芯片制程之戰 | 最燒錢的技術戰

21ic電子網 2020-05-16 00:00

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2 020年伊始，全球半導體先進制程之戰已然火花四射。從華為和蘋果打響7nm旗艦手機芯片第一槍開始，7nm芯片產品已是百花齊放之勢，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字，正是全球電子產品整體性能不斷進化的核心驅動力。

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

在全球備戰更先進制程的關鍵節點，本文圍繞晶體管五大關鍵環節，探討先進制程沖刺戰中的核心技術及玩家格局。

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

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

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

5nm方面，臺積電已經拿到蘋果和華為的手機芯片訂單。三星的5nm制程相對落后，正在與谷歌合作開發Exynos芯片組，將搭載于谷歌的Chrome OS設備、Pixel智能手機甚至中心數據服務器中。

3nm方面，臺積電預計2021年開始試生產，2022年開始量產。三星原計劃2021年量產3nm工藝，但受當前疫情影響，不量產時間可能會推遲。

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

更高的研發和生產對應的是更難的技術挑戰。每當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構、光刻、沉積、刻蝕、檢測、封裝等技術的創新與協同配合。

晶體管在芯片中起到開關作用，通過影響相互的狀態傳遞信息。

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

2011年，英特爾轉向22nm FinFET。相比平面晶體管，FinFET在工藝節點減小時，電壓縮放、切換速度和電流密度均顯著提升。

FinFET已經歷兩個工藝世代，臺積電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，FinFET也逼近了物理極限，為了制造出密度更高的芯片，環繞式柵極晶體管（GAAFET，Gate-All-Ground FET）成為新的技術選擇。不同于FinFET，GAAFET的溝道被柵極包圍，溝道電流比FinFET更加順暢，能進一步改善對電流的控制，從而優化柵極長度的微縮。

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

與現有GAAFET不一樣的是，在forksheet FET中，nFET和pFET都集成在同一結構中，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，由兩個單獨的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及相關的晶體管存在散熱等問題，需要在各環節更新技術和設備。

雕刻電路圖案的核心制造設備是光刻機，它的精度決定了制程的精度。光刻機的運作原理是先把設計好的芯片圖案印在掩膜上，用激光穿過掩膜和光學鏡片，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。

目前193nm浸沒式光刻是最成熟、應用最廣的技術，等到7nm及更先進的技術節點時，則需要波長更短的極紫外（EUV）光刻技術來實現制程。

Imec和ASML成立了聯合研究實驗室，專注于3nm節點的元件制造藍圖，根據ASML年報，他們將采用high-NA技術研發下一代極紫外光刻機，產品將有更高的分辨率、數值孔徑和覆蓋能力。值得一提的是，英特爾與ASML的光刻機設備的量產時間相吻合，大約在2024年前后。

Imec 重點投入的研發領域包括光罩的防塵薄膜技術、光阻技術、工藝優化。一方面，更高的光阻劑往往會增加缺陷率，另一方面，光罩防塵薄膜發展相對緩慢。

為了將微電子器件造的更小，必須把越來越多的電路放進更小的薄膜結構中，與半導體工藝兼容的刻蝕和沉積技術也需要隨著提升。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體、絕緣材料或半導體材料。刻蝕機根據印上去的圖案刻蝕，留下剩余的部分，芯片圖案就可以從光刻膠涂層轉移到了硅片上。

將材料以單原子膜形式一層一層的鍍在襯底表面就是所謂的原子層沉積（ALD）技術可將，選擇性沉積是一種先進的自對準圖案化技術，將化學方法與MLD工具結合在一起，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。不過目前區域選擇性沉積仍存在一定挑戰，有待持續研發。

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

芯片進入量產前需要對芯片進行檢測，就是使用各種系統來查找芯片的缺陷。晶圓檢測分為兩類：光學和電子束。光學檢查速度快，但分辨率受限；電子束檢測分辨率更好，但速度偏慢。

因此很多公司均在開發多光束電子束檢測系統，最好能以較高的速度發現最不顯眼的缺陷。 ASML開發了一種具有9條光束的電子束檢測工具。

芯片制造商還使用各種量測系統來測量芯片結構。微距量測掃描式電子顯微鏡（CD-SEM）進行自上而下的量測，光學CD系統則使用偏振光來表征結構。

被稱為臨界尺寸小角X射線散射（CD-SAXS）的X射線量測技術是一種無損量測技術，使用小光束尺寸的可變角度透射散射來量測，其優點是能提供更高的分辨率，避免了OCD參數相關性問題，且計算更加簡單。但X射線是由R＆D的大型同步加速器存儲環產生的，這對晶圓廠來說很不切實際。 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，其成本也是一個問題，該技術仍處于概念階段，X射線強度還將面臨挑戰。

封裝技術能讓內存更接近邏輯處理單元，提升信號傳輸速率和互聯密度。傳統方法是縮小節點上不同的芯片功能，并將它們封裝到一個單片芯片上。通過封裝可以低功耗并增加內存帶寬。在研發先進的封裝技術，以增加晶體管速度，從而提高整個系統性能的道路上，英特爾主推EMIB工藝，臺積電主推CoWoS工藝，三星主推FOPLP。