為了使半導(dǎo)體工藝不斷縮小,硅必須摻雜越來(lái)越高的磷濃度?
前段時(shí)間,三星公布了自家的3nm制程工藝已經(jīng)達(dá)到了可以批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)槿枪に囋隍旪?88和驍龍8Gen1兩款芯片上的表現(xiàn)并不盡如人意,所以仍有不少相關(guān)機(jī)構(gòu)認(rèn)為臺(tái)積電的3nm會(huì)優(yōu)于三星工藝,但目前仍處在相關(guān)芯片工藝參數(shù)爆料階段,并不能說(shuō)明最后使用相關(guān)工藝的芯片性能有差別。
美國(guó)有意將設(shè)計(jì)GAAFET晶體管的EDA軟件,進(jìn)行出口管制,不允許賣(mài)到中國(guó)大陸來(lái),以此來(lái)卡死中國(guó)大陸的2nm技術(shù)。
8月12日,政策終于出來(lái)了,美國(guó)商務(wù)部工業(yè)和安全局(BIS)在聯(lián)邦公報(bào)上發(fā)布一項(xiàng)臨時(shí)最終規(guī)定,對(duì)4項(xiàng)“新興和基礎(chǔ)技術(shù)”實(shí)施最新出口管制。
目前全球能做到2nm工藝的公司沒(méi)有幾家,主要是臺(tái)積電、Intel及三星,日本公司在設(shè)備及材料上競(jìng)爭(zhēng)力有優(yōu)勢(shì),但先進(jìn)工藝是其弱點(diǎn),現(xiàn)在日本要聯(lián)合美國(guó)研發(fā)2nm工藝,不依賴(lài)臺(tái)積電,最快2025年量產(chǎn)。
日本與美國(guó)合作2nm工藝的消息有段時(shí)間了,不過(guò)7月29日日本與美國(guó)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有高官會(huì)面,2nm工藝的合作應(yīng)該會(huì)是其中的重點(diǎn)。
據(jù)悉,在2nm工藝研發(fā)合作上,日本將在今年內(nèi)設(shè)立次世代半導(dǎo)體制造技術(shù)研發(fā)中心(暫定名),與美國(guó)的國(guó)立半導(dǎo)體技術(shù)中心NSTC合作,利用后者的設(shè)備和人才研發(fā)2nm工藝,涉及芯片涉及、制造設(shè)備/材料及生產(chǎn)線(xiàn)等3個(gè)領(lǐng)域。
這次的研發(fā)也不只是學(xué)術(shù)合作,會(huì)招募企業(yè)參加,一旦技術(shù)可以量產(chǎn),就會(huì)轉(zhuǎn)移給日本國(guó)內(nèi)外的企業(yè),最快會(huì)在2025年量產(chǎn)。
對(duì)于日美合作2nm并企圖繞過(guò)臺(tái)積電一事,此前臺(tái)積電方面已有回應(yīng),臺(tái)積電稱(chēng),半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的特性是不管花多少錢(qián)、用多少人,都無(wú)法模仿的,要經(jīng)年累月去累積,臺(tái)積電20年前技術(shù)距最先進(jìn)的技術(shù)約2世代,花了20年才超越,這是堅(jiān)持自主研發(fā)的結(jié)果。
臺(tái)積電不會(huì)掉以輕心,研發(fā)支出會(huì)持續(xù)增加,臺(tái)積電3nm制程將會(huì)是相當(dāng)領(lǐng)先,2nm正在發(fā)展中,尋找解決方案。
如果說(shuō)“2nm決戰(zhàn)”還有數(shù)年時(shí)間,那么三星和臺(tái)積電的“3nm大戰(zhàn)”已經(jīng)一觸即發(fā)。今年6月,三星電子曾宣布稱(chēng)公司已開(kāi)始量產(chǎn)3nm芯片。而臺(tái)積電N3(即3nm)芯片也預(yù)計(jì)在今年下半年進(jìn)行量產(chǎn)。
為何在“消費(fèi)電子寒冬”之下,頭部芯片代工廠(chǎng)商紛紛加碼先進(jìn)制程?三星積極推動(dòng)先進(jìn)制程研發(fā),又能否打破臺(tái)積電在芯片代工市場(chǎng)遙遙領(lǐng)先的局面呢?
3nm技術(shù)節(jié)點(diǎn):臺(tái)積電第一個(gè)3nm級(jí)節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為N3,有望在今年下半年開(kāi)始大批量制造 (HVM)量產(chǎn),預(yù)計(jì)2023年初交付給客戶(hù)。其中,3nm第二節(jié)點(diǎn)N3E,與N5相比,在相同的速度和復(fù)雜性下,N3E功耗降低34%,性能提升18%,邏輯晶體管密度提高1.6倍,而且搭配先進(jìn)的TSMC FinFlextm架構(gòu),能夠精準(zhǔn)協(xié)助客戶(hù)完成符合其需求的系統(tǒng)單芯片設(shè)計(jì)。
2nm技術(shù)節(jié)點(diǎn):臺(tái)積電第一個(gè)2nm級(jí)節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為N2,采用納米片晶體管(GAAFET)架構(gòu),預(yù)計(jì)于2025年開(kāi)始量產(chǎn)。據(jù)悉,在相同功耗下,2nm性能速度較3nm增快10%至15%,若在相同速度下,功耗降低25%至30%。臺(tái)積電還表示,2nm制程技術(shù)平臺(tái)也涵蓋高效能版本及完備的小晶片(Chiplet)整合解決方案。
擴(kuò)大超低功耗平臺(tái):臺(tái)積電稱(chēng)正在開(kāi)發(fā)N6e技術(shù),專(zhuān)注于邊緣人工智能及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。N6e將以7nm制程為基礎(chǔ),邏輯密度可望較上一代的N12e多3倍。據(jù)悉,N6e平臺(tái)涵蓋邏輯、射頻、類(lèi)比、嵌入式非揮發(fā)性存儲(chǔ)器、以及電源管理IC解決方案。
TSMC-3DFabricTM 三維矽晶堆疊方案:臺(tái)積電今天展示兩項(xiàng)突破性創(chuàng)新,一項(xiàng)是以SoIC為基礎(chǔ)的CPU,采用晶片堆疊于晶圓之上(Chip-on-Wafer,CoW)技術(shù)來(lái)堆疊三級(jí)快取靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ);另一項(xiàng)是創(chuàng)新的AI SoC,采用晶圓堆疊于晶圓之上(Wafer-on-Wafer,WoW)技術(shù)堆疊于深溝槽電容晶片之上。
臺(tái)積電表示,搭載CoW及WoW技術(shù)的7nm芯片,目前已經(jīng)量產(chǎn),5nm技術(shù)預(yù)計(jì)于2023年完成。為滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)于系統(tǒng)整合芯片及其他3DFabric系統(tǒng)整合服務(wù)需求,首座全自動(dòng)化3D Fabric晶圓廠(chǎng)預(yù)計(jì)于2022年下半年開(kāi)始生產(chǎn)。
隨著臺(tái)積電2nm轉(zhuǎn)向基于納米片的GAAFET架構(gòu),3nm系列將成為臺(tái)積電FinFET節(jié)點(diǎn)最后一個(gè)技術(shù)平臺(tái)。預(yù)計(jì)在2025年量產(chǎn)2nm芯片后,臺(tái)積電仍將繼續(xù)生產(chǎn)3nm半導(dǎo)體產(chǎn)品。
據(jù)Counterpoint數(shù)據(jù),2022年一季度,在全球4nm/5nm的智能手機(jī)芯片市場(chǎng),臺(tái)積電拿下了40%的市場(chǎng)份額,而三星拿下了剩余的60%。在手機(jī)高端芯片領(lǐng)域的市場(chǎng)份額“反超”,意味著三星開(kāi)始在先進(jìn)制程上追趕臺(tái)積電的腳步。
為了使半導(dǎo)體工藝不斷縮小,硅必須摻雜越來(lái)越高的磷濃度,以促進(jìn)準(zhǔn)確和穩(wěn)定的電流傳輸。就目前而言,隨著業(yè)界開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn) 3nm 組件,傳統(tǒng)的退火方法仍然有效。然而,隨著精度進(jìn)一步提升,需要確保高于其在硅中的平衡溶解度的磷濃度。除了實(shí)現(xiàn)更高的濃度水平外,一致性對(duì)于制造功能性半導(dǎo)體材料也至關(guān)重要。
臺(tái)積電此前推測(cè),微波可用于退火(加熱)過(guò)程,以促進(jìn)增加磷的摻雜濃度。然而,以前的微波加熱源往往會(huì)產(chǎn)生駐波,從而不利于加熱的一致性。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),以前的微波退火設(shè)備加熱內(nèi)容物會(huì)加熱不均勻。
康奈爾大學(xué)的科學(xué)家得到了臺(tái)積電的支持,開(kāi)展微波退火研究。本周早些時(shí)候,康奈爾大學(xué)發(fā)表了一篇由此產(chǎn)生的論文,先進(jìn)的微波退火方法已經(jīng)“成功克服了高于溶解度的高而穩(wěn)定摻雜的基本挑戰(zhàn)”。
臺(tái)積電2021年?duì)I收顯示,其主要的營(yíng)收在于先進(jìn)制程而并非成熟制程,臺(tái)積電7nm及以下制程的營(yíng)收,在2021年全年達(dá)到了50%。此外,臺(tái)積電在其法說(shuō)會(huì)上表示其資本支出中的80%將用于3nm、5nm及7nm等先進(jìn)制程的研發(fā)。作為如今業(yè)內(nèi)唯二能制造出先進(jìn)制程的晶圓代工廠(chǎng)商之一,其營(yíng)收情況以及資本支出可以表明,市場(chǎng)對(duì)于先進(jìn)制程的熱度只增不減。
此外,除了手機(jī)、電腦等傳統(tǒng)意義上先進(jìn)制程的典型應(yīng)用領(lǐng)域外,一些曾經(jīng)以成熟制程為主的應(yīng)用領(lǐng)域,如今也不難看到先進(jìn)制程的身影。例如,已有部分企業(yè)在規(guī)劃更先進(jìn)制程工藝的車(chē)規(guī)級(jí)芯片,如芯擎科技、恩智浦、高通、英偉達(dá)等,陸續(xù)發(fā)布7nm、5nm制程芯片。
硅芯片的最后一戰(zhàn)?
2nm或許是如今硅芯片領(lǐng)域的最后一戰(zhàn),也是關(guān)鍵一戰(zhàn)。而這一戰(zhàn),隨著臺(tái)積電、三星奮力尋求ASML高數(shù)值孔徑極紫外光刻機(jī),也開(kāi)始逐漸打響。
此前,新思科技的研究專(zhuān)家Victor Moroz表示,硅晶體管的能力有限,它很有可能只能安全微縮到2nm。此外,由于石墨烯等新材料仍處于起步階段,短時(shí)間內(nèi)難以在半導(dǎo)體領(lǐng)域替代硅材料。也因此,將2nm芯片制程視為硅芯片的最后一戰(zhàn),幾乎成為了業(yè)內(nèi)共識(shí)。
因此,全球所有的芯片大國(guó)和行業(yè)霸主,都在暗自較勁,要在2nm上“背水一戰(zhàn)”。
6月17日臺(tái)積電舉行的技術(shù)論壇上,這家晶圓代工龍頭首次披露,到2024年,臺(tái)積電將擁有ASML最先進(jìn)的高數(shù)值孔徑極紫外光刻機(jī),用于生產(chǎn)納米片晶體管(GAAFET)架構(gòu)的2nm芯片,預(yù)計(jì)在2025年量產(chǎn)。據(jù)了解,高數(shù)值孔徑極紫外光刻機(jī)具備更高的光刻分辨率,能夠?qū)⑿酒w積縮小1.7倍,同時(shí)密度增加2.9倍。
幾乎同一時(shí)間,有報(bào)道稱(chēng)三星電子從ASML獲得了十多臺(tái)EUV光刻機(jī)。而三星同樣表示其2nm芯片將于2025年量產(chǎn)。不難看出,三星也在為3年后的2nm芯片量產(chǎn)蓄力。
現(xiàn)階段主要使用的 FinFET(過(guò)去被稱(chēng)為 3D 晶體管)是 10nm 工藝發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵芯片設(shè)計(jì)技術(shù),其采用了三面包覆式的柵極設(shè)計(jì),可以在三個(gè)側(cè)面圍起電流通道,以此減少漏電(電子泄露),但 5nm 甚至 3nm 工藝的發(fā)展意味著 FinFET 將面臨落伍,因此業(yè)界研發(fā)出了四面環(huán)繞式的全柵極或 GAA 技術(shù)。
然后,工廠(chǎng)在這一基礎(chǔ)上添加了它所謂的納米片而不是納米線(xiàn),并將該技術(shù)稱(chēng)為 MBCFET。但這里要說(shuō)的 BSPDN 與此不同,可以理解為三星、英特爾和臺(tái)積電使用的小芯片設(shè)計(jì)的演變。
借助小芯片技術(shù)方案,我們可以在單個(gè)芯片上應(yīng)用同種工藝,也可以連接來(lái)自不同代工廠(chǎng)不同工藝制造的各種芯片,這也是英特爾 14 代酷睿和 AMD 銳龍采用的技術(shù)方案,它也稱(chēng)為 3D-SoC,可以同時(shí)將邏輯電路和內(nèi)存模塊并在一起。
據(jù)介紹,BSPDN 與前端供電網(wǎng)絡(luò)不同,它主要是利用后端;正面將具有邏輯功能,而背面將用于供電或信號(hào)路由。
IT之家了解到,BSPDN 的概念于 2019 年在 IMEC 上首次被提出,當(dāng)時(shí)有一篇引用該技術(shù)的 2nm 論文也在 2021 年的 IEDM 上進(jìn)行了發(fā)表。
作者在這篇韓文名為《SRAM 宏和使用 2nm 工藝后端互連的邏輯設(shè)計(jì)和優(yōu)化》的論文提出,將供電網(wǎng)絡(luò)等功能移至芯片背面,從而解決僅使用正面造成的布線(xiàn)堵塞問(wèn)題。據(jù)稱(chēng),與 FSPDN 相比,BSPDN 的性能可提高 44%,同時(shí)功率效率提高 30%。