詳解7nm工藝,三星,台積電,英特爾,格羅方德真不容易
晶圓代工巨頭企業三星、台積電和GF(格芯),在半導體工藝的發展上越來越迅猛,10nm製程才剛剛應用一年半,7nm製程便已經好似近在眼前。
在業界盛行的摩爾定律將死的論調下,如此猛烈的突擊7nm製程需要克服怎樣的困難?幾方大佬又是如何布局這一關鍵節點?
Intel
作為全球最大的半導體企業,Intel在半導體工藝方面一直保持著領先地位,並且引領了大量全新技術的發展。不過近幾年,Intel半導體工藝的發展速度似乎逐漸慢了下來,比如14nm工藝竟然用了三代,10nm工藝也被競爭對手搶先。
由於晶體管製造的複雜性,每代晶體管工藝中有面向不同用途的製造技術版本,不同廠商的代次之間統計演算法也完全不同,單純用代次來對比是不準確的。目前業內常用晶體管密度來衡量製程水平,實際上,Intel最新10nm製程的晶體管密度甚至反而要比三星、台積電的7nm製程更高。
根據Intel公布的晶體管密度表格,其45nm製程的晶體管密度約為3.3MTr/mm2(百萬晶體管每平方毫米),32nm為7.5MTr/mm2,22nm為15.3MTr/mm2,上升倍數大約為2.1倍。但是14nm時晶體管密度大幅提升了2.5倍,為37.5MTr/mm2,10nm更是比14nm提升了2.7倍之多,達到100.8MTr/mm2。
根據後藤弘茂的分析,如果將Intel、台積電、三星和GF近些年製程的特徵尺寸放在一起對比,也可以看出Intel的14nm製程確實要優於三星和GF的14nm LPP以及台積電的16nm FinFET,僅略輸於三星早期的10nm製程。
Intel的10nm製程則更是全面勝過台積電和三星的10nm製程,甚至比台積電和GF的第一批7nm DUV都要更好。雖然不如三星和GF的第二批7nm EUV製程,但Intel肯定也會深挖10nm製程,第二代10nm趕超三星和GF的7nm EUV也不是不可能。
台積電
台積電在7nm上選擇了求穩路線,並沒有急於進入極紫外光刻時代。台積電錶示將繼續使用DUV光刻,利用沉浸式光刻和多重曝光等技術平滑進入7nm時代,然後再轉換到EUV光刻。
台積電使用DUV光刻的第一代7nm FinFET已經在2017年第二季度進入試產階段。
與目前的10nm FinFET製程相比,7nm FinFET將可在晶體管數量的情況下使晶元尺寸37%,或在電路複雜度相同的情況下降低40%的功耗。
在接下來的第二代7nm FinFET+製程上,台積電將開始使用EUV光刻。針對EUV優化的布線密度可帶來約10~20%的面積減少,或在電路複雜度相同的情況下,相比7nm FinFET再降低10%的功耗。
而根據後藤弘茂的分析,台積電7nm DUV的特徵尺寸介於台積電10nm FinFET和三星7nm EUV之間,Metal Pitch特徵尺寸40nm,Gate Pitch特徵尺寸尚不明確,但必定小於10nm時的66nm。
三星
作為晶元代工行業的後來者,三星是「全球IBM製造技術聯盟」中激進派的代表,早早就宣布了7nm時代將採用EUV。今年4月,三星剛剛宣布已經完成了7nm新工藝的研發,並成功試產了7nm EUV晶元,比原進度提早了半年。
據日本PC WATCH網站上後藤弘茂的分析,三星7nm EUV的特徵尺寸為44nm*36nm(Gate Pitch*Metal Pitch),僅為10nm DUV工藝的一半左右。除了一步到位的7nm EUV外,三星還規划了一種8nm製程。這個製程實際上是使用DUV光刻+多重曝光生產的7nm製程,繼承所有10nm工藝上的技術和特性。
由於DUV光刻的解析度較差,因而晶元的電氣性能不如使用7nm EUV,所以三星為其商業命名為8nm。從這一點來看,8nm相比現有的10nm,很可能在晶體管密度、性能、功耗等方面做出了終極的優化,基本上可看做深紫外光刻下的技術極限了。
根據三星的路線,三星將於今年下半年試產7nm EUV晶元,大規模投產時間為2019年秋季。8nm製程大約在2019年第一季度登場,而6nm製程應該會在2020年後出現。
GF
GF此前曾是AMD自家的半導體工廠,後由於AMD資金問題而拆分獨立。
GF同樣屬於IBM「全球IBM製造技術聯盟」的一員,其半導體工藝和三星同宗同源。然而GF在28nm、14nm兩個節點上都遇到了重大技術難題,不得不向「後來者」三星購買生產技術。
GF在14nm之後決定放棄10nm節點,直接向7nm製程進軍。雖然這個決策稍顯激進,但GF也明白步子大了容易扯到啥的道理,決定在光刻技術上穩中求進,使用現有的DUV光刻技術實現第一代7nm工藝的製造,隨後再使用EUV光刻進行兩次升級迭代。
去年7月曾報道過GF名為7LP的7nm DUV製程細節,據其在阿爾伯尼紐約州立大學理工學院負責評估多重光刻技術的George Gomba以及其他IBM的同事透露,GF將在第一代7nm DUV產品上,使用四重光刻法。
相比之前的14nm LPP製程,7LP製程在功率和晶體管數量相同的前提下,可以帶來40%的效率提升,或者在頻率和複雜性相同的情況下,將功耗降低60%。
但受限於四重光刻這一複雜流程,GF表示根據不同應用場景,7LP只能將晶元功耗降低30~45%。
可以看到,GF的7nm DUV特徵尺寸為56nm*40nm(Gate Pitch*Metal Pitch),應當與台積電7nm DUV的基本相當。而7nm EUV的特徵尺寸為44nm*36nm,與三星7nm EUV完全一致。
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