半导体巨头如何拼了老命为摩尔定律延寿

谈起半导体技术的发展，总是回避不了“摩尔定律”这四个字——当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18~24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。
芯片的制造工艺常常用XXnm来表示，比如Intel最新的六代酷睿系列CPU就采用Intel自家的14nm++制造工艺。所谓的XXnm指的是集成电路的MOSFET晶体管栅极的宽度，也被称为栅长。栅长越短，则可以在相同尺寸的硅片上集成更多的晶体管。
目前，业内最重要的代工企业台积电、三星和GF（格罗方德），在半导体工艺的发展上越来越迅猛，10nm制程才刚刚应用一年半，7nm制程便已经好似近在眼前，上个月雷锋网刚刚还报道过下一代iPhone A12处理器将使用台积电7nm制程生产的消息。
在业界盛行的摩尔定律将死的论调下，如此猛烈的突击7nm制程需要克服怎样的困难？几方大佬又是如何布局这一关键节点？

半导体工艺的Tick-Tock
Tick-Tock，是Intel的芯片技术发展的战略模式，在半导体工艺和核心架构这两条道路上交替提升。半导体工艺领域也有类似的形式存在，在14nm/16nm节点之前，半导体工艺在相当长的历史时期里有着“整代”和“半代”的差别。
在戈登·摩尔提出著名的摩尔定律后，半导体产业一直坚持以18个月为周期升级半导体工艺。直观结果是，制程演进一直在以大约0.7的倍数逐级缩减，如1000nm->700nm->500nm->350nm->250nm等。
而在制程迈过180nm节点后，台积电等代工厂提出了一种相比Intel的制程缩减0.9倍的工艺。这种工艺可以在不对产线进行大改的同时，提供1.24倍电路密度的芯片。Intel对此等技术非常不感冒，还为其挂上了半代工艺的名号。
自此，Intel和IBM制造技术联盟（包括三星和GF等）依然严格按着180nm->130nm->90nm->65nm->45nm->32nm->22nm的步调前行（三星和GF在32nm后转向28nm），而台积电等半导体晶圆代工厂则走上了150nm->110nm->80nm->55nm->40nm->28nm->20nm的路线。

制程演进
不过当半导体工艺继续向前演进时，由于随着晶体管尺寸逐渐缩小至接近物理极限，在各种物理定律的束缚下，半导体工厂如同戴着镣铐跳舞，因此在几家厂商纷纷出现“异常状况”：本应属于整代工艺的16nm制程被台积电所用，Intel的14nm制程字面上却应该属于半代工艺的范畴。再接下来，几家则不约而同的选择了10nm->7nm->5nm的路线，整代和半代的区别自此成为历史。
也正是因为这个原因，半导体厂商们进军7nm制程的道路并不顺利，还需要掀翻“光刻”、“晶体管架构”和“沟道材料”三座大山。

工欲善其事，先搞光刻机
作为半导体工艺中最具代表性的，光刻技术可称为现代集成电路上最大的难题，没有之一。
所谓光刻其实很好理解，就是让光通过掩膜投射到涂抹了光刻胶的硅片上，将电路构造印在上面，类似于“投影描图”，只是描图的不是人手，而是机器，照射图样的也不再是可见光，而是紫外线。

目前半导体生产中使用的是波长193nm的深紫外（DUV）光刻。实际上，在制程发展到130nm之前，人们就曾指出193nm深紫外光会发生严重的衍射现象而无法继续使用，需要换用波长为13.5nm的极紫外（EUV）光刻才能继续缩小半导体工艺。
EUV的研发始于20世纪90年代，最早希望在90nm制程节点投入应用，然而EUV光刻机一直达不到正式生产的要求。无奈之下，人们只能通过沉浸式光刻、多重曝光等手段，将DUV一路推进到了10nm阶段。
目前ASML的EUV光刻机使用40对蔡司镜面构成光路，每个镜面的反光率为70%。这也就是说，EUV光束通过该系统中的每一对镜面时都会减半，在经过40对镜面反射后，只有不到2%的光线能投射到晶元上。

到达晶圆的光线越少，光刻所需的曝光时间就越长，相应的生产成本也就越高。为了抵消镜面反射过程中的光能损耗，EUV光源发出的光束必须足够强，这样才能与现在非常成熟的DUV光刻技术比拼时间成本。
但是多年以来，光照亮度的提升始终未能达到人们的预期，ASML的EUV产品市场负责人Hans Meiling曾表示，人们严重低估了EUV的难度。正在实验中的EUV光源焦点功率刚刚达到250瓦，可以支撑机器每小时处理125个晶片，效率仅有现今DUV的一半。

如果再加上价格和能耗，EUV取代DUV还会更加艰难。最新的EUV光刻机价格超过1亿欧元，是DUV光刻机价格的二倍有余，且使用EUV光刻机进行批量生产时会消耗1.5兆瓦的电力，远超现有的DUV光刻机。
ASML方面表示，EUV光刻设备尚未彻底准备完成，最快也要到2019年才能应用于正式生产，因此几大半导体代工厂均在DUV+多重曝光技术上继续深挖，以求撑过EUV光刻机的真空期。

通过DUV+多重曝光或EUV光刻缩小栅极宽度，进而刻画出更小的晶体管，只是实现7nm的关键要素之一。随着半导体工艺的发展，半导体沟道上的“门”会在尺寸进入亚原子级后变得极不稳定，这需要换用全新晶体管架构和沟道材料来解决。

根据三星在CSTIC大会的报告，GAAFET（Gate All Around）是7nm制程节点上最好的选择。GAAFET是一个周边环绕着gate的FinFET，和目前垂直使用fin的FinFET不同，GAAFET的fin设计在旁边，能够提供比普通FinFET更好的电路特性。

此外在进入7nm工艺时，半导体中连接PN结的沟道材料也必须要作改变。由于硅的电子迁移率为1500c㎡/Vs，而锗可达3900c㎡/Vs，同时硅器件的运行电压是0.75~0.8V，而锗器件仅为0.5V，因而锗在某一时期曾被认为是MOSFET晶体管的首选材料，IBM实验室的第一块7nm芯片使用的就是Ge-Si材料。
IMEC（微电子研究中心）对新的掺锗材料进行了研究，筛选出两种可用于7nm的沟道材料：一种是由80%锗组成的PFET，另一种是25%到50%混合锗的FET或0到25%混合锗的NFET。

但是近来，III-V族材料开始受到厂商的更多关注。III-V族化合物半导体拥有更大的能隙和更高的电子迁移率，可以让芯片承受更高的温度并运行在更高的频率上。且现有硅半导体工艺中的很多技术都可以应用到III-V族材料半导体上，因此III-V族材料也被视为取代硅的理想材料。

7nm群英会
了解了3大技术难题后，我们来看看几大半导体代工厂分别如何部署7nm制程节点。

三星
作为芯片代工行业的后来者，三星是“全球IBM制造技术联盟”中激进派的代表，早早就宣布了7nm时代将采用EUV。今年4月，三星刚刚宣布已经完成了7nm新工艺的研发，并成功试产了7nm EUV晶元，比原进度提早了半年。
据日本PC WATCH网站上後藤弘茂的分析，三星7nm EUV的特征尺寸为44nm36nm（Gate PitchMetal Pitch），仅为10nm DUV工艺的一半左右。

除了一步到位的7nm EUV外，三星还规划了一种8nm制程。这个制程实际上是使用DUV光刻+多重曝光生产的7nm制程，继承所有10nm工艺上的技术和特性。
由于DUV光刻的分辨率较差，因而芯片的电气性能不如使用7nm EUV，所以三星为其商业命名为8nm。从这一点来看，8nm相比现有的10nm，很可能在晶体管密度、性能、功耗等方面做出了终极的优化，基本上可看做深紫外光刻下的技术极限了。

此外，三星在7nm EUV之后，还规划了使用第二代EUV光刻技术的6nm制程，它和8nm同样是商业命名，属于7nm EUV制程的加强版，电气性能会更好。
根据三星的路线，三星将于今年下半年试产7nm EUV晶元，大规模投产时间为2019年秋季。8nm制程大约在2019年第一季度登场，而6nm制程应该会在2020年后出现。

台积电
相比三星直接引入EUV光刻的激进，台积电在7nm上选择了求稳路线，并没有急于进入极紫外光刻时代。台积电表示将继续使用DUV光刻，利用沉浸式光刻和多重曝光等技术平滑进入7nm时代，然后再转换到EUV光刻。
台积电使用DUV光刻的第一代7nm FinFET已经在2017年第二季度进入试产阶段。与目前的10nm FinFET制程相比，7nm FinFET将可在晶体管数量的情况下使芯片尺寸37％，或在电路复杂度相同的情况下降低40％的功耗。

在接下来的第二代7nm FinFET+制程上，台积电将开始使用EUV光刻。针对EUV优化的布线密度可带来约10~20％的面积减少，或在电路复杂度相同的情况下，相比7nm FinFET再降低10％的功耗。
而根据後藤弘茂的分析，台积电7nm DUV的特征尺寸介于台积电10nm FinFET和三星7nm EUV之间，Metal Pitch特征尺寸40nm，Gate Pitch特征尺寸尚不明确，但必定小于10nm时的66nm。

此外，与完全使用DUV工具制造的芯片相比，使用EUV光刻生产芯片的周期也将缩短，台积电计划在2018年第二季度开始试产7nm FinFET+晶元。

GF
GF此前曾是AMD自家的半导体工厂，后由于AMD资金问题而拆分独立。GF同样属于IBM“全球IBM制造技术联盟”的一员，其半导体工艺和三星同宗同源。然而GF在28nm、14nm两个节点上都遇到了重大技术难题，不得不向“后来者”三星购买生产技术。
介于此，GF在14nm之后决定放弃10nm节点，直接向7nm制程进军。虽然这个决策稍显激进，但GF也明白步子大了容易扯到啥的道理，决定在光刻技术上稳中求进，使用现有的DUV光刻技术实现第一代7nm工艺的制造，随后再使用EUV光刻进行两次升级迭代。

雷锋网在去年7月曾报道过，据其在阿尔伯尼纽约州立大学理工学院负责评估多重光刻技术的George Gomba以及其他IBM的同事透露，GF将在第一代7nm DUV产品上，使用四重光刻法。
相比之前的14nm LPP制程，7LP制程在功率和晶体管数量相同的前提下，可以带来40%的效率提升，或者在频率和复杂性相同的情况下，将功耗降低60%。但受限于四重光刻这一复杂流程，GF表示根据不同应用场景，7LP只能将芯片功耗降低30~45%。

从後藤弘茂分析中可以看到，GF的7nm DUV特征尺寸为56nm40nm（Gate PitchMetal Pitch），应当与台积电7nm DUV的基本相当。而7nm EUV的特征尺寸为44nm*36nm，与三星7nm EUV完全一致（毕竟同源）。

不过在EUV的部署上，GF尚存在一些阻碍。据雷锋网了解，目前ASML提供的保护膜仅适用于每小时85个晶片的生产率（WpH），而GF今年的计划是达到125WpH，这意味着现有的保护膜无法应对量产所需的强大光源。
目前，GF尚未透露将于何时开始使用EUV光刻，只说要等到“准备就绪”以后，不过看起来难以在2018年以前准备就绪。因此业界普遍猜测GF最早也要到2019年才能使用EUV光刻生产芯片。

Intel：我不是针对谁……
Intel作为全球最大的半导体企业，在半导体工艺方面一直保持着领先地位，并且引领了大量全新技术的发展。不过近几年，Intel半导体工艺的发展速度似乎逐渐慢了下来，比如14nm工艺竟然用了三代，10nm工艺也被竞争对手抢先。
实际上，三星和台积电在进入16/14nm节点后，在制程上常使用一些商业命名，比如上面提到的三星7nm制程，优化一下就变成了6nm。而Intel的14nm制程虽然历经两次优化，却只是以14nm、14nm+和14nm++来命名，二者已经不存在直接的可比性。
由于晶体管制造的复杂性，每代晶体管工艺中有面向不同用途的制造技术版本，不同厂商的代次之间统计算法也完全不同，单纯用代次来对比是不准确的。目前业内常用晶体管密度来衡量制程水平，实际上，Intel最新10nm制程的晶体管密度甚至反而要比三星、台积电的7nm制程更高。
根据Intel公布的晶体管密度表格，其45nm制程的晶体管密度约为3.3MTr/mm²（百万晶体管每平方毫米），32nm为7.5MTr/mm²，22nm为15.3MTr/mm²，上升倍数大约为2.1倍。但是14nm时晶体管密度大幅提升了2.5倍，为37.5MTr/mm²，10nm更是比14nm提升了2.7倍之多，达到100.8MTr/mm²。

而根据後藤弘茂的分析，如果将Intel、台积电、三星和GF近些年制程的特征尺寸放在一起对比，也可以看出Intel的14nm制程确实要优于三星和GF的14nm LPP以及台积电的16nm FinFET，仅略输于三星早期的10nm制程。
Intel的10nm制程则更是全面胜过台积电和三星的10nm制程，甚至比台积电和GF的第一批7nm DUV都要更好。虽然不如三星和GF的第二批7nm EUV制程，但Intel肯定也会深挖10nm制程，第二代10nm赶超三星和GF的7nm EUV也不是不可能。

国外网站Semiwiki日前也讨论到了三星的10nm、8nm以及7nm制程的情况，其中10nm制程的晶体管密度是55.5MTr/mm²，8mm是64.4MTr/mm²，7nm也不过101.23MTr/mm²，堪堪超过Intel 10nm制程一点点。

下一站，5nm
从眼下7nm制程的种种困难可以看出，在5nm及以后的节点上，晶体管的结构很有可能仍然需要进行改进，目前比较受关注的是一种类似罗汉塔式的Nanosheet晶体管。
Nanosheet是“IBM联盟”在2017年6月的Symposia on VLSI Technology and Circuits半导体会议上提出的，其晶体管为“将FinFET 90度放倒”的扁平堆栈化结构。
雷锋网在查看了後藤弘茂的分析后粗略得知，IBM联盟展示了沿着从源级（source）到漏级（drain）方向90度切开的晶体管横截面，可以看到FinFET工艺上Channel是直立的，就如同鳍片的造型，将这些鳍片90度放到后，就变成了Nanowire的形状。

有趣的是，本来FinFET就是将原来的Planer型晶体管90度“放倒”而成。Planer型晶体管是在平面内生成，在其上面紧接着生成栅极（gate）。
而FinFET将平面的Channel给90度立了起来，这样变成三个方向都有栅极的三重门（Tri-gate）电路。Channel基本上脱离了硅基板，不仅抑制了电子迁移，而且增加了栅极的长度。

而与FinFET的三面栅极不同，Nanosheet是4面360度全包，可以进一步抑制电子迁移，提高栅极长度，加强电子驱动能力。如果都是三鳍片结构，Nanosheet栅极长度是FinFET的1.3倍。
Nanosheet在良品率方面也比FinFET更有优势。垂直Channel的FinFET更依靠曝光技术，而水平Channel的Nanosheet更依靠薄膜生成技术。根据实验室的说法，垂直加工比水平加工在半导体制程上更加困难。

但是正如7nm有三座大山一样，5nm制程要解决的也不只有晶体管架构，还有全新布线层材料等难点的存在。根据几家半导体厂商的roadmap，5nm制程被暂定在2020年上马，至少Nanosheet是以此为目标的。

硅半导体的夕阳红
如同过去一样，摩尔定律的命运不仅取决于芯片工艺的尺寸，也取决于物理学家和工程师，对生产出的晶体管和电路可以改善到何种程度。三星、台积电和GF的技术进步，让我们看到了7nm制程时代的发展方向。即便需要克服大量物理与工程难题，集成电路产业也在一步一步向前走。
不过当未来半导体工艺进一步发展到5nm甚至3nm后，电路中最窄的地方甚至只有十几个原子的厚度，届时硅半导体工艺可能真的要面临极限，如今几方竞相角逐7nm制程的情景完全可以说是硅半导体的夕阳红。
在这样的情况下，我们希望这些半导体企业携起手来，在未来的半导体产业上继续努力，继续遵循着摩尔定律的脚步，将人类的计算能力和制造能力推向一个全新的高峰。

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