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台积电2nm工艺进展如何了?MBCFET架构获重大突破

时间:2020-11-17 10:47:40 阅读:
台积电已经在2nm工艺上取得一项重大的内部突破,虽未披露细节,但是据此乐观预计,2nm工艺有望在2023年下半年进行风险性试产,2024年就能步入量产阶段。2nm采以环绕闸极(GAA)制程为基础的MBCFET架构,解决FinFET因制程微缩产生电流控制漏电的物理极限问题。
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据台湾经济日报最新报道,台积电已经在2nm工艺上取得一项重大的内部突破,虽未披露细节,但是据此乐观预计,2nm工艺有望在2023年下半年进行风险性试产,2024年就能步入量产阶段。

台积电还表示,2nm的突破将再次拉大与竞争对手的差距,同时延续摩尔定律,继续挺进1nm工艺的研发。

台积电预计,苹果、高通、NVIDIA、AMD等客户都有望率先采纳其2nm工艺。

2nm工艺上,台积电将放弃延续多年的FinFET(鳍式场效应晶体管),甚至不使用三星规划在3nm工艺上使用的GAAFET(环绕栅极场效应晶体管),也就是纳米线(nanowire),而是将其拓展成为“MBCFET”(多桥通道场效应晶体管),也就是纳米片(nanosheet)。

从GAAFET到MBCFET,从纳米线到纳米片,可以视为从二维到三维的跃进,能够大大改进电路控制,降低漏电率。

当然,新工艺的成本越发会成为天文数字,三星已经在5nm工艺研发上已经投入了大约4.8亿美元,3nm GAAFET上会大大超过5亿美元。

考量成本、设备相容、技术成熟及效能表现等多项条件,2nm采以环绕闸极(GAA)制程为基础的MBCFET架构,解决FinFET因制程微缩产生电流控制漏电的物理极限问题。

极紫外光(EUV)光刻技术的提升,使台积电研发多年的纳米片(Nano Sheet)堆叠关键技术更为成熟,良率提升进度较预期顺利。

台积电此前透露2nm研发生产将在新竹宝山,规划P1到P4四个超大型晶圆厂,占地90多公顷。

FinFET的替代者出现,GAA技术给摩尔定律续命

摩尔定律表明:每隔18~24 个月,集成电路上可容纳的元器件数目便会增加一倍,芯片的性能也会随之翻一番。

然而,在摩尔定律放缓甚至失效的今天,全球几大半导体公司依旧在拼命「厮杀」,希望率先拿下制造工艺布局的制高点。

从2012年起,FinFet已经开始向20mm节点和14nm节点推进。

并且,依托FinEFT技术,芯片工艺节点制程已经发展到7nm,5nm甚至是3nm,也遇到了瓶颈。

而全环绕栅(GAA)是FinFET技术的演进,沟道由纳米线(nanowire)构成,其四面都被栅极围绕,从而再度增强栅极对沟道的控制能力,有效减少漏电。

与现在的7nm工艺相比,3nm工艺的具体指标表现为:可将核心面积减少45%,功耗降低50%,性能提升35%。

台积电2nm采用的GAA(Gate-all-around,环绕闸极)或称为GAAFET,它和FinFETs有相同的理念,不同之处在于GAA的栅极对沟道的四面包裹,源极和漏极不再和基底接触。

根据设计的不同,GAA也有不同的形态,目前比较主流的四个技术是纳米线、板片状结构多路桥接鳍片、六角形截面纳米线、纳米环。

三星对外介绍的GAA技术是Multi-Bridge Channel FET(MBCFET),即板片状结构多路桥接鳍片。

台积电同样采用MBCFET架构。台积电总裁魏哲家日前于玉山科技协会晚宴专讲时透露,台积电制程每前进一个世代,客户的产品速度效能提升30%- 40%,功耗可以降低20%-30%。

GAA可以带来性能和功耗的降低,但成本也非常高。市场研究机构International Business Strategies (IBS)给出的数据显示,28nm之后芯片的成本迅速上升。28nm工艺的成本为0.629亿美元,5nm将暴增至4.76 亿美元。三星称其3nm GAA 的成本可能会超过5亿美元

台积电:1nm芯片,没问题!

在“2020世界半导体大会”上,台积电南京公司总经理罗镇球表示,芯片制程工艺持续推进,摩尔定律仍将适用---3nm、2nm、1nm都没有什么太大问题。
 
罗镇球透露,2021年可以在市面上看到3nm的产品,台积电计划在2022年实现3nm产品的大规模量产。

据罗镇球透露,目前,台积电7nm工艺有超过140个产品在生产,同时,台积电还持续投入7nm+和6nm工艺。

公开资料显示,台积电南京公司成立于2016年,是台积电的全资子公司,下设有一座十二英寸晶圆厂和一个设计服务中心。该公司去年营收40亿元,同比增长170%。

台积电5nm、4nm、3nm、2nm芯片最新情况如下:

① 目前,台积电5nm芯片已经进入量产阶段良率推进远远好于3年前的7nm;
② 预计4nm芯片在2021年开始正式批量生产;
③ 台积电3nm芯片,性能可以再提升10-15%,功耗可以再降低25-30%。预计可以看到3nm芯片产品将在2022年进入大批量生产;
④ 此外,在日前召开的“台积电技术论坛”上,台积电透露了2nm芯片的最新布局---已经在新竹购买了土地用于建设2nm工厂和新的研发中心,投入8000多名工程师进一步推动2nm节点研发。

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