別了FinFET

作者：九林

2025年將是2nm的決戰(zhàn)之年。

當(dāng)晶圓代工還在推進(jìn)3nm時(shí)，2nm已經(jīng)橫空出世。一個(gè)曾經(jīng)遙遠(yuǎn)的目標(biāo)，隨著摩爾定律的發(fā)展正在被臺(tái)積電、英特爾、三星等巨頭競(jìng)相追逐。

從各大巨頭公布的進(jìn)展來看，2025年將是2nm的決戰(zhàn)之年。

2nm的追逐之戰(zhàn)

在2nm的征戰(zhàn)中，臺(tái)積電、英特爾、三星從未缺席。

臺(tái)積電一直走在先進(jìn)制程的前列。根據(jù)臺(tái)積電2021年的財(cái)報(bào)顯示，5nm晶圓出貨量占據(jù)了總營(yíng)收的20%，7nm工藝技術(shù)占30%，也就是說先進(jìn)制程芯片代工貢獻(xiàn)了一半營(yíng)收。

因此，臺(tái)積電對(duì)于先進(jìn)制程的重視不言而喻。臺(tái)積電官方曾表示，其到2025年預(yù)計(jì)投入440億美元用于研發(fā)，八成費(fèi)用將用于先進(jìn)制程。

在先進(jìn)制程的路線圖中，臺(tái)積電第一代3nm（N3）將于今年下半年量產(chǎn)，2nm將于2025年量產(chǎn)。在場(chǎng)地方面，臺(tái)積電已經(jīng)宣布將花費(fèi)1萬億新臺(tái)幣（約2290億元人民幣）在臺(tái)中擴(kuò)大2nm產(chǎn)能布局。目前臺(tái)積電的首個(gè)2nm（新竹N2廠）正在申請(qǐng)土地使用權(quán)，計(jì)劃于今年三季度動(dòng)工。

英特爾同樣進(jìn)行了巨額的投入，在俄亥俄州宣布要投入200億美元興建晶圓廠，以及在歐洲投入360億美元設(shè)廠。

英特爾已承諾到2025年重新獲得芯片制造技術(shù)的領(lǐng)先地位。在2021年年中首次披露了其1.8nm技術(shù)——它稱之為18A技術(shù)。今年，英特爾首席執(zhí)行官Pat Gelsinger表示，這項(xiàng)技術(shù)“比計(jì)劃提前了六個(gè)月”，并將時(shí)間表提前到了2024年底。

面對(duì)先進(jìn)制程的研發(fā)，三星在投資方面也毫不手軟，宣布在未來三年內(nèi)投資創(chuàng)紀(jì)錄的2050億美元，以保證在芯片制造領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

三星電子今天宣布，已開始初步生產(chǎn)采用全環(huán)柵極 (GAA) 晶體管架構(gòu)的3nm工藝節(jié)點(diǎn)。另外，三星也將2nmGAA工藝的量產(chǎn)時(shí)間定在2025年。

但是，良率問題已經(jīng)成為圍繞三星的陰影。在全球5／7nm工藝的主要客戶中，只有高通、英偉達(dá)和IBM表示愿意采用三星電子的先進(jìn)工藝技術(shù)，蘋果、聯(lián)發(fā)科、AMD、英特爾、博通都與臺(tái)積電保持穩(wěn)定的合作關(guān)系。在3nm的研發(fā)中，三星也多次因?yàn)榱悸蔬^低推遲宣布正式的大規(guī)模生產(chǎn)。

2nm的全球渴望

面對(duì)2nm的誘惑，全球各地都在發(fā)力。

在美國(guó)方面，IBM在5月7日宣布了關(guān)于2nm的進(jìn)展，聲稱其已打造出全球首個(gè)2nm芯片制造技術(shù)。但是IBM公布的只是實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的預(yù)研項(xiàng)目，距離量產(chǎn)還有很遠(yuǎn)的距離。

日本則傳出消息，想和美國(guó)合作研發(fā)2nm工藝制程，計(jì)劃最早2025年在日本啟動(dòng)2nm制程國(guó)內(nèi)制造基地。

歐盟同樣想?yún)⑴c2nm的賽道。去年12月，19個(gè)歐盟成員國(guó)簽署了一項(xiàng)聯(lián)合聲明，以“加強(qiáng)歐洲開發(fā)下一代處理器和半導(dǎo)體的能力”進(jìn)行合作。其中包括為各行各業(yè)的特定應(yīng)用提供最佳性能的芯片和嵌入式系統(tǒng)，以及向處理器技術(shù)的2nm節(jié)點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)先制造技術(shù)。

歐盟希望在2030年，歐洲先進(jìn)和可持續(xù)半導(dǎo)體的生產(chǎn)總值至少占全球生產(chǎn)總值的20%，較2020年提升一倍，制程瞄準(zhǔn)2nm，能效達(dá)到今天的10倍。

GAA是2nm的最終選擇？

關(guān)于2nm的結(jié)構(gòu)選擇一直是業(yè)內(nèi)爭(zhēng)議，每家公司都有不同的理念。GAA、Nanosheet和VTFET、CFET、2DTMD和CNT等新結(jié)構(gòu)都曾出現(xiàn)在各大巨頭的演講稿中。

但面對(duì)2nm制程，臺(tái)積電、三星、英特爾都不約而同的選擇了GAA晶體管——納米片F(xiàn)ET（英特爾稱其為RibbonFET）。

三星是全球第一家使用GAA技術(shù)的公司，從5nm節(jié)點(diǎn)的finFET遷移到3nm節(jié)點(diǎn)的GAA。三星希望在GAA時(shí)代的競(jìng)爭(zhēng)中獲得一席之地。該公司宣布將在2022年推出3nmGAA的早期版本，而其“性能版本”將在2023年出貨。

相比之下，英特爾和臺(tái)積電計(jì)劃在3nm擴(kuò)展finFET，然后在2nm轉(zhuǎn)移到GAA。臺(tái)積電在3nm時(shí)保留了FinFET結(jié)構(gòu)，從而降低風(fēng)險(xiǎn)。臺(tái)積電的3nm是其5nm平臺(tái)的全尺寸版本，但復(fù)雜度更高。

臺(tái)積電的全環(huán)繞柵極式納米片電晶體管（GAA nanosheet transistors），晶體管的通道在所有四個(gè)側(cè)面都被柵極包圍，從而減少了電能泄漏。這在當(dāng)下晶體管體積越發(fā)接近原子體積時(shí)，將會(huì)越來越突出。

采用GAA架構(gòu)，可以解決FinFET因制程微縮產(chǎn)生電流控制漏電的物理極限問題。與FinFET晶體管（下圖紅線）相比，Nanosheet（下圖藍(lán)線）能夠?qū)崿F(xiàn)更嚴(yán)格的閾值電壓（Vt）控制。

來源：臺(tái)積電

去年宣布研制出2nm芯片的IBM同樣選擇了納米片工藝，在IBM的研究中納米片也表現(xiàn)出更優(yōu)秀的特性。

更高的計(jì)算性能和更低的功耗：由于GAA中更好的靜電控制和更高的封裝密度，納米片提供了更好的功率性能設(shè)計(jì)點(diǎn)。與代工廠現(xiàn)有的最新最好的7nm FinFET技術(shù)相比，納米片技術(shù)在相同功率下提供超過25%的性能提升，或在相同性能下節(jié)省超過50%的功率。

更流線型設(shè)計(jì)的可變片寬：值得注意的是，納米片技術(shù)是人工智能和5G時(shí)代計(jì)算機(jī)產(chǎn)品更好的架構(gòu)材料，因?yàn)樗ㄟ^極紫外光刻(EUV)實(shí)現(xiàn)了可變片寬。這使得器件設(shè)計(jì)更加通用，因?yàn)榫哂胁煌ǖ缹挾鹊募{米片器件可以共同集成在同一芯片中，以進(jìn)一步優(yōu)化功率性能。

通道厚度控制：增加納米片堆棧的通道層可以創(chuàng)建用于通道形成的原子級(jí)控制。FinFET不可能實(shí)現(xiàn)如此精確的溝道厚度控制，因?yàn)樗怯?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/509767.html">光刻技術(shù)和RIE定義的，其中局部和全局工藝變化遠(yuǎn)高于外延厚度變化。

也正因如此，Nanosheet GAA或許會(huì)成為2nm的未來選擇。

EUV光刻機(jī)的激烈競(jìng)爭(zhēng)

工欲善其事，必先利其器。

在2nm的研發(fā)中，高NA的EUV光刻機(jī)是制造的關(guān)鍵設(shè)備。使用13.5nm波長(zhǎng)EUV已被用于在7nm和5nm處對(duì)微小特征進(jìn)行圖案化。下一代版本High-NA EUV正在研發(fā)中，需要對(duì)3nm以上的更精細(xì)特征進(jìn)行圖案化。因此，下一代光刻機(jī)花落誰家也成為是否能量產(chǎn)2nm工藝的關(guān)鍵。

而按照ASML的數(shù)據(jù)，2021年一共出貨48臺(tái)EUV光刻機(jī)，其中，三星購(gòu)得15臺(tái)，臺(tái)積電為20臺(tái)，另外的13臺(tái)則被英特爾、美光、SK海力士等廠商分走了。

而2022年，預(yù)計(jì)可以交付51臺(tái)EUV光刻機(jī)，這51臺(tái)就是三星、臺(tái)積電、英特爾們爭(zhēng)搶的重點(diǎn)。

英特爾早已搶下ASML下一代芯片制造系統(tǒng)TwinscanEXE：5200，其吞吐量超每小時(shí)220片晶圓（wph），預(yù)計(jì)將在2024年交付并投入使用。TwinscanEXE：5200相較于其他光刻機(jī)無論是生產(chǎn)能力（每小時(shí)生產(chǎn)超過200片晶圓）還是精度（0．55數(shù)值孔徑）都有較大提高，這意味著誰擁有了便擁有了3nm，甚至是2nm時(shí)代的芯片霸權(quán)。

臺(tái)積電研發(fā)高級(jí)副總裁米玉杰在上述研討會(huì)上表示：“臺(tái)積電將在2024年引入Hign-NA EUV光刻機(jī)，以開發(fā)客戶所需的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施和圖案化解決方案，并推動(dòng)創(chuàng)新。”盡管之后其表示，臺(tái)積電不會(huì)在2024年準(zhǔn)備使用新的High-NA EUV工具進(jìn)行生產(chǎn)，將主要用于與合作伙伴進(jìn)行研究。

但Tech Insights芯片經(jīng)濟(jì)學(xué)家Dan Hutcheson說："臺(tái)積電在2024年擁有它，意味著他們可以更快地獲得最先進(jìn)的技術(shù)。”

三星方面，三星集團(tuán)副會(huì)長(zhǎng)、三星集團(tuán)實(shí)際控制人李在镕最近訪問歐洲，拜訪ASML。外界認(rèn)為，李在镕此舉最重要的目標(biāo)是，向ASML買到自己需要的EUV光刻機(jī)，以保證晶圓代工業(yè)務(wù)的順利進(jìn)行。

3nm仍將是主流

在摩爾定律的繼續(xù)推動(dòng)下，工藝制程或許還會(huì)縮小。從IMEC展示的最新路線圖中，最遠(yuǎn)能夠看到2036年的0.2nm工藝。

實(shí)際上，從目前臺(tái)積電公布的性能提升來看，2nm之于3nm的提升，似乎不如3nm之于5nm。在同等能耗和復(fù)雜度下，N2的性能比N3高10%-15%。在相同速度和單位面積晶體管平均數(shù)目下，N2的能耗比N3低25%-30%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到摩爾定律密度翻倍的要求。

如果按照摩爾定律2年升級(jí)一代的水平發(fā)展的，未來芯片工藝還可以迭代下去。但就目前來說，3nm仍然將是長(zhǎng)期的主流。

在2020年的ISSCC上，IMEC的Nadine Collaert女士提到，在3nm以下，很難再使得單個(gè)晶體管的性能再有提升，能做的只是提高集成度，降低功耗。所以從3到2，優(yōu)化的程度可能并沒有那么明顯。

臺(tái)積電也表示與N7和N5節(jié)點(diǎn)一樣，N3將成為臺(tái)積電另一個(gè)持久節(jié)點(diǎn)系列。尤其臺(tái)積電2nm節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)向納米片GAAFET技術(shù)，3nm節(jié)點(diǎn)系列將成為經(jīng)典先進(jìn)FinFET技術(shù)最后一個(gè)系列，許多客戶預(yù)定還會(huì)采用幾年或更久。臺(tái)積電業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Kevin Zhang表示：“我們確實(shí)相信3nm將是一個(gè)長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)。我們將繼續(xù)看到該節(jié)點(diǎn)的大量需求。”

這也是為何臺(tái)積電推出N3制程系列及FinFlex技術(shù)的原因。

實(shí)際上，我們沒有必要過于神化先進(jìn)工藝帶來的變化，摩爾定律總有一天發(fā)展到盡頭，但正如得胡正明先生說：“只要做出更加智慧的器件，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)就會(huì)繼續(xù)發(fā)展向前。”