3納米量產(chǎn)在即 如何實(shí)現(xiàn)2納米芯片？

“3納米量產(chǎn)在即，2納米2025年量產(chǎn)!”這是臺(tái)積電總裁魏哲家在公司2022年技術(shù)論壇上透露的重磅信息之一。目前，世界上能掌握5納米芯片工藝技術(shù)的還只有臺(tái)積電和三星。而三星在3納米芯片上率先實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，似乎從工藝技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了反超。

然而，臺(tái)積電和三星這對(duì)最大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，仍然在先進(jìn)芯片工藝技術(shù)上“內(nèi)卷”。正如魏哲家對(duì)外透露的信息那樣，2納米芯片工藝將成為新的技術(shù)戰(zhàn)場(chǎng)。據(jù)悉，臺(tái)積電2納米芯片將采用全新的nanosheet工藝，以保持在世界先進(jìn)芯片工藝上的領(lǐng)先性。

透露的三大重磅信息

據(jù)悉，臺(tái)積電在本次技術(shù)論壇上主要透露以下三點(diǎn)信息：一是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正發(fā)生三大改變;二是低端芯片短缺成為供應(yīng)鏈瓶頸;三是3納米量產(chǎn)在即，2納米2025年量產(chǎn)。

其中，半導(dǎo)體制造三大改變主要體現(xiàn)在：一是光靠晶體管驅(qū)動(dòng)技術(shù)效能提升已不足以滿足需求，需要三維集成電路(3D IC)先進(jìn)封裝技術(shù)提升芯片效能;二是應(yīng)用端導(dǎo)入半導(dǎo)體元件含量將持續(xù)增加，并帶動(dòng)成熟工藝需求增長(zhǎng)，特別是汽車芯片每年都增加15%;三是供應(yīng)鏈從全球化向本土化、區(qū)域化的改變，全球各國(guó)都推出半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)政策，吸引半導(dǎo)體企業(yè)在本土設(shè)廠，使得高效率的全球化供應(yīng)系統(tǒng)成為過(guò)去式，所有成本會(huì)急速增加，供應(yīng)鏈管理愈加重要。

盡管業(yè)界一直都在目前芯片供求關(guān)系上有一個(gè)共同的認(rèn)知，即“芯片短缺是客觀存在的，但短缺并不包含中低端芯片，缺的都是類似7nm以下的高端芯片”，但魏哲家卻表示，目前價(jià)值50美分-10美元的低端芯片普遍短缺，而且低端芯片短缺正成為供應(yīng)鏈瓶頸。

當(dāng)然，他也舉例以支撐其觀點(diǎn)。比如，荷蘭ASML難以獲得EUV光刻機(jī)使用的、價(jià)格10美元的芯片，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法按時(shí)出貨;50美分的無(wú)線電芯片短缺阻礙了價(jià)值5萬(wàn)美元的汽車生產(chǎn);此前英偉達(dá)官方也曾表示，低端芯片如電源轉(zhuǎn)換器和收發(fā)器的短缺，致使公司得不到足夠的設(shè)備，這關(guān)系到公司能不能生產(chǎn)更多的數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品。

對(duì)于先進(jìn)芯片工藝，魏哲家表示，“臺(tái)積電5納米量產(chǎn)已進(jìn)入第3年，累計(jì)生產(chǎn)200萬(wàn)片，世界上沒(méi)有任何一家公司產(chǎn)量比臺(tái)積電多，也甚至沒(méi)有一家公司有超過(guò)臺(tái)積電一半的量?！睋?jù)透露，目前臺(tái)積電的技術(shù)每年都在進(jìn)步，現(xiàn)在5納米家族成員還包括4納米、N4P納米、N4X納米。

魏哲家表示，“3nm確定在今年下半年量產(chǎn)，但當(dāng)初采用哪種工藝，考慮了很久，最終決定繼續(xù)使用FinFET。到2nm則采用全新的nanosheet工藝，將于2025年量產(chǎn)?！?/p>

臺(tái)積電3納米FinFET工藝有挑戰(zhàn)

目前摩爾定律續(xù)命的道路上有兩個(gè)阻礙：一是短溝道效應(yīng);二是量子隧穿。

相對(duì)而言，F(xiàn)inFET技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于緩解了短溝道效應(yīng)帶來(lái)的漏電問(wèn)題和減小柵長(zhǎng)度時(shí)帶來(lái)的輸出電阻問(wèn)題，同時(shí)只需要把Fin的高度增加，就可以提高器件的驅(qū)動(dòng)能力。因此，F(xiàn)inFET技術(shù)擊敗了自己的“孿生兄弟”FD SOI，成為了foundry的寵兒，扛起了引領(lǐng)IC產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的大旗。

不過(guò)，在芯片技術(shù)工藝進(jìn)入個(gè)位數(shù)之后，F(xiàn)inFET遇到兩個(gè)難以解決的問(wèn)題：1. 在有效柵長(zhǎng)15nm，F(xiàn)in在5nm時(shí)，F(xiàn)inFET遇到了嚴(yán)重的靜電問(wèn)題;2.隨著工藝節(jié)點(diǎn)不斷縮小，F(xiàn)inFET里面Fin的個(gè)數(shù)需要從兩個(gè)削減到一個(gè)，就會(huì)使得器件的工作性能降低，為了補(bǔ)償因?yàn)镕in個(gè)數(shù)損失的性能，需要把Fin的高度做得更高，但這會(huì)讓工藝更加復(fù)雜，器件也更加難以大規(guī)模集成。

為此，基于GAA工藝的各種結(jié)構(gòu)被不斷提出，進(jìn)而取代FinFET，比如三星已基于GAA工藝實(shí)現(xiàn)3納米芯片的量產(chǎn)。

不同于三星3納米芯片采用的GAA工藝，臺(tái)積電仍會(huì)沿用FinFET技術(shù)，主要考量是客戶在導(dǎo)入5納米制程后，采用同樣的設(shè)計(jì)即可導(dǎo)入3納米制程，可以持續(xù)帶給客戶有成本競(jìng)爭(zhēng)力、效能表現(xiàn)佳的產(chǎn)品。之前有業(yè)界信息，臺(tái)積電3納米芯片預(yù)計(jì)今年三季度下旬開始投片量會(huì)大幅拉升，四季度則開始進(jìn)入量產(chǎn)階段。不過(guò)，魏哲家表示，“3納米有說(shuō)不出的困難，目前已快要量產(chǎn)，客戶相當(dāng)踴躍，且有許多客戶參與其中，但是工程能力有點(diǎn)不足，正盡量努力中?！?/p>

如何實(shí)現(xiàn)2納米芯片?

至于更先進(jìn)的2納米芯片工藝，以及面對(duì)三星宣稱“到2030年超車臺(tái)積電，取得全球邏輯晶片代工龍頭地位”，臺(tái)積電自然不敢懈怠，且正積極投入2納米研發(fā)，并獲得重大技術(shù)突破。

全環(huán)繞柵(gate-all-around：GAA)技術(shù)是FinFET技術(shù)的演進(jìn)，是一種用來(lái)抑制短溝道效應(yīng)的技術(shù)。其實(shí)，GAA技術(shù)不是什么新鮮的技術(shù)。早在1990年，IMEC在開發(fā)抗輻射元器件時(shí)，為降低器件的氧化層厚度，提出了用高質(zhì)量的氧化層環(huán)繞硅膜的概念。這是GAA概念被首次提出。該器件在被制作出來(lái)之后，發(fā)現(xiàn)柵對(duì)于溝道的控制能力大大改善，器件工作性能得到極大優(yōu)化。但鑒于其工藝復(fù)雜且為非平面結(jié)構(gòu)，受當(dāng)時(shí)的半導(dǎo)體工藝所限，故該器件未進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。

不過(guò)，基于FinFET在3納米以下碰到的技術(shù)瓶頸，臺(tái)積電在2納米上必然會(huì)選擇切入GAA技術(shù)。

在公司技術(shù)論壇上，魏哲家表示，臺(tái)積電2納米技術(shù)和3納米技術(shù)相比，在相同功耗下，速度增快10-15%，或在相同速度下，功耗降低25-30%。同時(shí)，他也透露，臺(tái)積電2納米將用新的納米片(nanosheet)技術(shù)，會(huì)在2025年量產(chǎn)，屆時(shí)還是電晶體密度最小、效能最佳的先進(jìn)制程技術(shù)。

“在3nm以下，很難再使得單個(gè)晶體管的性能再有提升，能做的只是提高集成度，降低功耗?！庇袑I(yè)人士表示。根據(jù)該專業(yè)人士分析，這種Nanosheet技術(shù)可以理解為柵極環(huán)繞多個(gè)溝道，多個(gè)溝道之間相互堆疊，以達(dá)到極佳的溝道控制能力。同時(shí)，為了進(jìn)一步地增加集成度，還可能直接通過(guò)將晶體管堆疊，即把NMOS堆在PMOS上面，以此設(shè)計(jì)SRAM單元，可以減少高達(dá)50%的面積。

因此，從3納米到2納米，我們也不必過(guò)于神化先進(jìn)工藝帶來(lái)的變化。很多人都會(huì)相信，不管我們?cè)鯓永m(xù)命，摩爾定律總會(huì)有終結(jié)的一天，畢竟一個(gè)硅晶胞的邊長(zhǎng)也無(wú)法再小，過(guò)分追逐先進(jìn)工藝已并不明智。而摩爾定律所定義的“晶體管數(shù)量翻一番”，是否能理解為“單位面積上的晶體管所構(gòu)成的電路性能提升一倍?”

編輯：黃飛