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半导体

重振芯片制造,欧、日为何青睐2纳米?

受贸易摩擦等多重因素的影响,全球的半导体大国均有意强化本国芯片制造能力。欧盟委员会在一项名为《2030数字指南针》计划中,提出生产能力冲刺2nm的目标。日本政府也于日前表示将出资420亿日元,联合日本三大半导体厂商——佳能、东京电子以及Screen Semiconductor Solutions共同开发2nm工艺。事实上,在台积电、三星这些大半导体制造龙头的技术路线图中,2nm同样是需要集结重军突破的关键节点。那么,为何欧洲、日本均将重振芯片制造的突破点放在2nm上?其有何特殊之处吗?

2纳米是新的 “大”节点?

晶圆制造作为半导体产业链的重要环节,发挥着基础核心作用。特别是随着5G、高性能计算、人工智能的发展,市场对先进工艺的需要越来越高。在台积电2020年财报中,第四季度采用最先进5nm工艺平台加工晶圆的销售额占总晶圆收入的20%,7nm和12nm/16nm的销售额分别占29%和13%。也就是说领先的5nm和7nm节点占台积电收入的49%,而高级节点(5nm、7nm、12nm/16nm)占该公司总收入的62%。

3nm是台积电和三星两大半导体制造巨头当前的发展重点。两家公司的量产计划均落在2022年。工艺尚在试产阶段,苹果公司已经为旗下M系列和A系列处理器预订采用这种技术的订单。先进工艺制造在半导体产业中的重要性,由此可见一斑,

2nm作为3nm之后的下一个先进工艺节点,也早早进入人们的视野。2019年,台积电便宣布启动2nm工艺的研发,使其成为第一家宣布开始研发2nm工艺的公司。同时,台积电将在位于中国台湾新竹的南方科技园建立2nm工厂,预计2nm工艺将于2024年进入批量生产。按照台积电的说法,2nm工艺研发需时4年,最快也得要到2024年才能进入投产。这段时间里5nm工艺乃至3nm工艺均会成为过渡产品,以供客户生产芯片的需要。

半导体一向有“大小”节点之分。以28nm为例,与40nm工艺相比,28nm栅密度更高、晶体管的速度提升了约50%,每次开关时的能耗则减小了50%。在成本几乎相同的情况下,使用28nm工艺可以给产品带来更加良好的性能优势。2011年第四季度,台积电首先实现了28nm全世代工艺的量产。截止2014年年底,台积电是目前全球28nm市场中的最大企业,它在2014年的销售收入主要来源于28nm,占总营收的34%,占全球28nm代工市场份额的80%,产能达到130000片/月,占整个28nm代工市场产能的62%。业界认为,14nm、7nm或5nm也是大节点。

莫大康指出,由于2nm目前尚处于研发阶段,其工艺指标尚不清楚。不能轻易判断是否也一个大节点。然而根据台积电的工艺细节详情3nm晶体管密度已达到了2.5亿个/mm2,与5nm相比,功耗下降25%~30%,功能提升了10%~15%。2纳米的作为下一代节点,性能势必有更进一步的提升,功耗也将进一步下降。市场对其的需求是可以预期的。这或许正是日本与欧洲在高调进军半导体先进制造之际,力求在2nm上取得突破的原因之一。

全面进入GAA时代?

2纳米在技术上革新同样非常关键。根据国际器件和系统路线图(IRDS)的规划,在2021~2022年以后,鳍式场效应晶体管(FinFET)结构将逐步被环绕式闸极(GAA)结构所取代。所谓GAA结构,是通过更大的闸极接触面积提升对电晶体导电通道的控制能力,从而降低操作电压、减少漏电流,有效降低芯片运算功耗与操作温度。

目前,台积电、三星在5nm/7nm工艺段都采用FinFET结构,而在下一世代的晶体管结构的选择上,台积电、三星却出现分歧。台积电总裁魏哲家在法说会上表示,3nm的架构将会沿用FinFET结构。台积电首席科学家黄汉森强调,之所以做此选择是从客户的角度出发。采用成熟的FinFET结构产品性能显然更加稳定。三星则选择采用GAA结构。在今年的IEEE国际固态电路大会(ISSCC)上,三星首次公布了3nm制造技术的一些细节——3nm工艺中将使用类似全栅场效应晶体管(GAAFET)结构。不过有消息爆出,台积电的2nm工艺将采用GAA架构。也就是说,2nm或将是FinFET结构全面过渡到GAA结构的技术节点。在经历了Planar FET、FinFET后,晶体管结构将整体过渡到GAAFET、MBCFET结构上。

此外,一些新材料在制造过程中也将被引入。新思科技研究人员兼电晶体专家Moroz表示,到了未来的技术节点,间距微缩将减缓至每世代约0.8倍左右。工程师们开始探索其他许多技术,以降低金属导线上的电阻率,从而为加速取得优势开启大门。其方式包括新的结构,例如跨越多个金属层的梯度和超导孔(super-vias),以及使用钴(Co)和钌(Ru)等新材料。

无论是结构上的创新还是新材料的引入,2nm是一个非常关键的节点。原有的很多技术难以满足要求,产业界需要从器件的架构、工艺变异、热效应、设备与材料等方面综合解决。欧洲、日本均将重振芯片制造的突破重点放在2nm上,目的显然是希望在技术革新的关键节点导入,实现“换道超车”,同时以此为契机向1纳米甚至Å(埃米) 领域推进。

面临技术与成本双重挑战

不过2nm的开发并不容易,随着摩尔定律走向物理极限,芯片的制造面临着技术与成本的双重瓶颈。根据莫大康的介绍,目前的EUV光刻机其精度仍不足以满足2nm的需求。光刻技术的精度直接决定工艺的精度,对于2nm的先进工艺,高数值孔径的EUV技术还亟待开发,光源、掩模工具的优化以及EUV的良率和精度都是实现更先进工艺技术突破的重要因素。

日前,比利时微电子研究中心(IMEC)首席执行官兼总裁Luc Van den hove表示,该中心正在与ASML公司合作,开发更加先进的光刻机,并已取得进展。近年来,IMEC一直在与ASML研究新的EUV光刻机,目前目标是将工艺规模缩小到2nm及以下。目前ASML已经完成了NXE:5000系列的高NA EUV曝光系统的基本设计,至于设备的商业化,要等到至少2022年,而台积电和三星拿到设备还要在2023年。

来自制造成本的挑战更加严峻。有数据显示,7nm工艺仅研发费用就需要至少3亿美元,5nm工艺平均要5.42亿美元,3nm、2nm的工艺起步价大约在10亿美元左右。台积电3nm工艺的总投资高达500亿美元。目前在建厂方面至少已经花费200亿美元,可见投入之庞大。

“尽管欧洲与日本都表达了想要在下一个技术世代来临之际,以2纳米为切入点,发展先进工艺的计划。但如果一旦投入,其势将面临用户从哪里来,如何平衡生产成本等问题。” 莫大康指出。


责任编辑:陈炳欣


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