台积电最新技术分享，不再是单纯的晶圆代工厂

编者按： 每年，台积电都会在全球举办两场大型客户活动——春季台积电技术研讨会和秋季台积电开放式创新平台生态系统论坛。技术研讨会最近在加州圣克拉拉举行，广泛介绍先进半导体和封装技术发展的最新情况。本文简要回顾了半导体工艺演示的要点，后续文章将回顾先进封装的内容。

台积电成立于1987年，自1994年以来一直举办年度技术研讨会，今年是台积电成立25周年（圣克拉拉会议中心普遍强调这一点）。台积电北美总裁兼首席执行官Dave Keller表示：“第一届硅谷研讨会的与会者不足100人，而现在，出席人数已超过2000人。”

供公司发展总监Cheng-Ming Liu博士介绍了台积电汽车客户的独特需求，特别是在更长的产品生命周期内的持续供应。他表示：

“我们对“旧”的工艺流程的承诺是坚定不移的。我们从未关闭过一家工厂，也从未关闭过一项工艺技术。”

研究与开发/技术开发高级副总裁Y.-J.Mii博士着重介绍了工艺技术发展的三个时代，如下图所示：

在第一阶段，Dennard Scaling是指在后续的工艺节点中，将FEOL线性光刻尺寸按“s”(s < 1)的比率进行微缩，实现电路密度（1 / s^2）的提高（量度为gates / mm^2），下一阶段的重点是材料的改进，而当前阶段的重点是设计—技术的协同优化（马上有更多介绍）。

在随后的研讨会上，集成互连和封装研发副总裁DougYu博士介绍了先进封装技术如何专注于微缩，尽管持续时间较短。 “十多年来，封装还提供了再分布层（RDL）和凸点间距光刻的二维改进。借助我们今天所描述的多芯片、3D垂直堆叠封装技术——特别是台积电的SoIC产品，我们在电路密度方面取得了巨大的改善。S等于零。或者换句话说，我们实现了无限微缩。（实际上，很容易预见到产品技术将开始使用gates / mm^3进行度量。）

（一）N7/N7+（7nm/7nm+）

台积电在两年前的研讨会上宣布了N7和N7 +工艺节点。

N7是“基线”的FinFET工艺，而N7+通过引入EUV光刻技术，为选定的FEOL层提供了更好的电路密度。 设计IP从N7过渡到N7+需要重新部署，以实现1.2倍的逻辑门密度提高。主要亮点包括：

• N7正在投产，2019年预计将有100多种新的流片（NTO）。

• 关键IP介绍：112Gbps PAM4 SerDes。

• N7+受益于持续的EUV输出功率（~280W）和uptime（~85％）的改善。台积电表示：“虽然我们预计功率和uptime会进一步改善，但这些措施足以推动N7 +容量增长。”

• 台积电专注于减少N7的缺陷密度（D0）。根据台积电的说法，“在初始产量增加后，D0改进斜坡的速度比以前的节点快。”

• 台积电展示了N7芯片尺寸的分裂：移动客户<100 mm^2，HPC客户>300 mm^2。

• 据我所知，台积电还首次表示他们正专门为“大型芯片”追踪D0，并报告说与其他N7产品相比，大型设计相对减少了学习。

• N7+将于2009年下半年产量上升，并表现出与N7相当的D0缺陷率。

（二）让5G成为现实

台积电邀请高通首席技术官Jim Thompson介绍了他对N7的看法 ——这是一次非常有启发性的演讲：

• “N7是5G的推动者，如我们最新的SnapDragon855版本所示。”

• “具有256个天线单元的5G MIMO支持64个同步数字流（simultaneous digital streams），即16个用户每个用户在一部电话上接收4个数据流。”

• “天线设计对于5G来说确实非常关键，可以克服路径损耗和信号阻塞。人们正在寻求新的、创新的天线实施方案——归根结底，这只是数学问题，尽管肯定是复杂的数学问题。”

• “对于5G的采用率，肯定有很多人持怀疑态度。然而，5G的传输速度比4G快得多。在推出计划中，只有5家运营商和3台OEM设备支持4G，大部分在美国和韩国。目前，有超过20家运营商和20多家OEM设备专注于5G部署，包括欧洲、中国、日本和东南亚。”

• “此外，不要忽视5G在消费类手机以外的应用中的部署，例如无线工厂自动化。与工业机器人的通信需要高带宽、低延迟和极高的可用性。考虑一下5G带来的在无线环境下制造灵活性的机会。”

（三）N6（6nm）

台积电推出了一款新节点产品，名为N6。此节点具有一些非常独特的特性：

• 与N7兼容的设计规则（例如，57 mm M1 pitch，与N7相同）

• 与N7兼容的IP模型

• 为有限的FEOL层提供EUV光刻，“比N7+多1个EUV层，充分利用了N7+和N5的学习经验”

• 更严格的工艺控制，比N7更快的cycle time

• 同样的EDA参考流程、填充算法等，与N7相同

• N7设计可以简单地“重新流片”（re-tapeout，RTO）到N6，以提高EUV掩模光刻的产量

• 或者，N7设计可以通过使用N6标准单元库（H240）重新部署逻辑块来提交新的流片（NTO），该库利用单元之间的“公共PODE”（CPODE）设备将逻辑块密度提高~18%。

• 2020年第一季度开始风险生产（图示为13级金属互连堆栈）

• 尽管设计规则与N7兼容，但N6还引入了一个非常独特的功能“M0路由”。

下图说明了“典型”FinFET器件layout，其中M0仅用作局部互连，用于连接multi-fin器件的源极或漏极节点，并在单元内用于连接通用nFET和pFET原理图节点。

我需要更多地思考使用M0作为路由层的机会，台积电表示EDA路由器对此功能的支持仍然是合格的。

在我看来，N6是台积电引入“半节点”流程路线图的延续，如下图所示。

半节点工艺既是工程驱动的决策，也是业务驱动的决策，目的是提供低风险的设计迁移路径，为现有N7设计提供一个降低成本的选项，作为一个“mid-life kicker”。

N6的引入也凸显了一个问题，这个问题将变得越来越棘手。集成外部IP的设计的迁移取决于IP提供商的工程和财政资源，以便按照适当的时间表在新节点上开发、发布（在测试站点上）、表征IP并对其进行鉴定。N6提供了在不受外部IP释放约束的情况下引入kicker的机会。

（四）N5（5nm）

工艺节点N5合并了额外的EUV光刻，以减少需要大量多重曝光处理的图层的掩模数。

• 风险生产于19年3月开始，高产量增长将在2020年第二季度台南Gigafab 18完成（19年3月完成的第1阶段设备安装）

• 旨在同时支持移动和高性能计算“平台”客户；高性能应用程序将希望使用新的“超低Vt”（ELVT）器件

• 1.5V或1.2V I / O器件支持

• 计划提供N5P(“PLUS”)产品，在恒定功率下可提高+7%的性能，或在恒定perf 下比N5降低约15%的功率（N5后一年）

• N5将使用高移动性（Ge）器件沟道

除了N5推出高移动性沟道外，台积电还强调了其他材料和器件工程更新：

• 超高密度MIM产品（N5），具有2X ff/um*2和2X插入密度

• 新型低K介电材料

• 金属反应离子蚀刻（RIE），取代 Cu damascene，实现金属间距<30um

• 石墨烯“cap”，降低Cu互连电阻率

改进的局部MIM电容将有助于解决由于较高的栅极密度而增加的电流。台积电指出，高性能（高开关活动）设计可实现预期的个位数性能提升。

节点16FFC和12FFC都得到了器件工程改进：

• 16FFC+ ：与16FFC相比，+10% perf @恒功率，+20%POWER@恒定perf

• 12FFC+ ：与12FFC相比，+7% perf @恒功率，+15% POWER@恒定 perf

这些节点的NTO将在2019年第三季度被接受。

台积电还简要介绍了正在进行的未来节点材料研究的研发活动， 例如，Ge nanowire/nanoslab器件沟道，2D半导体材料（ZrSe2，MoSe2），请见下图（来源：台积电）。

Fab运营高级副总裁j.k Wang博士详细讨论了正在进行的降低DPPM和保持“卓越制造”的努力。特别值得注意的是为满足汽车客户苛刻的可靠性要求而采取的步骤。Wang博士演讲的重点包括：

“自引入N16节点以来，我们在头6个月加快了每个节点的产能提升速度。2019年N7的产能将超过每年100万块12英寸晶圆。自2017年以来，随着Gigafab 15的第5至7阶段已经投产，N10/N7产能增长了两倍。”

“我们实施了积极的统计过程控制（在控制晶圆现场进行测量），以便及早发现、停止和修复过程的变化，例如基线测量的向上/向下偏移、方差偏移、工具之间的不匹配。我们建立了二维晶圆剖面测量标准，并对每个晶圆的‘验收’剖面进行在线监测和比较。”

“N7的DDM降低率是所有节点中最快的。”

“对于汽车客户，我们实施了独特的措施，以实现苛刻的DPPM要求。我们会把坏区域中的好芯片标记出来。而且边际批次会有SPC标准，它们会被废弃。”

“我们将支持特定于产品的规格上限和下限标准。我们将报废超出规格限制的晶圆，或保留整批晶圆进行客户的风险评估。”（见下图。资料来源：台积电）

台积电开发了一种针对流程开发和设计支持功能的方法，主要关注四个平台—— 移动、HPC、物联网和汽车 。汽车事业部总监Cheng-Min Lin博士介绍了该平台的最新情况，以及汽车客户的独特特点。

（一）汽车平台

Lin博士指出：“汽车系统既需要先进的ADAS逻辑技术，如N16FFC，也需要先进的V2X通信射频技术。尽管从现在到2022年，汽车的复合年均增长率预计仅为1.8%，但半导体内容的复合年均增长率将为6.9%。

他继续说:“L1/L2功能的使用率将达到30%左右，额外的MCU应用于安全、连接，以及电动/混合电动汽车功能。每辆车大约有30-40个单片机。”（在他的图表中，预测L3/L4/L5的使用率在2020年约为0.3%，2025年为2.5%。）

“数字仪表板驾驶舱可视化系统的采用率也将提高，进一步推动半导体增长，2018年为0.2%，2025年达到11%。”

L2+

SAE International将自动驾驶辅助和最终自动驾驶的支持水平定义为“1级至5级”。也许是因为认识到实现L3到L5的困难，因此提出了一个新的“L2+”级别（尽管在SAE之外），带有附加的摄像机和决策支持功能。

“L2+型汽车通常会集成6个摄像头、4个短程雷达系统和1个远程雷达单元，需要超过50GFLOPS图形处理和>10K DMIPS导航处理吞吐量。”

N16FFC，然后是N7

16FFC平台已通过汽车环境应用认证，例如SPICE和老化模型，基础IP特性，非易失性存储器，接口IP。N7平台将于2020年通过（AEC-Q100和ASIL-B）认证。Lin博士表示：“汽车客户往往落后消费者采用约2~3年来利用DPPM学习，尽管这一间隔正在缩短。我们预计N7汽车将在2021年被广泛采用。”

“台积电射频CMOS产品将用于SRR、LRR和LIDAR。16FFC-RF增强型工艺将在2020年2季度符合合汽车平台的要求。”
 

（二）物联网平台

台积电物联网平台专注于低成本，低（有源）功耗和低泄漏（待机）功耗。物联网业务开发总监Simon Wang博士提供了以下最新信息：

工艺流程路线图

• 55ULP, 40ULP (w/RRAM): 0.75V/0.7V

• 22ULP, 22ULL: 0.6V

• 12FFC+_ULL: 0.5V (目标)

• 为22ULL节点引入新器件：EHVT器件，超低泄漏SRAM

22ULL SRAM是一种“双VDD rail”设计，具有独立的逻辑（0.6V，SVT+HVT）和bitcell VDD_min（0.8V）值，可实现最佳待机功耗。

22ULL节点还获得非易失性存储器的MRAM选项。

请注意，一种新的方法将被应用于低VDD设计的静态时序分析。基于阶段的OCV（降阶乘法器，derating multiplier）单元延迟计算将使用自由变异格式（LVF）过渡到sign-off。

下一代物联网节点将是12FFC+_ULL，风险生产将在2020年第二季度开始。（具有SVT低VDD标准单元, 0.5V VDD）

（三）射频

台积电强调了RF技术的过程开发重点，作为5G和汽车应用增长的一部分。RF和模拟业务开发总监Jay Sun博士重点介绍了以下要点：

• 对于RF系统收发器，22ULP / ULL-RF是主流节点。对于更高端的应用，16FFC-RF是合适的，其次是2020年下半年的N7-RF。

• 重要的器件研发正在研发，以增强这些节点的器件ft和fmax，期待2020年的16FFC-RF-Enhanced（fmax> 380GHz）和2021年的N7-RF-Enhanced。

• 新的顶级BEOL堆叠选项可用于“升高”的超厚金属，用于电感器，使之具有更高的Q值。

• 对于低于6GHz的RF前端设计，台积电将于2019年推出N40SOI——从0.18微米SOI过渡到0.13微米SOI，再过渡到N40SOI，以此提供ft和fmax大幅改进的器件。

从研讨会我们可以看得出，台积电显然已从一家“纯”晶圆级代工厂转型为复杂集成系统模块的供应商——或者根据台积电CEO C.C.Wei的说法，台积电是“大规模纳米生产创新”的领先供应商。这是多年研发投资的成果，例如，请参阅下文“SoIC”部分中关于3D堆叠的讨论。

集成互连和封装研发副总裁Doug Yu博士提供了详细的最新信息。Yu博士将封装技术分为独特的类别——“前端”3D芯片集成（SoIC）和“后端”封装进展（CoWoS, InFO）。此外，他还介绍了焊盘间距和 Cu pillar/ SnAg凸点光刻技术的进展，特别提到了汽车级可靠性要求。

(1)凸点（Bumping）技术

台积电继续推进凸点技术，可实现60-80um的凸点间距（适用于较小的芯片）。

(2)CoWos

台积电最初的2.5D封装产品是chip-on-wafer-on-substrate(CoWoS)，它通过使内存“更接近处理器”，实现了非常高性能的系统集成。

• > 50种客户产品

• 台积电正在开发“标准化”配置，例如，从具有2个或4个HBM的1个SoC，演变为具有8个HBM2E的2个以上SoC（96GB @ 2.5TB /秒）

相应地，台积电将把最大2.5D中介层占用空间从1X光罩（~50x50）扩展到3X（~85x85），具有150um的凸点间距。

• 硅中介层支持5个金属层和（新）深沟道电容——请参见下图。

(3)InFo

台积电继续发展集成FanOut（InFO）封装产品。回想一下，InFO是使用“重组晶圆”成型化合物集成（多个）芯片的手段，以提供用于RDL图案化的封装衬底。InFO以传统的小封装WLCSP技术为基础，以实现（大面积）重分布互连和高凸点数——请参见下图。

InFO-PoP支持在基极顶部堆叠逻辑芯片和DRAM芯片，使用through-InFO-vias（TIV）将DRAM连接到金属层。InFO-PoP开发的重点是改善TIV的间距和纵横比（垂直面与直径）。

InFO-on-Substrate产品将（多芯片）InFO模块连接到（大面积）基板，充分利用为CoWoS开发的多光罩绑结技术（multiple reticle stitching technology）。

(4)SoIC（“前端”3D集成）

研讨会关于封装的重要公告是介绍了“前端”3D芯片堆叠拓扑，称为SoIC（System-on-Integrated Chips集成系统芯片）。

SoIC是一种多芯片之间的“无凸点”互连方法。如下图所示（来自台积电早期的一篇研发论文），来自基模的Cu焊盘和来自（变薄的）顶部芯片的裸露的Cu“nails”利用热压结合来提供电气连接。（在 die-to-die接口也存在合适的底部填充材料。）

• 芯片中的硅通孔提供连接，间距非常紧凑。

• 支持face-to-face和face-to-back芯片连接。 “已知良好”的堆叠芯片可以是不同的尺寸，在堆叠层上具有多个芯片。

• 台积电展示了一个3高垂直SoIC 堆叠（3-high vertical SoIC stack）实体模型。

• EDA支持可用：物理设计（DRC、网络列表/LVS）、寄生提取、时序、IR/EM分析、信号完整性/功率完整性分析、热/材料应力分析。

• SOIC封装产品的资格目标是2019年。（我从单独的台积电公告中了解到，SoIC的将在2021年量产。）

几年前，有人半猜测半开玩笑说，“只有7个客户能负担得起7nm设计，只有5个客户能负担得起5nm”。

显然，N7/N6和N5在移动通信、HPC和汽车（L1-L5）应用中的发展势头打消了这种想法。台积电正通过DTCO大力投资这些节点，充分利用EUV光刻领域的重大进展和新材料的引入。

另外，我们也看到，除了传统的晶圆代工以外，台积电的2.5D和InFO“后端”封装产品都在不断发展，重点是推出SoIC拓扑结构的紧密间距Cu压接全3D堆叠芯片。可用的电路密度（mm ^3）将非常吸引人。然而，利用这项技术的挑战相当大，从系统架构分区到堆叠芯片接口的复杂电气/热/机械分析，全都包括在内。

摩尔定律绝对具有活力，尽管需要戴上3D眼镜才能看到。

相关资料链接：

https://www.semiwiki.com/forum/content/8149-2019-tsmc-technology-symposium-review-part-i.html

https://www.semiwiki.com/forum/content/8150-tsmc-technology-symposium-review-part-ii.html