芯片制程之戰(zhàn) | 最燒錢的技術(shù)戰(zhàn)

時(shí)間：2020-05-19 23:36:59

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[導(dǎo)讀]2 020年伊始，全球半導(dǎo)體先進(jìn)制程之戰(zhàn)已然火花四射。從華為和蘋果打響7nm旗艦手機(jī)芯片第一槍開始，7nm芯片產(chǎn)品已是百花齊放之勢(shì)，5nm芯片也將在下半年正式首秀。這些逐漸縮小的芯片制程數(shù)字，正是全球電子產(chǎn)品整體性能不斷進(jìn)化的核心驅(qū)動(dòng)力。通往更先進(jìn)制程

2 020年伊始，全球半導(dǎo)體先進(jìn)制程之戰(zhàn)已然火花四射。從華為和蘋果打響7nm旗艦手機(jī)芯片第一槍開始，7nm芯片產(chǎn)品已是百花齊放之勢(shì)，5nm芯片也將在下半年正式首秀。這些逐漸縮小的芯片制程數(shù)字，正是全球電子產(chǎn)品整體性能不斷進(jìn)化的核心驅(qū)動(dòng)力。

通往更先進(jìn)制程的道路猶如攀登高峰，極高的技術(shù)難度和研發(fā)成本將大多數(shù)芯片選手?jǐn)r在半山腰，目前全球唯有臺(tái)積電、英特爾、三星還在向峰頂沖刺。三星成功研發(fā)3nm芯片，臺(tái)積電3nm芯片晶體管密度達(dá)2.5億/mm2，英特爾官宣制程回歸。

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在全球備戰(zhàn)更先進(jìn)制程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，本文圍繞晶體管五大關(guān)鍵環(huán)節(jié)，探討先進(jìn)制程沖刺戰(zhàn)中的核心技術(shù)及玩家格局。

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芯片制程描述的是芯片晶體管柵極寬度的大小，納米數(shù)字越小，晶體管密度越大，芯片性能就越高。

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各家對(duì)制程工藝的命名法則不同，在相同納米制程下，并不能對(duì)各制程技術(shù)做直觀比較。比如英特爾10nm的晶體管密度與三星7nm、臺(tái)積電7nm 的晶體管密度相當(dāng)。

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從制程進(jìn)展來看，一邊是三星臺(tái)積電在5nm/3nm等制程上你追我趕，另一邊是英特爾循序漸進(jìn)地走向7nm。

5nm方面，臺(tái)積電已經(jīng)拿到蘋果和華為的手機(jī)芯片訂單。三星的5nm制程相對(duì)落后，正在與谷歌合作開發(fā)Exynos芯片組，將搭載于谷歌的Chrome OS設(shè)備、Pixel智能手機(jī)甚至中心數(shù)據(jù)服務(wù)器中。

3nm方面，臺(tái)積電預(yù)計(jì)2021年開始試生產(chǎn)，2022年開始量產(chǎn)。三星原計(jì)劃2021年量產(chǎn)3nm工藝，但受當(dāng)前疫情影響，不量產(chǎn)時(shí)間可能會(huì)推遲。

為什么挺進(jìn)先進(jìn)制程的玩家選手屈指可數(shù)呢？主要源于兩大門檻：資本和技術(shù)。制程工藝的研發(fā)和生產(chǎn)成本呈指數(shù)上漲，單從資金數(shù)目來看，很多中小型晶圓廠就玩不起。

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更高的研發(fā)和生產(chǎn) 對(duì)應(yīng)的是更難的技術(shù)挑戰(zhàn)。每當(dāng)制程工藝逼近物理極限，芯片性能天花板就取決于晶體管結(jié)構(gòu)、光刻、沉積、刻蝕、檢測(cè)、封裝等技術(shù)的創(chuàng)新與協(xié)同配合。

晶體管在芯片中起到開關(guān)作用，通過影響相互的狀態(tài)傳遞信息。

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幾十年來，基于平面Planar晶體管芯片一直是市場(chǎng)熱銷設(shè)備。然而制程技術(shù)發(fā)展到后期，平面晶體管開始遇到漏極源極間距過近的瓶頸。 3D鰭式場(chǎng)效晶體管（FinFET）成為延續(xù)摩爾定律的革命性技術(shù)，為工藝技術(shù)創(chuàng)新做出了核心貢獻(xiàn)。

2011年，英特爾轉(zhuǎn)向22nm FinFET。相比平面晶體管，F(xiàn)inFET在工藝節(jié)點(diǎn)減小時(shí)，電壓縮放、切換速度和電流密度均顯著提升。

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FinFET已經(jīng)歷兩個(gè)工藝世代，臺(tái)積電5nm FinFET晶體管工藝的芯片也將在下半年問世。

隨著深寬比不斷拉高，F(xiàn)inFET也逼近了物理極限，為了制造出密度更高的芯片，環(huán)繞式柵極晶體管（GAAFET，Gate-All-Ground FET）成為新的技術(shù)選擇。不同于FinFET，GAAFET的溝道被柵極包圍，溝道電流比FinFET更加順暢，能進(jìn)一步改善對(duì)電流的控制，從而優(yōu)化柵極長(zhǎng)度的微縮。

三星名為多橋通道FET（MBCFET，Multi-Bridge Channel FET）的 GAA技術(shù)，用納米片替換納米線周圍的柵極，實(shí)現(xiàn)每堆更大的電流。

與現(xiàn)有GAAFET不一樣的是，在forksheet FET中，nFET和pFET都集成在同一結(jié)構(gòu)中，間距小并減少密集縮放， forksheet具有的接觸柵極間距均低于Nanosheet 的接觸柵極間距。

Complementary FET（CFET）是另一種類型的GAA器件，由兩個(gè)單獨(dú)的FET組成，消除了n-p分離的瓶頸，減少電池有效面積。

英特爾的3nm也將采用CFET。但CFET及相關(guān)的晶體管存在散熱等問題，需要在各環(huán)節(jié)更新技術(shù)和設(shè)備。

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雕刻電路圖案的核心制造設(shè)備是光刻機(jī)，它的精度決定了制程的精度。光刻機(jī)的運(yùn)作原理是先把設(shè)計(jì)好的芯片圖案印在掩膜上，用激光穿過掩膜和光學(xué)鏡片，將芯片圖案曝光在帶有光刻膠涂層的硅片上，涂層被激光照到之處則溶解，沒有被照到之處保持不變，掩膜上的圖案就被雕刻到芯片光刻膠涂層上。

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目前193nm浸沒式光刻是最成熟、應(yīng)用最廣的技術(shù)，等到7nm及更先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，則需要波長(zhǎng)更短的極紫外（EUV）光刻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)制程。

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Imec和ASML成立了聯(lián)合研究實(shí)驗(yàn)室，專注于3nm節(jié)點(diǎn)的元件制造藍(lán)圖，根據(jù)ASML年報(bào)，他們將采用high-NA技術(shù) 研發(fā)下一代極紫外光刻機(jī)，產(chǎn)品將有更高的分辨率、數(shù)值孔徑和覆蓋能力。值得一提的是，英特爾與ASML的光刻機(jī)設(shè)備的量產(chǎn)時(shí)間相吻合，大約在2024年前后。

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Imec 重點(diǎn)投入的研發(fā)領(lǐng)域包括光罩的防塵薄膜技術(shù)、光阻技術(shù)、工藝優(yōu)化。一方面，更高的光阻劑往往會(huì)增加缺陷率，另一方面，光罩防塵薄膜發(fā)展相對(duì)緩慢。

為了將微電子器件造的更小，必須把越來越多的電路放進(jìn)更小的薄膜結(jié)構(gòu)中，與半導(dǎo)體工藝兼容的刻蝕和沉積技術(shù)也需要隨著提升。在硅片襯底上生成特定薄膜層的工藝就是薄膜沉積，所沉積的薄膜可以是導(dǎo)體、絕緣材料或半導(dǎo)體材料。刻蝕機(jī)根據(jù)印上去的圖案刻蝕，留下剩余的部分，芯片圖案就可以從光刻膠涂層轉(zhuǎn)移到了硅片上。

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將材料以單原子膜形式一層一層的鍍?cè)谝r底表面就是所謂的原子層沉積（ALD）技術(shù)可將，選擇性沉積是一種先進(jìn)的自對(duì)準(zhǔn)圖案化技術(shù)，將化學(xué)方法與MLD工具結(jié)合在一起，可減少流程中的光刻和刻蝕步驟。從理論上講，選擇性沉積可用于沉積金屬或沉積電介質(zhì)。不過目前區(qū)域選擇性沉積仍存在一定挑戰(zhàn)，有待持續(xù)研發(fā)。

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嵌段共聚物視是生產(chǎn)緊密圖案化表面的一種方式。嵌段共聚物將性質(zhì)不同的聚合物鏈段連在一起，制成一種線型聚合物，得到性能更為優(yōu)越的聚合物材料。這種刻蝕技術(shù)可以選擇性去除MLD層，不會(huì)影響到附近的ALD層，精確控制了納米級(jí)材料的幾何形狀。

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芯片進(jìn)入量產(chǎn)前需要對(duì)芯片進(jìn)行檢測(cè) ，就是使用各種系統(tǒng)來查找芯片的缺陷。晶圓檢測(cè)分為兩類：光學(xué)和電子束。光學(xué)檢查速度快，但分辨率受限；電子束檢測(cè)分辨率更好，但速度偏慢。

因此很多公司均在開發(fā)多光束電子束檢測(cè)系統(tǒng)，最好能以較高的速度發(fā)現(xiàn)最不顯眼的缺陷。 ASML開發(fā)了一種具有9條光束的電子束檢測(cè)工具。

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芯片制造商還使用各種量測(cè)系統(tǒng)來測(cè)量芯片結(jié)構(gòu)。微距量測(cè)掃描式電子顯微鏡（CD-SEM）進(jìn)行自上而下的量測(cè)，光學(xué)CD系統(tǒng)則使用偏振光來表征結(jié)構(gòu)。

被稱為臨界尺寸小角X射線散射（CD-SAXS）的X射線量測(cè)技術(shù) 是一種無(wú)損量測(cè)技術(shù)，使用小光束尺寸的可變角度透射散射來量測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是能提供更高的分辨率，避免了OCD參數(shù)相關(guān)性問題，且計(jì)算更加簡(jiǎn)單。但X射線是由R＆D的大型同步加速器存儲(chǔ)環(huán)產(chǎn)生的，這對(duì)晶圓廠來說很不切實(shí)際。 CD-SAXS需要緊湊的X射線源，問題在于X射線源有限且速度慢，影響吞吐量，其成本也是一個(gè)問題，該技術(shù)仍處于概念階段，X射線強(qiáng)度還將面臨挑戰(zhàn)。

封裝技術(shù)能讓內(nèi)存更接近邏輯處理單元，提升信號(hào)傳輸速率和互聯(lián)密度。傳統(tǒng)方法是縮小節(jié)點(diǎn)上不同的芯片功能，并將它們封裝到一個(gè)單片芯片上。通過封裝可以低功耗并增加內(nèi)存帶寬。在研發(fā)先進(jìn)的封裝技術(shù)，以增加晶體管速度，從而提高整個(gè)系統(tǒng)性能的道路上，英特爾主推EMIB工藝，臺(tái)積電主推CoWoS工藝，三星主推FOPLP。

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小芯片chipset是一種實(shí)現(xiàn)異構(gòu)集成的新形式，通過在特定空間堆疊多種芯片，實(shí)現(xiàn)更快的開發(fā)速度和更高的計(jì)算力。臺(tái)積電采用COWOS封裝技術(shù)和LIPINCON互連技術(shù)，將大型多核設(shè)計(jì)劃分成多個(gè)小芯片，實(shí)現(xiàn)更高的良率和更好的經(jīng)濟(jì)性。英特爾將不同IP、不同工藝的方案封裝在一起，從而省去漫長(zhǎng)的再制作過程。

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隨著摩爾定律的推進(jìn)節(jié)奏逐漸趨緩，半導(dǎo)體制程的不斷發(fā)展，想要延續(xù)摩爾定律的生命力需要技術(shù)和設(shè)備的創(chuàng)新突破。半導(dǎo)體行業(yè)大約每隔20年，就會(huì)有新的危機(jī)出現(xiàn)， 20年前，大家一度非常悲觀，看不清如何才能將芯片做得更好。如今半導(dǎo)體行業(yè)到了20年周期的危機(jī)循環(huán)節(jié)點(diǎn)，誰(shuí)都不知道未來半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展路在何方？

這個(gè)問題的答案，也許藏在 5G、AI 等新興技術(shù)里，也許藏在半導(dǎo)體的新模式、器件和技術(shù)里，半導(dǎo)體行業(yè)在不斷探索前行。無(wú)論未來誰(shuí)是創(chuàng)新風(fēng)暴的引領(lǐng)者，最終受益的都是享用更高性能電子產(chǎn)品的每一個(gè)人。