半導體工藝在進入14nm/16nm制程之后，最經(jīng)常被提到就是鰭式場效應(yīng)晶體管(FinFET)，它的出現(xiàn)滿足了7nm至14nm之間的工藝制造。不過在進入更小的5nm、甚至3nm之后，F(xiàn)inFET工藝已經(jīng)難以滿足半導體芯片的制造需求，業(yè)界也在對新一代晶體管進行研究。
為此，幾大晶圓廠正在市場上加速5nm制程，但現(xiàn)在客戶必須決定是圍繞當前的晶體管類型設(shè)計他們的下一個芯片，還是轉(zhuǎn)移到3nm及以上的不同芯片。
該決策涉及將目前的FinFET擴展到3nm，或在3nm甚至2nm節(jié)點上實現(xiàn)一種名為GAA FET的新技術(shù)。從FinFET進化而來的環(huán)繞閘極可提供更好的性能，但是這些新的晶體管很難制造，價格昂貴，遷移過程可能會很艱難。但有利的一面是，該行業(yè)正在開發(fā)全新蝕刻、圖案和其他技術(shù)，這將為這些節(jié)點鋪平道路。
這些GAA FET的出庫時間由各大晶圓廠所決定。三星和臺積電都在用FinFET生產(chǎn)7nm制程，他們將在今年晚些時候使用FinFET量產(chǎn)5nm制程，并在5nm左右推出各種半節(jié)點產(chǎn)品。這將提高速度和功率。
不過，三星計劃在明年或2022年某個時候，在3nm制程上推出一款名為nanosheet FET的GAA晶體管。與此同時，臺積電計劃首先在3nm制程上引入FinFET。分析師和設(shè)備供應(yīng)商表示，臺積電將在3nm或2nm的后期階段引入全柵結(jié)構(gòu)GAA。
對于新技術(shù)而言，臺灣知產(chǎn)力專家社群創(chuàng)辦人曲建仲介紹，場效電晶體(FET)是最基本的電子元件，是數(shù)字信號的最小單位，一個FET代表一個0或一個1，就是電腦里的一個位數(shù)。電子流入再流出，由一個閘極開關(guān)控制電子導通代表1或不導通代表0，科學家將它制作在硅晶圓上。
“制程節(jié)點”代表閘極的“平均長度”，會隨制程技術(shù)的進步而變小。當晶體管縮小到14nm以下之后，原來的技術(shù)不能滿足14nm產(chǎn)品的需求，才有了胡正明教授的“鰭式場效電晶體(FinFET)”，但是5nm以下又遇到問題，才出現(xiàn)“環(huán)繞閘極場效電晶體”。
然而，臺積電（TSMC）仍在評估其3nm制程方案，TSMC將很快披露其3nm計劃，計劃也可能隨時變動。盡管如此，臺積電將FinFET擴展至3nm的舉措合乎邏輯。轉(zhuǎn)移到新晶體管可能會對客戶造成潛在的干擾。但最終，F(xiàn)inFET將會失去它的優(yōu)勢，臺積電別無選擇，只能全面轉(zhuǎn)向環(huán)繞閘極（gate-all-around）。
其他公司也在開發(fā)先進制程。英特爾正在加緊10nm和7nm的研發(fā)。(英特爾的10nm制程與晶圓廠的7nm制程類似)與此同時，中芯國際正在研發(fā)10nm/7nm工藝以此提高16nm/12nm FinFET。
所有的先進工藝都是昂貴的，并不是所有的芯片都需要3nm或其他先進工藝。事實上，不斷上漲的成本促使許多人探索其他選擇。另一種獲得擴展的方法是將高級芯片放入一個封裝中，為此一些公司正在開發(fā)先進的封裝類型。
平面晶體管、場效應(yīng)晶體管、納米片場效應(yīng)晶體管。
縮放比例真的到頭了嗎?
芯片由晶體管、節(jié)點和互連線三部分組成。晶體管作為設(shè)備開關(guān)，如今，先進的芯片有多達350億個晶體管。
互連線位于晶體管的頂部，由微小的銅線構(gòu)成，將電信號從一個晶體管傳輸?shù)搅硪粋€晶體管。晶體管和互連線由一層叫做中線(MOL)層連接。中間層使用一系列微小的接觸結(jié)構(gòu)連接獨立的晶體管和互連件。
傳統(tǒng)的集成電路擴展設(shè)計方法是縮小每個工藝節(jié)點的晶體管規(guī)格，并將其封裝到一個單芯片上。
為此，芯片制造商每隔18到24個月就會推出一種新工藝技術(shù)，其晶體管密度更高。每個進程都有一個數(shù)字節(jié)點名。最初，節(jié)點名與晶體管柵極長度相關(guān)。
在每個節(jié)點上，芯片制造商將晶體管的規(guī)格提高了0.7倍，在同等功率下提高了40%的性能，并減少了50%的面積。所以，芯片縮放使新的電子產(chǎn)品具有更多功能。
當芯片制造商沿著不同的工藝節(jié)點前進時，這個公式就起作用了。但在20nm時發(fā)生了一個巨大的轉(zhuǎn)折，2D的傳統(tǒng)平面晶體管失去了動力。從2011年開始，芯片制造商轉(zhuǎn)向了FinFET，F(xiàn)inFET是類似3D的結(jié)構(gòu)，具有更好的性能和更低的泄漏，使他們能夠擴展自己的設(shè)備。
然而，F(xiàn)inFET的制造成本更高，導致工藝研發(fā)成本飆升。所以現(xiàn)在一個完整的節(jié)點的節(jié)奏已經(jīng)從18個月延長到30個月，甚至更長。
在高級節(jié)點，英特爾遵循0.7x比例縮小晶體管尺寸的這一趨勢，但在16nm、14nm，其他人開始脫離了傳統(tǒng)方法和放寬了金屬間距。“之前節(jié)點名稱的使用與被指定的金屬間距相關(guān)，” “在某些時候，我們開始偏離間距，更著眼于下一個節(jié)點和特征尺寸?！?/p>
在那時，節(jié)點名變得模糊，不再與任何晶體管規(guī)格相聯(lián)系。Gartner分析師Samuel Wang表示:“節(jié)點的定義正變得越來越具有誤導性和無意義。例如，在5nm或3nm之間，沒有單一的幾何結(jié)構(gòu)實際上是真正的5納米或3納米。另外，供應(yīng)商之間的流程通用性大大降低。對于同一節(jié)點，臺積電和三星的表現(xiàn)不同，當然也不同于英特爾?！?/p>
高級節(jié)點的擴展速度也在減慢。根據(jù)IC Knowledge和TEL研究，一般情況下，7nm的代工工藝，它的多晶硅間距CPP在56nm到57nm，金屬連線間距在40nm。在5nm處，CPP大約為45nm-50nm，金屬間距為26nm。CPP是一個關(guān)鍵的晶體管度量單位，用于測量源極和漏極接觸點之間的距離。據(jù)悉，三星最近也高調(diào)推出了5nm，預(yù)計將于2020年上半年量產(chǎn)。與它的7nm相比，三星的5nm FinFET技術(shù)，與7nm相比它的速度有25%的增長，功耗降低20%，性能提高10%。
此外，價格/性能優(yōu)勢不再遵循同樣的曲線，這促使許多人在懷疑，摩爾定律是否已經(jīng)走到了盡頭。
其實，摩爾定律并不是真正的定律，而是一種觀察（observation），它成為一種自我實現(xiàn)的預(yù)言，推動半導體行業(yè)向前發(fā)展。隨著多重圖案和EUV成本的增加，摩爾定律的經(jīng)濟方面開始衰退。布魯爾科技公司高級技術(shù)專家Douglas Guerrero表示： “計算能力的提高將出現(xiàn)在新的設(shè)計和架構(gòu)中，但這不是可擴展的。這意味著未來的芯片將提高計算能力，但成本不一定會以過去的速度下降?！?/p>
對于縮放，它并沒有完全消失。人工智能、服務(wù)器和智能手機正在推動對高級節(jié)點上更快芯片的需求。D2S的首席執(zhí)行長藤村明(Aki Fujimura)表示，一些人還認為除了新奇的應(yīng)用程序之外，這個世界已經(jīng)沒有辦法處理速度更快的計算了?！敖裉欤瑢τ谖锫?lián)網(wǎng)來說，低成本、足夠好的性能和集成勝過更多和更高的計算密度。但我們需要更快的晶體管來制造更高效、更低功耗的，并且能容納更多晶體管的芯片?！?/p>
顯然，并非所有的需求都需要高級節(jié)點，因為成熟工藝的芯片需求強勁。聯(lián)華電子聯(lián)席總裁王季剛(Jason Wang)：“這些新產(chǎn)品包括在5G智能手機中使用的RF IC和OLED驅(qū)動芯片，以及設(shè)計用于計算和固態(tài)驅(qū)動器應(yīng)用的電源管理芯片?！?/p>
擴展FinFET
與此同時，在芯片擴展方面，芯片制造商多年來一直遵循相同的工藝路線，采用相同的晶體管類型。2011年，英特爾轉(zhuǎn)向了22納米的FinFET，隨后是16 /14納米的晶圓廠。
在FinFET中，對電流的控制是通過在鰭的三面各安裝一個柵極來實現(xiàn)。FinFET有兩到四個鰭。每個鰭有不同的寬度、高度和形狀。
英特爾的第一代FinFET在22nm處的尾翼間距為60nm，尾翼高度為34nm。然后，在14nm處，英特爾的FinFET的鰭距和高度都是42nm。
因此英特爾將鰭片做得更高更薄，以適應(yīng)FinFET的規(guī)模。林研究大學項目主任Nerissa Draeger在博客中解釋： “FinFET縮放減少橫向尺寸，以增加單位面積的設(shè)備密度，同時增加鰭的高度，以此作為改善設(shè)備性能的一種方式?！?/p>
在10nm/7nm制程時，芯片制造商采用了相同的方法來擴展FinFET。2018年，臺積電推出了首款7nm制程FinFET芯片，三星緊隨其后。與此同時，英特爾去年發(fā)布了10nm芯片，此前他們曾多次推遲發(fā)布。
到2020年，晶圓行業(yè)的競爭將更加激烈。三星和臺積電正在增加5nm制程和各種半節(jié)點制程。3nm正在研發(fā)中。
但要記住，所有的過程都很昂貴。據(jù)IBS宣稱，設(shè)計3nm產(chǎn)品的費用約5億美元到15億美元，及它的工藝開發(fā)費用約40億美元到50億美元，而如果要興建一條生產(chǎn)線的運營成本約150億美元到200億美元。IBS的瓊斯說：“基于相同的成熟度，3nm的晶體管成本預(yù)計將比5nm高出20%到25%。“與5nm FinFET相比，預(yù)期性能提高15%，功耗降低25%。
與7nm相比，三星的5nm FinFET技術(shù)提供了高達25%的邏輯面積，降低了20%的功耗，可以提高10%的性能。
臺積電高級技術(shù)總監(jiān)Geoffrey Yeap在最近的IEDM會議上的一篇論文中表示：相比之下，臺積電的5nm FinFET工藝“在同等功率下提供了15%的速度提升，在同等功率下，7nm節(jié)點的邏輯密度降低了30%。”
芯片制造商在7nm制程和5nm制程上大做文章。為了使芯片的關(guān)鍵特性定型，這兩家公司從傳統(tǒng)的193nm光刻技術(shù)過渡到EUV光刻技術(shù)。由于EUV的波長為13.5nm，簡化了這一過程。
EUV并不能解決芯片擴展的所有挑戰(zhàn)。應(yīng)用材料公司圖案技術(shù)總經(jīng)理Regina Freed在一篇博客中說:“解決這些挑戰(zhàn)需要多種技術(shù)，這些技術(shù)超越了可擴展的范圍，包括新材料的使用、新型嵌入式非易失性存儲器和先進的邏輯架構(gòu)、沉積和蝕刻的新方法，以及包裝和芯片設(shè)計創(chuàng)新。”
與此同時，三星和臺積電正在準備它們的3nm制程。過去，芯片制造商走的是同一條道路，但根據(jù)今天的路線圖，3nm是供應(yīng)商們正在分道揚鑣的地方。
Garner的Wang表示：" 3nm可能有幾種不同的選擇，如FinFET和環(huán)繞閘極，這為客戶提供了成本、密度、功率和性能的不同組合，以滿足他們的特殊需求。”
如前所述，三星將在3nm處引入nanosheet FET。臺積電也在開發(fā)這種芯片，它計劃將FinFET擴展到下一代?！芭_積電將在2021年第三季度推出3nm制程芯片，”IBS的瓊斯表示?！芭_積電的環(huán)繞閘極將在2022年或2023年左右推出?！?/p>
這就是晶圓代工客戶必須權(quán)衡各種成本和技術(shù)權(quán)衡的地方。擴展FinFET似乎是一條更安全的途徑。“許多客戶認為臺積電是一個低風險的供應(yīng)商。”
然而，環(huán)繞閘極在某種程度上提供了更多的性能。Jones表示:“與3nm FinFET相比，3nm 環(huán)繞閘極具有更低的閾值電壓，并可能降低15%到20%的功耗?！薄暗阅懿町惪赡茉?%以下，因為MOL和BEOL是一樣的。”
但要注意，后道(back end of line，BEOL)工藝和MOL是先進芯片的瓶頸。接觸電阻是MOL中的一個問題。
BEOL是建立若干層的導電金屬線，不同層金屬線之間由柱狀金屬相連。在每個節(jié)點上互連變得更加緊密，導致芯片中的電阻-電容(RC)延遲。FinFET和環(huán)繞閘極是不同的晶體管類型，但它們很可能在3nm處采用類似的銅互連方案。RC延遲對于兩個晶體管來說都是一個問題。
此外還有其他挑戰(zhàn)。當鰭片寬度達到5nm時，F(xiàn)inFET將會失去動力。5nm/3nm FinFET正在突破這些限制。
另外，一個3nm的FinFET可能由一個鰭片組成，而其他節(jié)點可能有兩個或更多的鰭片。Imec的CMOS設(shè)備技術(shù)總監(jiān)Naoto Horiguchi：“單鰭必須有足夠的操縱靈活性。為了將FinFET擴展到N3，我們需要一種特殊的技術(shù)來增強單鰭功率和/或減少后端寄生?！?/p>
將FinFET擴展到3nm的一種方法是將鍺材料移到p通道。具有高遷移率通道的3nm FinFET將提供性能提升，但存在一些集成挑戰(zhàn)。