5納米制程是個(gè)坎，半導(dǎo)體先進(jìn)工藝制程路漫漫

摩爾定律象一盞明燈推動(dòng)半導(dǎo)體業(yè)進(jìn)步，特征尺寸縮小立下汗馬功勞。然而現(xiàn)階段尺寸縮小已近極限。從技術(shù)路徑，自22nm及以下開(kāi)始由平面晶體管進(jìn)入三維finFET結(jié)構(gòu)，之后finFET技術(shù)成為主導(dǎo)，有可能一直能推進(jìn)至近3nm，屆時(shí)晶體管的架構(gòu)可能要改變，由finFET轉(zhuǎn)向環(huán)柵(GAA)，納米片(nanosheet)等架構(gòu)。時(shí)至今日5nm技術(shù)已經(jīng)在手，將于2020年開(kāi)始試產(chǎn)，然而對(duì)于3nm技術(shù)，目前仍處于研發(fā)之中，一切尚待觀察。

不容置疑，全球代工業(yè)在進(jìn)入邏輯制程7nm之后已經(jīng)開(kāi)始生變，由于研發(fā)費(fèi)用及成本高聳等因素，2018年格羅方德與聯(lián)電聲言止步，因此導(dǎo)致全球代工業(yè)中只剩下臺(tái)積電，三星，英特爾及中芯國(guó)際四家在列，而其中的英特爾在商業(yè)代工業(yè)中是個(gè)“小角色”，以及中芯國(guó)際尚未明確它的時(shí)間表，所以全球只剩下臺(tái)積電及三星兩家在代工中爭(zhēng)霸。

5納米是個(gè)坎

眾所周知，7nm是長(zhǎng)壽命工藝節(jié)點(diǎn)之一，目前臺(tái)積電及三星均稱已經(jīng)量產(chǎn)，而臺(tái)積電宣稱它拿到全球幾乎100%的7nm訂單。

臺(tái)積電的5nm finFET計(jì)劃已經(jīng)明朗，它計(jì)劃2020年上半年開(kāi)始試生產(chǎn)，估計(jì)真正的5nm量產(chǎn)要在2021年，或者之后。臺(tái)積電的5nm技術(shù)相比7nm，它的速度快15%，及功耗低30%。TSMC計(jì)劃它的5nm的第二個(gè)版本也將于2020年中期推出，預(yù)期它的速度能再快7%。

根據(jù)ICKnowledge及TEL的數(shù)據(jù)，基于FinFET技術(shù)，對(duì)于7nm的代工工藝，它的柵間距在56nm到57nm及金屬連線間距在40nm。

與此同時(shí)，三星最近也高調(diào)推出了5nm，預(yù)計(jì)將于2020年上半年量產(chǎn)。與它的7nm相比，三星的5nm finfet技術(shù)，與7nm相比它的速度有25%的增長(zhǎng)，功耗降低20%，性能提高10%。

預(yù)計(jì)到2020年時(shí)，蘋果、海思和高通等都將采用5納米的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，推動(dòng)臺(tái)積電加速向5nm技術(shù)過(guò)渡，”國(guó)際商業(yè)戰(zhàn)略（IBS）首席執(zhí)行官漢德?tīng)?瓊斯（Handel Jones）表示。“到2020年第四季度時(shí)，TSMC 的5nm晶圓產(chǎn)能將達(dá)到每月40,000至60,000片?！?/p>

然而估計(jì)臺(tái)積電5nm的訂單會(huì)低于7nm。因?yàn)榕c7nm相比，5nm完全是一個(gè)全新的工藝節(jié)點(diǎn)，它需要新的EDA工具和IP等支持。這樣導(dǎo)致5nm的成本會(huì)更高。根據(jù)Gartner的數(shù)據(jù)，一般來(lái)說(shuō)，5nm產(chǎn)品的設(shè)計(jì)費(fèi)用約2.1億美元到6.8億美元。

臺(tái)積電首席執(zhí)行官魏哲家在近期的一次電話會(huì)議上說(shuō)：N6和N5的數(shù)字看起來(lái)很接近，但是仍有很大的差別。與N7相比，N5的邏輯密度增加了80%。而N6與N7相比僅為增加18%。因此，N5芯片的總功耗較低。如果愿意跟進(jìn)N5，它有很多好處，而且是一個(gè)完整的工藝節(jié)點(diǎn)，但是客戶需要時(shí)間來(lái)重新設(shè)計(jì)新的產(chǎn)品。而N6的美妙之處在于，如果他們已經(jīng)用過(guò)N7的設(shè)計(jì)，那么只需花費(fèi)很少的精力，就可以很快進(jìn)入N6并獲得一些好處。所以根據(jù)他們的產(chǎn)品特點(diǎn)和市場(chǎng)情況，（客戶）將作出選擇。

3納米技術(shù)復(fù)雜尚不確定

IMEC的邏輯工程主管Naoto Horiguchi說(shuō)：“5nm仍然是finFET?！啊比缓?，假設(shè)進(jìn)入到N3時(shí)，可能會(huì)從finFET過(guò)度到其他的器件架構(gòu)，我們相信它是一種納米片nanosheet。”

在 5nm之后，下一個(gè)完整技術(shù)節(jié)點(diǎn)為3nm，但是導(dǎo)入3nm是十分困難的。據(jù)IBS宣稱，設(shè)計(jì)3nm產(chǎn)品的費(fèi)用約5億美元到15億美元，及它的工藝開(kāi)發(fā)費(fèi)用約40億美元到50億美元，而如果要興建一條生產(chǎn)線的運(yùn)營(yíng)成本約150億美元到200億美元。IBS的瓊斯說(shuō)：“基于相同的成熟度，3nm的晶體管成本預(yù)計(jì)將比5nm高出20%到25%?！芭c5nm finFET相比，預(yù)期性能提高15%，功耗降低25%。

三星是迄今為止唯一宣布其3nm計(jì)劃的公司。對(duì)于這個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，代工將采用一種新的環(huán)柵(GAA)技術(shù)，或稱為納米片(nanosheet)。由于臺(tái)積電尚未披露其計(jì)劃，一些人認(rèn)為它可能落后于三星?！霸?nm，三星在2021年有很大的可能性開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)，”IBS的瓊斯說(shuō)?！芭_(tái)積電正在加速推進(jìn)，試圖縮小與三星的差距?！?/p>

而臺(tái)積電此次3納米的制程技術(shù)顯得有些穩(wěn)重，它僅宣稱進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段。據(jù)報(bào)道為迎接它的3納米廠研發(fā)及先期量產(chǎn)，中國(guó)***地區(qū)環(huán)保署于6月11日初審?fù)ㄟ^(guò)竹科寶山用地?cái)U(kuò)建計(jì)劃。另外臺(tái)積電也首度透露，預(yù)計(jì)把5年后(2024年)的2納米廠研發(fā)及量產(chǎn)都落腳在竹科，以避免研發(fā)人才散落或外流的風(fēng)險(xiǎn)。

張忠謀先前曾表示，3納米制程將在2年內(nèi)開(kāi)發(fā)成功，即使有“摩爾定律”失效挑戰(zhàn)，2納米仍可能在2025年前問(wèn)世。

環(huán)柵極(GAA)的結(jié)構(gòu)，顧名思義，是FinFET中的柵極被三面環(huán)繞的溝道包圍，而在GAA中柵極將是被四面溝道包圍，預(yù)期這樣的結(jié)構(gòu)將達(dá)到更好的供電與開(kāi)關(guān)特性。只要靜電控制能力增加，則柵極的長(zhǎng)度微縮就能持續(xù)進(jìn)行下去，摩爾定律重新獲得延續(xù)的動(dòng)力。

據(jù)報(bào)道，在納米片的制程中，第一步是在襯底上交替的沉積薄的硅鍺層和硅層的生長(zhǎng)。在這種情況下，有硅，硅鍺和硅堆，我們稱之為超晶格結(jié)構(gòu)，應(yīng)用材料工程管理高級(jí)總監(jiān)金南成（Namsung Kim）在最近的一次采訪中說(shuō)。因?yàn)橛墟N的含量，需要有一個(gè)良好的屏蔽襯層。”

這樣每一個(gè)Stack由三層SiGe和三層硅組成。然后，在stack上設(shè)計(jì)微小的片狀結(jié)構(gòu)，緊接著再形成淺溝隔離結(jié)構(gòu)，以及形成內(nèi)間隔區(qū)(inner spacers)。

然后，在超晶格結(jié)構(gòu)中去除硅鍺層，在它們之間留下帶間隔區(qū)的硅層。每一個(gè)硅層構(gòu)成器件中的納米片或者溝道的基礎(chǔ)。下一步是為沉積高K材料作為柵極。在納米片之間，有最小的間隔區(qū)。挑戰(zhàn)在于如何沉積有功函數(shù)的金屬厚度。

產(chǎn)業(yè)多年來(lái)一直在攻克環(huán)柵結(jié)構(gòu)，仍存在一些挑戰(zhàn)，最主要的挑戰(zhàn)是什么，有兩個(gè)。一個(gè)是間隔層，然后是底部的隔離。

業(yè)內(nèi)人士進(jìn)一步表示，臺(tái)積電已經(jīng)做出環(huán)柵極的結(jié)構(gòu)，外型就像個(gè)園形鼓，因?yàn)槌叽绫惹耙淮s小30%，它必須導(dǎo)入新材料InAsGe nanowire 或者 Silicon nanowire，因此制程技術(shù)上相當(dāng)困難，尤其在蝕刻部分是個(gè)大挑戰(zhàn)，不過(guò)以優(yōu)勢(shì)來(lái)說(shuō)，環(huán)柵極的結(jié)構(gòu)將可以改善ESD靜電放電、且優(yōu)化尖端放電的問(wèn)題，材料廠的高管也認(rèn)為，環(huán)柵極的結(jié)構(gòu)可以繼續(xù)微縮柵長(zhǎng)尺寸。

什么時(shí)候過(guò)渡到環(huán)柵或納米片？估計(jì)納米片技術(shù)能再延伸2-3個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)。

從研發(fā)角度，產(chǎn)業(yè)界正走一條在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)延伸環(huán)柵及finFET結(jié)構(gòu)。因?yàn)榄h(huán)柵結(jié)構(gòu)與finFET相比性能方面僅是適當(dāng)?shù)奶岣?，如IMEC開(kāi)初的納米片工藝，柵間距42nm及金屬線間距為21nm。相比5nmfinFET工藝時(shí)柵間距為48nm及金屬線間距為28nm。

在實(shí)驗(yàn)室中IMEC已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用鍺作溝道的P型，雙堆壘環(huán)柵的器件。幾乎釆用同樣的結(jié)構(gòu)IMEC開(kāi)發(fā)一個(gè)柵長(zhǎng)近25nm的納米線。它可以變成納米片，如同之前的版本它的線寬為9nm。

在5nm以下鍺可以起到延伸finFET的功能，IMEC證明Ge n FinFET達(dá)到創(chuàng)記錄的高Gmsat/SSsat及PBTI可靠性。它是通過(guò)改變柵的高k材料工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。

然而，仍有待觀察的是finfet技術(shù)能否會(huì)擴(kuò)展到3nm，同樣還不能預(yù)言納米片是否會(huì)準(zhǔn)時(shí)出現(xiàn)。事實(shí)上，在不斷變化的環(huán)境中，存在許多未知和不確定性。

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