三大晶圆厂的先进工艺进击之路

先进工艺发展到今天，要拼的东西越来越多，尤其是5nm之后，不论是设备、材料、成本甚至是工艺本身都将发生质的飞跃。

例如在推进摩尔定律发展的过程中，EUV制造设备显得格外重要；FinFET逐渐失效之后，GAA逐渐登上历史舞台。只要摩尔定律不死，制程之战将永不停息。这几年三星和台积电打的火热，英特尔则在一旁暗自蓄力。近日，ASML在IEDM会议上“误读”英特尔的工艺路线图，更是吸引了读者面对晶圆制造商未来发展的巨大兴趣。

下面我们看一下三大晶圆厂台积电、三星和英特尔的工艺路线图。

细看三家路线图

英特尔相信摩尔定律，恢复两年的节奏

众所周知，英特尔在10nm工艺技术上延迟多年，不过近些时候他们似乎已经重回轨道。相关报道指出，英特尔正在尝试尝试恢复通常的2年节奏，并已开始加速10nm工艺。在IEDM会议上，ASML首席执行官Martin van den Brink还特意从设备供应商角度对英特尔的工艺路线图发表了自己的观点 。

图注：上图为ASML在英特尔原图的基础上增加了节点

首先我们需要强调一下，根据ANANDTECH的报道指出，ASML所演示的节点演进的ppt（上图）是在英特尔今年9月发布的内容的改版，ASML在幻灯片上添加了动画，使得日期的最下面一行对应于特定的节点。而英特尔的原始幻灯片，没有详细说明哪个节点在哪一年。

英特尔预计其制造工艺节点技术将有两年的周期，从2019年的10nm开始，到2021年的7nm EUV，然后在2023年、2025年、2027年、2029年的每一年都有一个基本的新节点。最后一个节点被ASML称为“1.4nm”，这也是第一次在有厂商提到1.4nm工艺。

但按照Intel所说，在每个流程节点之间，将会有迭代的+和++版本，以便从每个流程节点提取性能。唯一的例外是10nm，因为它已经在10nm+上了，故明年会推10nm++，2021年推10nm+++。英特尔相信，他们可以在一年的周期内做到这一点，但也有重叠的团队，以确保一个完整的进程节点可以与另一个节点重叠。

在IEDM会上，ASML还提到了向后移植。何谓向后移植？这是芯片在设计时考虑到一个进程节点的能力，但可能由于延迟，需要在相同的时间内在一个较老的“++”版本的进程节点上重新设计。尽管Intel声明他们正在将芯片设计从流程节点技术中分离出来，但在某种程度上，为了在硅中开始布局，必须对流程节点做出承诺。

上图表明英特尔将允许这样一个工作流程，任何第一代7nm设计可以回移植到10nm+++，未来Intel的5nm来自于基础的7nm设计，3nm来自于5nm。我们已经看到Intel的10nm需要很长一段时间才能完成，所以期望Intel每年更新一次+，两年更新一次主要过程技术节点，将会是一个非常乐观和积极的节奏策略。

ANANDTECH还报道到，从上述中我们也可以看出，英特尔仍然相信摩尔定律，只是不要问它会花多少钱。

台积电工艺节点频频告捷

台积电的工艺研发速度在业界看来是很快的，尤其是对EUV工艺的掌握。在晶圆代工领域，台积电毫无疑问是绝对的王者，而其工艺路线图的布局也是相当紧凑。目前其5nm进入量产倒计时，3nm进展顺利，再往后就是2nm。

图源：wikichip

整体来看，据wikichip报道指出，台积电的10纳米节点(N10)节点被认为是一个寿命较短的节点，主要用于yield-learning。台积电认为他们的7纳米节点是目前最先进的逻辑技术。除了少数关键客户外，台积电的大部分客户据说都是从N16直接转到N7。当从N16到N7时，N7提供3.3倍的路由门密度，以及大约35-40%的速度改进或降低65%的功率。

在N7基础上，台积电推出了N7P和N7+，N7P与N7+不能混淆。N7P是一个优化的、基于DUV的流程，它使用相同的设计规则，并且与N7完全兼容。N7P引入了FEOL和MOL优化，据说在等功率时性能提高7%，在等速度时性能降低10%。N7 +是他们的第一批在某些关键层采用EUV的工艺技术。与他们的N7工艺相比，N7 +的密度提高了约1.2倍。据说N7 +在等功率情况下可提供10％的更高性能，或者在等功率情况下可降低15％的功率。这样看来，N7+似乎比N7P更好一些。

N6的EUV相当于N7。它计划比N7+使用更多的EUV层。它既是设计规则，也是与N7兼容的ip，是大多数客户的主要迁移路径。N7的设计可以重新粘贴到N6上，利用EUV掩模和保真度的改进，或者重新实现，利用poly over diffusion edge (PODE)和continuous diffusion (CNOD)标准单元基台规则，据说可以提供额外18%的密度改进。值得强调的是，N6的独特之处在于，它将在明年年初进入风险生产阶段，并在2020年年底达到峰值。这意味着它会在N5之后倾斜。因此，台积电表示，N6是建立在N7+和N5 EUV的基础上的。

台积电5纳米制程是N7之后的下一个“完整节点”。N5同时使用深紫外线（DUV）和极紫外线（EUV）光刻技术。N5可以在14层上使用EUVL来显著提高密度，N7+是在4个非关键层上使用EUVL，这可以说是一个切实的进步。

N5技术将允许芯片开发商将其设计的芯片面积缩小约45%，使晶体管密度提高约1.8倍。它还能在相同的复杂性和功率下增加15%的频率或在相同的频率和复杂性下减少20%的功耗。N5在今年第一季度进入风险生产，他们预计这一过程将在2020年上半年加速。和N7一样，N5将有两种类型——移动客户端和高性能计算。N5被规划为一个长期存在的节点，预计在收入方面，它将比N7增长得更快。

与他们的7纳米工艺一样，台积电将提供他们N5工艺的一个优化版本，称为N5性能增强版(N5P)。这个过程使用相同的设计规则，并且与N5完全兼容。通过FEOL和MOL优化，N5P在等功率时比N5的性能提高7%，在等功率时比N5的性能降低15%。他们对N5P的时间表稍微模糊了一点，但他们有时会在2020年底或2021年初做出暗示。

台积电表示，他们的3纳米工艺进展顺利，已有客户参与进来。台积电对外宣称，3nm是全新的节点，不是5nm的延伸。另外，N3有望在2022年左右推出。

三星发力四大主要节点

相比于台积电和英特尔，三星的路线图是风险最低的。

根据wikichip最新的报道，三星仍坚持他们几年前概述的战略——生产四个主要节点，即14nm、10nm、7nm以及3nm。因其每个进化节点都是高度增量的，通常只引入单个更改。这使得他们可以通过剥离一些之前引入的扩展助推器，并在后续节点上添加它们来降低新节点的风险。但这样做的缺点是，三星的主要节点之间的间隔相当大，在PPA方面，它们落后于台积电。

例如在今年的路线图中的第一个修改是插入一个新的6纳米节点。另一个变化是删除了4LPP节点，只在路线图上留下了4LPE。最后，三星将3GAAE和3GAAP更名为3GAE和3GAP。

从路线图可以看出，三星主要在7LPP上下功夫，其中6LPP是三星7LPP的改进版，具有更高的晶体管密度，更低的功率，但可以重新使用最初为7LPP设计的IP。然后就是5LPE，三星计划将5nm作为第二代EUV工艺。

但5LPE确实引入了一些新的增强功能。根据wikichip的估计，三星5 nm节点UHD单元的密度已达到接近130 MTr /mm²，这是第一个超过英特尔10纳米节点和台积电7纳米节点的三星节点。三星预计在今年下半年推出使用其5LPE技术的首批芯片，并预计在2020年上半年批量生产。

三星7LPP演进的顶峰将是公司的4LPE技术(可能4LPP不在最新的三星路线图中)。三星将在今年下半年完成其开发，所以预计第一批流片将在2020年推出，并在2021年批量生产，ANANDTEC报道中指出。

真正发生重大变革的是3nm节点，因为3nm开始三星将放弃FinFET转向GAA晶体管，第一代是3GAE工艺，还有优化版3GAP工艺，后续还在继续优化改良中。

EUV光刻机是关键一环

在这三家厂商的演进过程中，EUV光刻机是关键的一环，而台积电、三星和英特尔三家均计划在其生产路线图中采用EUV。但台积电无疑是EUV光刻技术的领先者。今年10月，台积电宣布其7nm plus（N7 +）节点已成为业界首个商业化的EUV技术。N7 +是他们的第一批在某些关键层采用EUV的工艺技术。

Arete Research高级分析师Jim Fontanelli也表示，台积电在EUV领域处于领先地位，无论是所用的工具还是订购的工具，生产的商用EUV晶圆的数量，还是将EUV集成到他们未来的路线图中。

根据拓璞公布的数据预计，今年台积电的7nm（包括EUV）晶圆产能大概在10-11万片/月。主要客户有：AMD、海思、苹果、高通、赛灵思、英伟达等。今年三星7nm LPP（EUV）工艺的晶圆产能大概在1万张/月，只有台积电的1/10左右。

三星在EUV上的布局也很早，早在2018年10月，三星就利用其7nm EUV工艺技术开始大规模生产芯片。今年4月，三星宣布已经完成了其第一代5nm制造工艺（5LPE）的开发，该制造技术使用极紫外光刻（EUVL），与7nm工艺（称为7LPP）相比，可以提供显着的性能，功率和面积优势。

三星预计，到2020年，5nm将成为其主要的EUVL节点，这可能是因为该技术能够为多种应用提供众多好处，而三星的EUV收益率将会更高，这主要是因为三星在华城建造EUV生产线后，在未来几个月将拥有更多的EUV产能，该工厂耗资46.15亿美元，预计2020年开始大批量生产。

这些年来，英特尔在EUV研究方面一直是最积极的。在最近的IEDM会议上，ASML首席执行官Martin van den Brink所披露的英特尔的工艺路线中，5nm被列为2023年的节点，大约在这个时候，ASML将开始销售其“High NA”EUV机器，以帮助英特尔在制造过程中更好地定义路径。

此前VLSI Research首席执行官Dan Hutcheson曾表示:“在这三家公司中，英特尔是一个谜，因为它没有销售方面的理由来宣传自己在做什么，而英特尔一向擅长把自己的litho工具推向一个节点。他们在确信EUV已经准备好投入生产之前不会宣布。”

未来晶体管的选择

半导体工艺制程在进入32nm以下的节点后，每一步都艰辛无比。首先是平面晶体管的失效，从技术发展角度来看，平面晶体管在尺寸缩小至22nm后，势垒隧道效应导致了电流泄露，漏电流控制将变得很困难。而FinFET无疑是一个巨大的成功，尽管FinFET的发明要早于10多年，但它最早是在2011年由英特尔、三星、台积电等公司在22nm节点上商业化推出的。从那时起，在摩尔定律定标的最后阶段，它就成了前沿硅逻辑的主力。

但随着尺寸减小，来到5nm和3nm以后，FinFET也不能胜任这项任务，FinFET本身的尺寸已经缩小至极限，无论是鳍片距离、短沟道效应、还是漏电和材料极限都使得晶体管制造难上加难，甚至物理结构都无法完成。

此时新型晶体管如GAA、二维晶体管、纳米片晶体管成为业界考虑的新方向。其中GAA技术已经受到三星、台积电、英特尔的青睐，并且有的已开始试产。

平面晶体管与finFET与纳米片FET。资料来源：三星

在GAA方面，三星表现最为突出，三星认为3纳米是其下一个主要工艺技术节点，计划将基于纳米片的Gate-All-Around MBCFET晶体管用于自己的3nm（3GAAE）工艺技术，这也是首个将使用GAA工艺的节点。今年4月份，三星为其3纳米GAA工艺发布了其首个工艺设计套件（PDK）-版本0.1，预期2021年量产。

国际商业战略首席执行官Handel Jones表示，由于三星对包括石墨烯在内的先进材料的研发投入巨大，三星在台积电方面的GAA领先优势约为一年。Jones说：“三星在3纳米GAA中处于领先地位，其主要优势是由于内部可获取纳米片结构材料。”

台积电虽然没有像三星那样直接给出官方说明，但是也已经开始GAA相关技术的研发和试产。台积电计划在5纳米节点上推出其GAA技术版本，但尚未宣布将该技术投入生产的目标日期。业内人士表示，台积电也已经完成了环绕式闸级结构晶体管的生产，但是采用的是圆形鳍柱，其典型尺寸比现有工艺缩小了30%。

二维晶体管也被看做是延续摩尔定律的最佳候选之一。根据Nature自然科研的报道分析，因三维晶体管普遍面临着相同的问题，电子一般难以在纳米厚度的沟道内迁移，沟道表面的缺陷也会导致电荷散射，减慢电子流动速度。而单原子层的二维材料有望使晶体管进一步缩小，由于它们的“垂直”维度有限，且表面平整没有缺陷，因而电子不易发生散射，电荷也能相对自由地在其中流动。

IEEE SPECTRUM报道指出，纳米片晶体管是摩尔定律的下一步，也许是最后一步。作者Peide Ye在文中写到，Nanosheet设备计划于2021年用于3纳米节点。2006年，法国CEA-Leti的工程师们提出使用一堆薄薄的硅板来连接电源和排水管，而不是使用一堆纳米线。这个想法是在一个更小的晶体管中增加通道的宽度，同时保持对泄漏电流的严格控制，从而提供一个性能更好、功率更低的器件。

2017年IBM进一步研究了这一概念，表明由堆叠纳米薄片制成的晶体管实际上比占同样芯片面积的FinFET提供更多的Weff。同时堆叠的纳米片对于化合物半导体（如砷化铟镓）和硅替代品（如锗）也显示出了广阔的前景。

图源：IBM

除此之外，纳米片的设计还提供了一个额外的好处：它恢复了向FinFET过渡时失去的灵活性。可以将片材变宽以增加电流，也可以做成窄的以限制功耗。IBM Research已经将它们堆叠在一起，尺寸从8纳米到50纳米不等。

总而言之，堆叠纳米片似乎是未来制造电晶体的最佳方式。芯片制造商已经对这项技术有足够的信心，可以在不远的将来将其纳入自己的路线图。随着高迁移率半导体材料的集成，纳米片晶体管可以把我们带到任何人现在都能预见的遥远未来。Peide Ye在文章中写到。

至于未来晶体管的发展方向如何，笔者的观点是“行到水穷处，坐看云起时”。

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