尺寸进入亚原子级后变得极不稳定,这需要换用全新晶体管架构和沟道材料来解决。

根据三星在CSTIC大会的报告,GAAFET(Gate All Around)是7nm制程节点上最好的选择。GAAFET是一个周边环绕着gate的FinFET,和目前垂直使用fin的FinFET不同,GAAFET的fin设计在旁边,能够提供比普通FinFET更好的电路特性。

此外在进入7nm工艺时,半导体中连接PN结的沟道材料也必须要作改变。由于硅的电子迁移率为1500c㎡/Vs,而锗可达3900c㎡/Vs,同时硅器件的运行电压是0.75~0.8V,而锗器件仅为0.5V,因而锗在某一时期曾被认为是MOSFET晶体管的首选材料,IBM实验室的第一块7nm芯片使用的就是Ge-Si材料。

IMEC(微电子研究中心)对新的掺锗材料进行了研究,筛选出两种可用于7nm的沟道材料:一种是由80%锗组成的PFET,另一种是25%到50%混合锗的FET或0到25%混合锗的NFET。

但是近来,III-V族材料开始受到厂商的更多关注。III-V族化合物半导体拥有更大的能隙和更高的电子迁移率,可以让芯片承受更高的温度并运行在更高的频率上。且现有硅半导体工艺中的很多技术都可以应用到III-V族材料半导体上,因此III-V族材料也被视为取代硅的理想材料。

7nm群英会

了解了3大技术难题后,我们来看看几大半导体代工厂分别如何部署7nm制程节点。

三星

作为芯片代工行业的后来者,三星是“全球IBM制造技术联盟”中激进派的代表,早早就宣布了7nm时代将采用EUV。今年4月,三星刚刚宣布已经完成了7nm新工艺的研发,并成功试产了7nm EUV晶元,比原进度提早了半年。

据日本PC WATCH网站上後藤弘茂的分析,三星7nm EUV的特征尺寸为44nm*36nm(Gate Pitch*Metal Pitch),仅为10nm DUV工艺的一半左右。

除了一步到位的7nm EUV外,三星还规划了一种8nm制程。这个制程实际上是使用DUV光刻+多重曝光生产的7nm制程,继承所有10nm工艺上的技术和特性。

由于DUV光刻的分辨率较差,因而芯片的电气性能不如使用7nm EUV,所以三星为其商业命名为8nm。从这一点来看,8nm相比现有的10nm,很可能在晶体管密度、性能、功耗等方面做出了终极的优化,基本上可看做深紫外光刻下的技术极限了。

DUV和EUV光刻分辨率对比

此外,三星在7nm EUV之后,还规划了使用第二代EUV光刻技术的6nm制程,它和8nm同样是商业命名,属于7nm EUV制程的加强版,电气性能会更好。

根据三星的路线,三星将于今年下半年试产7nm EUV晶元,大规模投产时间为2019年秋季。8nm制程大约在2019年第一季度登场,而6nm制程应该会在2020年后出现。

台积电

相比三星直接引入EUV光刻的激进,台积电在7nm上选择了求稳路线,并没有急于进入极紫外光刻时代。台积电表示将继续使用DUV光刻,利用沉浸式光刻和多重曝光等技术平滑进入7nm时代,然后再转换到EUV光刻。

台积电使用DUV光刻的第一代7nm FinFET已经在2017年第二季度进入试产阶段。与目前的10nm FinFET制程相比,7nm FinFET将可在晶体管数量的情况下使芯片尺寸37%,或在电路复杂度相同的情况下降低40%的功耗。

在接下来的第二代7nm FinFET+制程上,台积电将开始使用EUV光刻。针对EUV优化的布线密度可带来约10~20%的面积减少,或在电路复杂度相同的情况下,相比7nm FinFET再降低10%的功耗。

而根据後藤弘茂的分析,台积电7nm DUV的特征尺寸介于台积电10nm FinFET和三星7nm EUV之间,Metal Pitch特征尺寸40nm,Gate Pitch特征尺寸尚不明确,但必定小于10nm时的66nm。

此外,与完全使用DUV工具制造的芯片相比,使用EUV光刻生产芯片的周期也将缩短,台积电计划在2018年第二季度开始试产7nm FinFET+晶元。

GF

GF此前曾是AMD自家的半导体工厂,后由于AMD资金问题而拆分独立。GF同样属于IBM“全球IBM制造技术联盟”的一员,其半导体工艺和三星同宗同源。然而GF在28nm、14nm两个节点上都遇到了重大技术难题,不得不向“后来者”三星购买生产技术。

介于此,GF在14nm之后决定放弃10nm节点,直接向7nm制程进军。虽然这个决策稍显激进,但GF也明白步子大了容易扯到啥的道理,决定在光刻技术上稳中求进,使用现有的DUV光刻技术实现第一代7nm工

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关键字:摩尔定律

编辑:冀凯 引用地址://www.sj0v.com.cn/manufacture/article_2018062226379.html
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