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半导体先进工艺制程之路:5纳米是个坎,3纳米复杂尚不确定

时间:2019-07-03 作者:莫大康编译 阅读:
摩尔定律象一盏明灯推动半导体业进步,特征尺寸缩小立下汗马功劳。然而现阶段尺寸缩小已近极限。不容置疑,全球代工业在进入逻辑制程7nm之后已经开始生变,由于研发费用及成本高耸等因素,2018年格罗方德与联电声言止步,因此导致全球只剩下台积电及三星两家在代工中争霸。
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摩尔定律象一盏明灯推动半导体业进步,特征尺寸缩小立下汗马功劳。然而现阶段尺寸缩小已近极限。从技术路径,自22nm及以下开始由平面晶体管进入三维FinFET结构,之后FinFET技术成为主导,有可能一直能推进至近3nm,届时晶体管的架构可能要改变,由FinFET转向环栅(GAA),纳米片(nanosheet)等架构。时至今日5nm技术已经在手,将于2020年开始试产,然而对于3nm技术,目前仍处于研发之中,一切尚待观察。

不容置疑,全球代工业在进入逻辑制程7nm之后已经开始生变,由于研发费用及成本高耸等因素,2018年格罗方德与联电声言止步,因此导致全球代工业中只剩下台积电三星英特尔及中芯国际四家在列,而其中的英特尔在商业代工业中是个“小角色”,以及中芯国际尚未明确它的时间表,所以全球只剩下台积电及三星两家在代工中争霸。ptZEETC-电子工程专辑

5纳米是个坎

众所周知,7nm是长寿命工艺节点之一,目前台积电及三星均称已经量产,而台积电宣称它拿到全球几乎100%的7nm订单。ptZEETC-电子工程专辑

台积电的5nm FinFET计划已经明朗,它计划2020年上半年开始试生产,估计真正的5nm量产要在2021年,或者之后。台积电的5nm技术相比7nm,它的速度快15%,及功耗低30%。TSMC计划它的5nm的第二个版本也将于2020年中期推出,预期它的速度能再快7%。ptZEETC-电子工程专辑

根据ICKnowledge及TEL的数据,基于FinFET技术,对于7nm的代工工艺,它的栅间距在56nm到57nm及金属连线间距在40nm。ptZEETC-电子工程专辑

与此同时,三星最近也高调推出了5nm,预计将于2020年上半年量产。与它的7nm相比,三星的5nm FinFET技术,与7nm相比它的速度有25%的增长,功耗降低20%,性能提高10%。ptZEETC-电子工程专辑

预计到2020年时,苹果、海思和高通等都将采用5纳米的产品设计,推动台积电加速向5nm技术过渡,”国际商业战略(IBS)首席执行官汉德尔˙琼斯(Handel Jones)表示。“到2020年第四季度时,TSMC 的5nm晶圆产能将达到每月40,000至60,000片。”ptZEETC-电子工程专辑

然而估计台积电5nm的订单会低于7nm。因为与7nm相比,5nm完全是一个全新的工艺节点,它需要新的EDA工具和IP等支持。这样导致5nm的成本会更高。根据Gartner的数据,一般来说,5nm产品的设计费用约2.1亿美元到6.8亿美元。ptZEETC-电子工程专辑

台积电首席执行官魏哲家在近期的一次电话会议上说:N6和N5的数字看起来很接近,但是仍有很大的差别。与N7相比,N5的逻辑密度增加了80%。而N6与N7相比仅为增加18%。因此,N5芯片的总功耗较低。如果愿意跟进N5,它有很多好处,而且是一个完整的工艺节点,但是客户需要时间来重新设计新的产品。而N6的美妙之处在于,如果他们已经用过N7的设计,那么只需花费很少的精力,就可以很快进入N6并获得一些好处。所以根据他们的产品特点和市场情况,(客户)将作出选择。ptZEETC-电子工程专辑

3纳米技术复杂尚不确定

IMEC的逻辑工程主管Naoto Horiguchi说:“5nm仍然是FinFET。“”然后,假设进入到N3时,可能会从FinFET过度到其他的器件架构,我们相信它是一种纳米片nanosheet。”ptZEETC-电子工程专辑

在 5nm之后,下一个完整技术节点为3nm,但是导入3nm是十分困难的。据IBS宣称,设计3nm产品的费用约5亿美元到15亿美元,及它的工艺开发费用约40亿美元到50亿美元,而如果要兴建一条生产线的运营成本约150亿美元到200亿美元。IBS的琼斯说:“基于相同的成熟度,3nm的晶体管成本预计将比5nm高出20%到25%。“与5nm FinFET相比,预期性能提高15%,功耗降低25%。ptZEETC-电子工程专辑

三星是迄今为止唯一宣布其3nm计划的公司。对于这个技术节点,代工将采用一种新的环栅(GAA)技术,或称为纳米片(nanosheet)。由于台积电尚未披露其计划,一些人认为它可能落后于三星。“在3nm,三星在2021年有很大的可能性开始大规模生产,”IBS的琼斯说。“台积电正在加速推进,试图缩小与三星的差距。”ptZEETC-电子工程专辑

而台积电此次3纳米的制程技术显得有些稳重,它仅宣称进入实验阶段。据报道为迎接它的3纳米厂研发及先期量产,中国台湾地区环保署于6月11日初审通过竹科宝山用地扩建计划。另外台积电也首度透露,预计把5年后(2024年)的2纳米厂研发及量产都落脚在竹科,以避免研发人才散落或外流的风险。ptZEETC-电子工程专辑

张忠谋先前曾表示,3纳米制程将在2年内开发成功,即使有“摩尔定律”失效挑战,2纳米仍可能在2025年前问世。ptZEETC-电子工程专辑

环栅极(GAA)的结构,顾名思义,是FinFET中的栅极被三面环绕的沟道包围,而在GAA中栅极将是被四面沟道包围,预期这样的结构将达到更好的供电与开关特性。只要静电控制能力增加,则栅极的长度微缩就能持续进行下去,摩尔定律重新获得延续的动力。ptZEETC-电子工程专辑

据报道,在纳米片的制程中,第一步是在衬底上交替的沉积薄的硅锗层和硅层的生长。在这种情况下,有硅,硅锗和硅堆,我们称之为超晶格结构,应用材料工程管理高级总监金南成(Namsung Kim)在最近的一次采访中说。因为有锗的含量,需要有一个良好的屏蔽衬层。”ptZEETC-电子工程专辑

这样每一个Stack由三层SiGe和三层硅组成。然后,在stack上设计微小的片状结构,紧接着再形成浅沟隔离结构,以及形成内间隔区(inner spacers)。ptZEETC-电子工程专辑

然后,在超晶格结构中去除硅锗层,在它们之间留下带间隔区的硅层。每一个硅层构成器件中的纳米片或者沟道的基础。下一步是为沉积高K材料作为栅极。在纳米片之间,有最小的间隔区。挑战在于如何沉积有功函数的金属厚度。ptZEETC-电子工程专辑

产业多年来一直在攻克环栅结构,仍存在一些挑战,最主要的挑战是什么,有两个。一个是间隔层,然后是底部的隔离。ptZEETC-电子工程专辑

业内人士进一步表示,台积电已经做出环栅极的结构,外型就像个园形鼓,因为尺寸比前一代缩小30%,它必须导入新材料InAsGe nanowire 或者 Silicon nanowire,因此制程技术上相当困难,尤其在蚀刻部分是个大挑战,不过以优势来说,环栅极的结构将可以改善ESD静电放电、且优化尖端放电的问题,材料厂的高管也认为,环栅极的结构可以继续微缩栅长尺寸。ptZEETC-电子工程专辑

什么时候过渡到环栅或纳米片?估计纳米片技术能再延伸2-3个工艺节点。ptZEETC-电子工程专辑

从研发角度,产业界正走一条在先进工艺节点时延伸环栅及FinFET结构。因为环栅结构与FinFET相比性能方面仅是适当的提高,如IMEC开初的纳米片工艺,栅间距42nm及金属线间距为21nm。相比5nm FinFET工艺时栅间距为48nm及金属线间距为28nm。ptZEETC-电子工程专辑

在实验室中IMEC已经开发出用锗作沟道的P型,双堆垒环栅的器件。几乎釆用同样的结构IMEC开发一个栅长近25nm的纳米线。它可以变成纳米片,如同之前的版本它的线宽为9nm。ptZEETC-电子工程专辑

在5nm以下锗可以起到延伸FinFET的功能,IMEC证明Ge n FinFET达到创记录的高Gmsat/SSsat及PBTI可靠性。它是通过改变栅的高k材料工艺来实现。ptZEETC-电子工程专辑

然而,仍有待观察的是FinFET技术能否会扩展到3nm,同样还不能预言纳米片是否会准时出现。事实上,在不断变化的环境中,存在许多未知和不确定性。ptZEETC-电子工程专辑

编后记:无论5nm,3nm都是先进工艺制程,技术十分复杂,其中许多本人也无法理解,因此错误难免,仅提供给大家作个参考,不当之处敬请指正。ptZEETC-电子工程专辑

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