台积电，转战1.4nm
最新更新时间：2022-05-10
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据台媒联合报报道，台积电3纳米制程今年8月将导入量产，但台积电为取得制霸权，防止英特尔杀出抢单，决定将3纳米研发团队转战1.4纳米开发，并预定下个月鸣枪起跑，投入确认技术规格的第一阶段（TV0）开发，这也为台积电准备跨足1纳米世代，揭开历史新页。
报道进一步指出，台积电日前敲定于今年8月于竹科研发中心P8厂及南科18B的P5厂，南北同时启动3纳米量产后，接下来要在先进制程开发上压制英特尔藉由2纳米技术突破争食苹果新世代处理器的威胁，以持续在晶圆代工保持领先优势。
考虑到三星和英特尔都对台积电嘴边的蛋糕虎视眈眈。毫无疑问，又一轮芯片制程大赛即将打响。
台积电急了
在之前的财报会上，台积电联席总裁魏哲家曾经表示，公司的2nm工艺正在研发当中，如按照初步规划，试产将在2024年底，最快则将于2025年投入量产。但是，英特尔在更早之前曾经表示，公司将在今年下半年完成Intel 18A（约为1.8nm ）的芯片设计，并将原定的量产时间从之前的2025年提前到2024年。由此，我们可以看到台积电担忧的来源。
另一个方面，对工艺制程有了解的读者应该知道，今年下半年开战的3nm工艺推进到现在，其实基本面已经定了。因为三大厂商（台积电、英特尔和三星）的工艺进度，甚至客户在目前看来都初步确定，且短期有太大的变化的可能性比较小。
但在3nm后的技术节点，则又有新的不确定性。
众所周知，自2011年英特尔发布22nm工艺以来，包括Intel、台积电、三星、格芯和中芯国际都几乎在所有的先进工艺逻辑芯片上使用FinFET晶体管制造。和以前的平面晶体管沟道是水平的不一样。在 FinFET 中，沟道是垂直的，栅极环绕在沟道周围，能从沟道的三个侧面提供出色的控制。
正因为这种不同寻常的设计，FinFET在应用中带来了更多的优势。例如对于给定的晶体管占位面积有更高的驱动电流、更高的速度和更低的泄漏，这使其能够具备更低的功耗、无随机掺杂剂波动，使得晶体管具有更好的迁移率和缩放比例。借助这个创新的晶体管设计，芯片制造工艺演进到了今年下半年面世的3nm。因为除了三星以外，其他晶圆代工厂在这个节点依然使用的是FinFET。
平面晶体管、FinFET晶体管和GAA晶体管
然而，到了3nm以后的工艺，FinFET的历史使命就已经完成了，这就驱使所有晶圆代工厂就不得不探索新的制造方法，如三星在3nm上应用的GAA（Gate All Around）晶体管就是当中一个选择。和当初从平面往立体转一样，新的晶体管也会给开发者提出新挑战。需要提示一下的是，三星在3nm就用上了这种新型晶体管，而英特尔也披露了不少关于他们新晶体管的信息，他们更是把Intel 18A看作超越台积电的关键技术。再加上，近日日经新闻报道，美国和日本正计划在2nm芯片上合作。考虑到日本在设备上的领先、当前的芯片本地制造趋势、美国IBM过往在先进工艺上的辉煌历史、热潮他们也于一年前推出2nm芯片等多种因素。
这就让在新工艺保密工作做得非常之好的台积电急了。
GAA没那么简单
如上所说，GAA晶体管是行业必然的发展趋势，而纳米片就是GAA晶体管的首个选择。
所谓纳米片，从构造上看，纳米片FET是一种旋转90度的finFET，这就让其可以产生水平堆叠的fin，而每个fin中间都有垂直栅极材料，且每个fin都是一个沟道。
Lam Research在其2020年的一篇博客中介绍道，早期的GAA设备将使用垂直堆叠的纳米片。它们由单独的水平片构成，四周都被门材料包围。这提供了相对于finFET改进的通道控制。与更高电流需要多个并排fin的FinFET不同，GAA 晶体管的载流能力通过垂直堆叠几个纳米片来增加，栅极材料包裹在通道周围。纳米片的尺寸可以缩放，以便晶体管的尺寸可以满足所需的特定性能。
该篇博客文章进一步指出，纳米片在概念上可能很简单，但它们对制造提出了新的挑战。其中一些挑战围绕着制造结构，其他涉及实现 PPAC 扩展目标所需的新材料。
如图所示，GAA晶体管是通过首先生长交替的Si和SiGe外延层的超晶格来制造的，这些外延层构成了纳米片的基础。而其关键步骤则包括沉积内部电介质间隔物以保护源极/漏极区域并定义栅极宽度，以及用于去除牺牲层（sacrificial layer）的沟道释放蚀刻。去除牺牲层后留下的空间需要用栅极电介质和金属填充，包括纳米片之间。因为栅极金属很可能会引入新材料，为此一些制造商正在评估钴，钌、钼、镍和各种合金。
在semiengineering的报道中，他们也揭露了制造纳米片FET带来的重大挑战。
首先在流程中，外延工具在衬底上沉积超薄、交替的SiGe和硅层，形成超晶格结构。这种结构可能具有三层、五层或更多层的每种材料；其次，微小的垂直fin在超晶格结构中被图案化和蚀刻。然后，形成内间隔物。在间隔蚀刻中，超晶格结构中的SiGe层的外部部分被凹陷，然后用介电材料填充；第三，形成源极/漏极。然后，去除超晶格结构中的SiGe层，留下构成通道的硅基层或片；最后，通过沉积高k电介质和金属栅极材料形成栅极。
”以上每一步都是一个挑战。与所有工艺一样，目标是开发没有缺陷的芯片。这需要在晶圆厂中采用完善的工艺控制策略。”semiengineering的记者在文章中强调。（关于纳米片制造，请参考半导体行业观察的文章《FinFET的继任者：纳米片该如何制造？》）
台积电制造集成经理在今年二月接受IEEE采访的时候就首先强调，我们正在接近原子尺度。然后他继续说：“以前，我们可以通过微调工艺来实现下一代节点，但现在每一代我们都必须在晶体管架构、材料、工艺和工具方面找到新的方法。在过去，这几乎是一种主要的光学缩小，但这不再是一个简单的技巧。”
Lam Research方面则表示，GAA晶体管将成为FinFET的继任者，而纳米片将演变为纳米线。这些GAA结构应该贯穿当前路线图上的高级流程节点。
三巨头各出奇招
正因为新技术拥有如此大的的挑战，因此三巨头都在夜以继日地攻克新制造工艺，他们也都先后披露了其面向未来新技术上面做得一些布局。
首先看比较“急”的台积电。在ISSCC 2021上，台积电董事长刘德音做了一个演讲，在演讲中他大概介绍了一下台积电的纳米片技术。刘德音指出，这些新器件的漏极引起的势垒降低和亚阈值摆动更小。而根据报道，使用TSMC的下一代平台降低了SRAM的电源电压，让其可以在0.46V下提供可靠的缓存操作。而随着对片上高速缓存的需求不断增加，电压低于半伏肯定会改善芯片功率预算。
虽然台积电在研讨会上没有太多披露，但据一些分析师分析，台积电展示的数据来自32 MB SRAM，但没有给出其他技术细节。他们大胆猜测其M0间距为28 nm，这就像在 5N 工艺中一样，这是纳米片的宽度约为35 nm，厚度约为6 nm。正是这样的设计为其提供了240–250 nm的沟道宽度，或相当于当前鳍片高度的2+鳍片晶体管。
semiwiki在一篇文章介绍，台积电研发组的Jin Cai在去年的VLSI研讨会上开展了一场名为“下一个十年的 CMOS 器件技术”的讨论。在演讲中，他透露了台积电主动工艺研发的三个领域，讲述获得更优化纳米片特性的方法：分别是增加pFET的SiGe化学计量、优化寄生Cgs/Cgd电容、处理底部纳米片的“mesa””泄漏。（具体参考文章《台积电谈2nm的实现方式》）。
接下来，我们看一下领先一步的三星。因为他在今年下半年就带来公司的GAA晶体管制造工艺，也就是三星在3nm使用的MBCFET（multi-bridge channel FET）制造工艺。
三星官方文件表示，典型的 GAA 晶体管采用细长纳米线的形式. 然而，沟道需要尽可能宽以允许大量电流流过它，并且纳米线的小直径使得难以获得这种更高的电流。为了克服这个问题，三星创造了他们专有的MBCFET（多桥通道场效应晶体管）并申请了专利。在三星看来，这是GAA晶体管的优化版本。通过将导线形成的沟道结构对齐为二维纳米片来增加与栅极接触的面积，MBCFET能够实现更简单的器件集成以及增加电流。在三星看来，公司的MBCFET是一种具有竞争力的晶体管结构，因为它不仅包括通过GAA结构减轻短沟道效应的方法，而且还通过扩大沟道面积来提高性能。
最后，再看一下英特尔的GAA晶体管RibbonFET
据介绍，RibbonFET 器件能够将沟道从基底材料上抬高，形成进入一块栅极材料的沟道线。由于沟道线的形状像带状，所以新的FET技术被称为 RibbonFET，而栅极完全围绕通道。这种独特的设计显着提高了晶体管的静电特性，并减小了相同节点技术的晶体管尺寸。但这并不是英特尔所做的唯一技术改进；他们还开发了一种新的电源路由技术，称为PowerVia。传统的半导体具有形成晶体管的平面半导体，然后添加导线层以提供电源和信号。混合电源和信号会带来路由挑战，并降低最终设备的整体效率。
而英特尔新宣布的PowerVia，能将晶体管的电源连接移动到芯片的底部。简而言之，PowerVia的引入相当于PCB从单面层转移到双面层。让电源线和信号线可以分开，使两层都更加高效。
总结
由上可见，无论是台积电、三星还是英特尔，他们其实都已经为GAA做好了充分准备，迎接下一个节点的到来。与此同时，他们还在继续研发面向未来的工艺，让芯片的性能提升拥有更多的选择。如二维材料就是包括台积电在内的晶圆厂的一个努力方向。
据相关研究人员称，二维半导体有望解决大尺寸晶体管中的通道控制问题：减小器件尺寸也会减小沟道长度。界面缺陷（由于晶体管栅极沟道的小尺寸）导致载流子迁移率下降。而MoS2等过渡金属二硫化物 (TMD) 就是亚10nm沟道晶体管的首选材料，因为它们在极薄的厚度下具有高迁移率。
在去年年中，台积电更是公布，公司与麻省理工学院（MIT）共同发表研究，首度提出利用「半金属铋」（Bi）作为二维材料的接触电极，可大幅降低电阻并提高电流，使其效能几与硅一致，有助实现未来半导体1纳米的挑战。
除了这些晶圆制造龙头外，IMEC等研究机构在为未来的芯片实现提出了很多方案和改进方式。芯片制造的未来，依然可期。
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