[原创] 2nm开启“团战”模式
2021-03-09
14:00:04
来源: 半导体行业观察
3nm制程工艺将于今年进行试产，不出意外的话，2022年量产没有问题。在此基础上，业界对2nm工艺的进展投入了更多的关注，特别是台积电于2020下半年宣布2nm制程获得重大突破之后，人们对其更加期待了。
与此同时，就在前不久，有19个欧盟成员国签署了一项联合声明，为“加强欧洲开发下一代处理器和半导体的能力”进行合作。其中包括逐渐向2nm制程节点发展的领先制造技术。此外，日本正在与台积电一起建立先进的IC封装和测试工厂。中国台湾半导体研究中心（TSRI）开始与日本产业技术总合研究所（AIST）合作，开发新型晶体管结构。日本媒体指出，这有助于制造2nm及更先进制程芯片，他们计划将合作成果应用在2024年后的新一代先进半导体当中。而2024年正是台积电2nm制程的量产年。
目前，距离2nm试产还有一段时间，各方面都在积极筹备当中，围绕着晶圆厂台积电，各大半导体设备供应商、材料工艺服务商、EDA工具厂商，以及主要客户，都开始将越来越多的精力向2nm转移。
晶圆厂
目前来看，在3nm和2nm制程方面，台积电相对于三星的领先优势很明显，特别是2nm，还看不到来自于三星的权威信息。
2019年，台积电率先开始了2nm制程技术的研发工作。相应的技术开发的中心和芯片生产工厂主要设在台湾地区的新竹，同时还规划了4个超大型晶圆厂，主要用于2nm及更先进制程的研发和生产。
台积电2019年成立了2nm专案研发团队，寻找可行路径进行开发。在考量成本、设备相容、技术成熟及效能表现等多项条件之后，决定采用以环绕闸极（Gate-all-around，GAA）制程为基础的MBCFET架构，解决FinFET因制程微缩产生电流控制漏电的物理极限问题。MBCFET和FinFET有相同的理念，不同之处在于GAA的栅极对沟道的四面包裹，源极和漏极不再和基底接触。
根据设计的不同，GAA也有不同的形态，目前比较主流的四个技术是纳米线、板片状结构多路桥接鳍片、六角形截面纳米线、纳米环。与台积电一样，三星对外介绍的GAA技术也是Multi-Bridge Channel FET（MBCFET），即板片状结构多路桥接鳍片。不过，三星在3nm节点处就使用了GAA，而台积电3nm使用的依然是FinFET工艺。
按照台积电给出的2nm工艺指标，Metal Track(金属单元高度)和3nm一样维持在5x，同时Gate Pitch(晶体管栅极间距)缩小到30nm，Metal Pitch(金属间距)缩小到20nm，相比于3nm都小了23%。
按照规划，台积电有望在 2023 年中期进入 2nm 工艺试生产阶段，并于一年后开始批量生产。2020年9月，据台湾地区媒体报道，台积电2nm工艺取得重大突破，研发进度超前，业界看好其2023年下半年风险试产良率就可以达到90%。
目前，除了晶圆厂建设、台积电2nm人才安排和培育方面的工作也正在有条不紊地进行着，据报道，该公司在过去几个月提拔了4名员工。这些举措是为了让这些员工有更多的精力投入到2nm制造工艺的研究和开发当中。据悉，Geoffrey Yeap现在是2nm制程平台研发部的高级总监。这个位置在此之前是不存在的。当该公司开始专注于2nm制程时，创造这个位置是很重要的。台积电对管理人员的学术要求很高。两位新提拔的副总经理都有博士学位。
设备
对于芯片制造来说，需要的设备很多，但就2nm这样高精尖地工艺来讲，EUV光刻机无疑是最为关键的。有统计显示，台积电2021年底将安装超50台EUV光刻机。
对于台积电先进制程所需的EUV设备，有日本专家做过推理和分析：在EUV层数方面，7nm+为5层，5nm为15层，3nm为32层，2nm将达45层。因此，到2022年，当3nm大规模生产、2nm准备试产，需要的新EUV光刻机数量预计为57台。2023年，当3nm生产规模扩大、2nm开始风险生产时，所需新EUV光刻机数达到58台。到2024年，启动2nm的大规模生产，2025年生产规模扩大，到时所需新EUV光刻机数预计为62台。
尽管EUV也将被用于DRAM(尤其是1a技术节点及以下)，但采用先进制程的逻辑芯片仍是主要需求方。High-NA EUV光刻系统将始于2nm制程节点，其量产时间预估将是2025-2026年。据悉，ASML将在2022年完成第1台High-NA EUV光刻机系统的验证，并计划在2023年交付给客户，主要就是台积电。
对于EUV技术，台积电表示，要减少光刻机的掩膜缺陷及制程堆叠误差，并降低整体成本。今年在2nm及更先进制程上，将着重于改善极紫外光技术的品质与成本。之前有消息称，台积电正在筹集更多的资金，为的是向ASML购买更多更先进制程的EUV光刻机，而这些都是为了新制程做准备。
对于2nm和更先进制程工艺来说，EUV光刻机的重要性越来越高，但是EUV设备的产量依然是一大难题，而且其能耗也很高。
在不久前举办的线上活动中，欧洲微电子研究中心IMEC首席执行官兼总裁LucVandenhove表示，在与ASML公司的合作下，更加先进的光刻机已经取得了进展。
LucVandenhove表示，IMEC的目标是将下一代高分辨率EUV光刻技术高NAEUV光刻技术商业化。由于此前的光刻机竞争对手早已经陆续退出市场，使得ASML把握着全球主要的先进光刻机产能，近年来，IMEC一直在与ASML研究新的EUV光刻机，目标是将工艺规模缩小到1nm及以下。
目前，ASML已经完成了NXE:5000系列的高NAEUV曝光系统的基本设计，至于设备的商业化。至少要等到2022年，而等到台积电和三星拿到设备，要到2023年了。
前不久，中国中科院的研究人员宣布，已经突破了设计2nm芯片的瓶颈，成功地掌握了设计2nm芯片的技术，这样的发展进程虽然让人们欣喜，但其实还是存在着比较多的问题。虽然我们已经有了这方面的技术研究突破，但是没有EUV设备的话，是不能够实现生产的。这从一个侧面反应出了EUV光刻机的重要性。也正是因为如此，全世界有先进制程能力的晶圆厂都将注意力集中到了ASML身上。
材料和工艺
对于像2nm这样先进的制程工艺来说，互连技术的跟进是关键。传统上，一般采用铜互连，但是，发展到2nm，相应的电阻电容（RC）延迟问题非常突出，因为，行业正在积极寻找铜的替代方案。
目前，面向2nm及更先进制程的新型互连技术主要包括：混合金属化或预填充，将不同的金属嵌套工艺与新材料相结合，以实现更小的互连和更少的延迟；半金属嵌套，使用减法蚀刻，实现微小的互连；超级通孔、石墨烯互连和其他技术。这些都在研发中。
以混合金属化为例，该工艺在互连中使用两种不同的金属。对于2nm来说，这很有意义，至少对一层来说是这样。与双金属嵌套相比，通孔电阻更低，可靠性会提高，同时可以保持互连中铜的低电阻率。”
业界还一直探索在互连中使用钌材料作为衬垫。钌以改善铜的润湿性和填充间隙而闻名，虽然钌具有优异的铜润湿性，但它也有其他缺点，例如电迁移寿命较短，以及化学机械抛光等单元工艺挑战。这减少了行业中钌衬垫的使用。
其它新的互连解决方案也会陆续出现，但它们可能要到2023/2024年的2nm量产时才会商用。根据IMEC的路线图，行业可以从今天的双金属嵌套工艺转移到下一代技术，称为2nm混合金属化。接下来将还会有半金属嵌套和其它方案。
台积电在材料上的研究，也让2nm及更先进制程量产成为可能。据悉，台积电和台湾地区交大联手，开发出全球最薄、厚度只有0.7纳米的超薄二维半导体材料绝缘体，可望借此进一步开发出2nm，甚至是1nm的电晶体通道。
EDA工具
新的制程工艺离不开EDA工具的支持，2nm也不例外，业内两大EDA厂商也早有相应的布局。
面对如此高精尖的制程工艺，Cadence和Synopsys创建了全新的EDA工具堆栈，并开发全新的IP库。2nm制程要求芯片开发人员必须采用全新的设计规则和流程，并重新制作他们以前可能使用过的所有内容。就像在2014年至2015年转向FinFET结构一样，增加芯片设计成本的同时，采用GAAFET可能会再次增加设计成本。
Synopsys表示，Liberty 技术顾问委员会（LTAB）和互连建模技术顾问委员会（IMTAB）批准了新的建模结构，用以解决工艺节点低至 2nm 的时序和寄生参数提取问题。移动设备对超低功耗的要求以及各种制造挑战，需要新的方法来确保在 signoff 时达到最佳精度，同时支持设计工具针对最低功耗进行优化。此外，这些节点上的器件架构、掩模和成像技术促使工件必须通过互连工艺文件（ITF）中的新扩展来建模。
Synopsys还推出了DTCO设计方法学，用以整合各种先进工艺。据悉，DTCO已经帮助客户实现2nm工艺设计。
客户
不久前，台积电总裁魏哲家表示，台积电制程每前进一个世代，客户的产品速度效能提升30%- 40%，功耗可以降低20%-30%。这或许是该公司不断追求先进制程的关键所在。
目前来看，台积电将在业内率先量产2nm制程芯片已无悬念。而作为其近些年的头号客户，苹果成为最先尝鲜2nm芯片的厂商，也在情理之中。此外，2024年之后，高通、英伟达、AMD等都会成为其2nm技术的客户。
目前，以台积电的2nm研发进度来看，2024年正式量产没有问题。也有报道指出，台积电已经在研究2024年的2nm iPhone处理器，并且已经开始研究1nm制程节点技术。
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