受貿(mào)易摩擦等多重因素的影響，全球的半導(dǎo)體大國(guó)均有意強(qiáng)化本國(guó)芯片制造能力。歐盟委員會(huì)在一項(xiàng)名為《2030數(shù)字指南針》計(jì)劃中，提出生產(chǎn)能力沖刺2nm的目標(biāo)。日本政府也于近日表示將出資420億日元，聯(lián)合日本三大半導(dǎo)體廠商——佳能、東京電子以及Screen Semiconductor Solutions共同開發(fā)2nm工藝。
事實(shí)上，在臺(tái)積電、三星這些半導(dǎo)體制造龍頭的技術(shù)路線圖中，2nm同樣是需要集結(jié)重軍突破的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。那么，為何歐洲、日本均將重振芯片制造的突破點(diǎn)放在2nm上？其有何特殊之處嗎？
2納米是新的 “大”節(jié)點(diǎn)？
晶圓制造作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)，發(fā)揮著基礎(chǔ)核心作用。特別是隨著5G、高性能計(jì)算、人工智能的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)先進(jìn)工藝的要求越來越高。
在臺(tái)積電2020年財(cái)報(bào)中，第四季度采用最先進(jìn)5nm工藝平臺(tái)加工晶圓的銷售額占總晶圓收入的20%，7nm和12nm/16nm的銷售額分別占29%和13%。也就是說領(lǐng)先的5nm和7nm節(jié)點(diǎn)占臺(tái)積電收入的49%，而高級(jí)節(jié)點(diǎn)（5nm、7nm、12nm/16nm）占該公司總收入的62%。
3nm是臺(tái)積電和三星兩大半導(dǎo)體制造巨頭當(dāng)前的發(fā)展重點(diǎn)。兩家公司的量產(chǎn)計(jì)劃均落在2022年。工藝尚在試產(chǎn)階段，蘋果公司已經(jīng)為旗下M系列和A系列處理器預(yù)訂采用這種技術(shù)的訂單。先進(jìn)工藝制造在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的重要性，由此可見一斑。
2nm作為3nm之后的下一個(gè)先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)，也早早進(jìn)入人們的視野。2019年，臺(tái)積電便宣布啟動(dòng)2nm工藝的研發(fā)，使其成為第一家宣布開始研發(fā)2nm工藝的公司。
同時(shí)，臺(tái)積電將在位于中國(guó)臺(tái)灣新竹的南方科技園建立2nm工廠，預(yù)計(jì)2nm工藝將于2024年進(jìn)入批量生產(chǎn)。
按照臺(tái)積電的說法，2nm工藝研發(fā)需時(shí)4年，最快也得要到2024年才能進(jìn)入投產(chǎn)。這段時(shí)間里5nm工藝乃至3nm工藝均會(huì)成為過渡產(chǎn)品，以供客戶生產(chǎn)芯片的需要。
半導(dǎo)體一向有“大小”節(jié)點(diǎn)之分。
以28nm為例，與40nm工藝相比，28nm柵密度更高、晶體管的速度提升了約50%，每次開關(guān)時(shí)的能耗則減小了50%。在成本幾乎相同的情況下，使用28nm工藝可以給產(chǎn)品帶來更加良好的性能優(yōu)勢(shì)。
2011年第四季度，臺(tái)積電首先實(shí)現(xiàn)了28nm全世代工藝的量產(chǎn)。截止2014年年底，臺(tái)積電是全球28nm市場(chǎng)中的最大企業(yè)，它在2014年的銷售收入主要來源于28nm，占總營(yíng)收的34%，占全球28nm代工市場(chǎng)份額的80%，產(chǎn)能達(dá)到130000片/月，占整個(gè)28nm代工市場(chǎng)產(chǎn)能的62%。
業(yè)界認(rèn)為，14nm、7nm或5nm也是大節(jié)點(diǎn)。
莫大康指出，由于2nm目前尚處于研發(fā)階段，其工藝指標(biāo)尚不清楚。不能輕易判斷是否為一個(gè)“大”節(jié)點(diǎn)。然而根據(jù)臺(tái)積電的工藝細(xì)節(jié)詳情，3nm晶體管密度已達(dá)到了2.5億個(gè)/mm2，與5nm相比，功耗下降25%～30%，功能提升了10%～15%。
2納米作為下一代節(jié)點(diǎn)，性能勢(shì)必有更進(jìn)一步的提升，功耗也將進(jìn)一步下降。市場(chǎng)的需求是可以預(yù)期的。這或許正是日本與歐洲在高調(diào)進(jìn)軍半導(dǎo)體先進(jìn)制造之際，力求在2nm上取得突破的原因之一。
全面進(jìn)入GAA時(shí)代？
2納米在技術(shù)上革新同樣非常關(guān)鍵。根據(jù)國(guó)際器件和系統(tǒng)路線圖（IRDS）的規(guī)劃，在2021～2022年以后，鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）結(jié)構(gòu)將逐步被環(huán)繞式閘極（GAA）結(jié)構(gòu)所取代。
所謂GAA結(jié)構(gòu)，是通過更大的閘極接觸面積提升對(duì)電晶體導(dǎo)電通道的控制能力，從而降低操作電壓、減少漏電流，有效降低芯片運(yùn)算功耗與操作溫度。
目前，臺(tái)積電、三星在5nm/7nm工藝段都采用FinFET結(jié)構(gòu)，而在下一世代的晶體管結(jié)構(gòu)的選擇上，臺(tái)積電、三星卻出現(xiàn)分歧。
臺(tái)積電總裁魏哲家在法說會(huì)上表示，3nm的架構(gòu)將會(huì)沿用FinFET結(jié)構(gòu)。臺(tái)積電首席科學(xué)家黃漢森強(qiáng)調(diào)，之所以做此選擇是從客戶的角度出發(fā)。采用成熟的FinFET結(jié)構(gòu)產(chǎn)品性能顯然更加穩(wěn)定。
三星則選擇采用GAA結(jié)構(gòu)。在今年的IEEE國(guó)際固態(tài)電路大會(huì)（ISSCC）上，三星首次公布了3nm制造技術(shù)的一些細(xì)節(jié)——3nm工藝中將使用類似全柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GAAFET）結(jié)構(gòu)。
不過有消息爆出，臺(tái)積電的2nm工藝將采用GAA架構(gòu)。也就是說，2nm或?qū)⑹荈inFET結(jié)構(gòu)全面過渡到GAA結(jié)構(gòu)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。在經(jīng)歷了Planar FET、FinFET后，晶體管結(jié)構(gòu)將整體過渡到GAAFET、MBCFET結(jié)構(gòu)上。
此外，一些新材料在制造過程中也將被引入。
新思科技研究人員兼電晶體專家Moroz表示，到了未來的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，間距微縮將減緩至每世代約0.8倍左右。工程師們開始探索其他許多技術(shù)，以降低金屬導(dǎo)線上的電阻率，從而為加速取得優(yōu)勢(shì)開啟大門。其方式包括新的結(jié)構(gòu)，例如跨越多個(gè)金屬層的梯度和超導(dǎo)孔（super-vias），以及使用鈷（Co）和釕（Ru）等新材料。
無論是結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新還是新材料的引入，2nm是一個(gè)非常關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)。原有的很多技術(shù)難以滿足要求，產(chǎn)業(yè)界需要從器件的架構(gòu)、工藝變異、熱效應(yīng)、設(shè)備與材料等方面綜合解決。
歐洲、日本均將重振芯片制造的突破重點(diǎn)放在2nm上，目的顯然是希望在技術(shù)革新的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)“換道超車”，同時(shí)以此為契機(jī)向1納米甚至？（埃米） 領(lǐng)域推進(jìn)。
面臨技術(shù)與成本雙重挑戰(zhàn)
不過2nm的開發(fā)并不容易，隨著摩爾定律走向物理極限，芯片的制造面臨著技術(shù)與成本的雙重瓶頸。
根據(jù)莫大康的介紹，目前的EUV光刻機(jī)精度仍不足以滿足2nm的需求。光刻技術(shù)的精度直接決定工藝的精度，對(duì)于2nm的先進(jìn)工藝，高數(shù)值孔徑的EUV技術(shù)還亟待開發(fā)，光源、掩模工具的優(yōu)化以及EUV的良率和精度都是實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)工藝技術(shù)突破的重要因素。
日前，比利時(shí)微電子研究中心（IMEC）首席執(zhí)行官兼總裁Luc Van den hove表示，該中心正在與ASML公司合作，開發(fā)更加先進(jìn)的光刻機(jī)，并已取得進(jìn)展。
近年來，IMEC一直在與ASML研究新的EUV光刻機(jī)，目標(biāo)是將工藝規(guī)模縮小到2nm及以下。目前ASML已經(jīng)完成了NXE:5000系列的高NA EUV曝光系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)，至于設(shè)備的商業(yè)化，要等到至少2022年，而臺(tái)積電和三星拿到設(shè)備還要在2023年。
來自制造成本的挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻。有數(shù)據(jù)顯示，7nm工藝僅研發(fā)費(fèi)用就需要至少3億美元，5nm工藝平均要5.42億美元，3nm、2nm的工藝起步價(jià)大約在10億美元左右。臺(tái)積電3nm工藝的總投資高達(dá)500億美元。目前在建廠方面至少已經(jīng)花費(fèi)200億美元，可見投入之龐大。
“盡管歐洲與日本都表達(dá)了想要在下一個(gè)技術(shù)世代來臨之際，以2納米為切入點(diǎn)，發(fā)展先進(jìn)工藝的計(jì)劃。但如果一旦投入，將面臨用戶從哪里來，如何平衡生產(chǎn)成本等問題?！?莫大康指出。