“芯”希望来自新工艺！EUV和GAAFET技术是个什么鬼？

随着三星Exynos 990和麒麟990移动平台的问世,一种名为“7nm+EUV”的全新工艺登上了历史舞台。

与此同时,FinFET晶体管技术也已有望被GAAFET所取代,未来的SoC芯片将因这两种新技术而出现翻天覆地的变化。

摩尔定律遇阻

自1965年英特尔创始人之一的戈登·摩尔提出摩尔定律以来,半导体领域就一直在遵循着“当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18个~24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍”这个规律前行。

然而,摩尔定律引领的工艺革新节奏在2013年便出现了放缓的现象,这一点从英特尔14nm制程工艺从2015年诞生并将沿用到2020年就很能说明问题。

看到这里,不少用户可能会产生疑问:摩尔定律失效就失效呗,反正以现有工艺生产的芯片也不是不能用。

工艺升级的必要性

处理器、内存、闪存、各种电源管理和控制类的芯片,都是摩尔定律的受益者。

以处理器为例,其主要构成就是晶体管,晶体管数量越多性能越强,而更先进的制程工艺意味着在有限的面积内可以塞进更多的晶体管。

你不希望家里的电脑和随身的手机具备更强悍的性能动力吗?

此外,制程工艺的升级,还能降低功耗,并在提升性能的同时大幅缩小芯片的封装面积。

还是以英特尔为例,其在45nm时期封装面积为100平方毫米的处理器芯片,32nm工艺时期就可将芯片面积缩小到62平方毫米,在22nm、14nm和10nm上更是能进一步压缩到38.4平方毫米、17.7平方毫米和7.6平方毫米。

以此同时,在最新10nm工艺节点上,每平方毫米的晶体管数量也能超过1亿个!

如今无论是PC还是手机都在坚持“瘦身”,更小封装面积的芯片,可以让这些电子设备变得更轻更薄,还能大幅降低生产芯片的成本——在一张晶圆上可以切割出更多的芯片。

请不小小看这个变化,生产芯片的重要原料是从沙子中提取的硅,而符合半导体工业要求的沙子也并非沙漠、海滩中随处可见的细沙,而是需要直径足够大的“砂砾”。

前不久网上流传的“造芯片的沙子不够用”的文章就已经指出,随着建筑工业用砂资源的紧缺,相关产业的成本将面临极大的压力。

在这个大环境下,生产工艺的革新恰好可以对冲生产原料紧张的风险,摩尔定律“重启”的重要性不言而喻。

那么,如何才能让摩尔定律重回正轨?除了砷化铟镓(InGaAs)及磷化铟(InP)等三五族半导体材料以外,EUV和GAAFET技术就是最近几年内最为关键的核心技术。

浅析EUV光刻机

在芯片制造业中,“光刻机”是科技含量最高,也是最为核心的设备之一,它涉及到系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术。

光刻机的原理

光刻机的工作原理是把芯片的电路设计图案缩小后,以纳米级别的精度,通过一系列的光源能量、形状控制手段,将光束透射过画着线路图的掩模,映射并蚀刻到半导体材料(晶圆硅片)上,然后再使用化学方法显影,最终得到刻在硅片上的电路图。

我们可以将这个过程理解为传统的胶片相机,让光线通过镜头投射到胶卷实现曝光,再经过显影液浸泡得到清晰的,还原了镜头前景色的照片。只是,光刻机镜头前的景色变成了芯片电路设计图,而最终“洗”出来的照片,则是硅晶片成品。

总之,光刻机就是使用光线蚀刻的方式制造芯片,所谓的更先进工艺(如7nm相较与10nm),就是需要在晶圆硅片上蚀刻出更精细(降低晶体管间距)的电路,此时光源将扮演至关重要的角色。

光源的意义

历史上,光刻机曾使用过采用汞灯产生的436nm和365nm波长的光作为蚀刻光源,用于生产0.8μm~0.35μm(微米,注意不是纳米,1微米=1000纳米)的芯片。

随后,光刻机进入了193nm波长的准分子激光时代,可以生产7nm以上制程工艺的芯片。目前主流的光刻设备都采用了DUV(深紫外光刻,包含ArF和KrF光源)技术,也就是我们熟悉的DUV光刻机。

问题来了,由于DUV光刻机使用光源的波长较长,需要多重光罩/曝光才能实现7nm制程(造成成本上升及生产周期延长),而且更小的晶体管间距也将面临一定的漏电问题,无法完美发挥出7nm工艺应有的电气性能。

台积电第一代7nm工艺(骁龙855、麒麟980)本质上就属于7nm+DUV工艺,属于7nm时代的“半成品”。当然,7nm+DUV的性能也足以完胜台积电和三星早期的10nm,只是不够完美而已。

DUV光刻机生产7nm就已经达到极限,自然没法满足下一代5nm制程工艺的需要。如果不想办法加以解决,摩尔定律在7nm→5nm节点的升级中又将遭遇延期。

EUV光刻机显威

EUV(极紫外光刻)技术就是为了解决上述问题而诞生的,它采用了波长为13.5nm的极紫外光,波长仅有DUV光刻设备193nm光源的1/15,能够在硅晶片上刻下更小的沟道,只需1次光罩/曝光就能搞定最新的7nm制程,大幅降低了生产成本和生产周期。

目前,台积电和三星都已经实现了7nm+EUV制程工艺的量产,并分别用在了麒麟990 5G版和Exynos 9825/990身上。以麒麟990 5G版为例,它在7nm+EUV的加持下首次在移动SoC身上实现了集成多达103亿个晶体管的历史性突破,但其芯片面积却仅与上代麒麟980基本持平,板级面积还缩小了36%。

可以说,当光刻机进入EUV时代后,有望重新解锁摩尔定律,让5nm和3nm走上既定的轨道。

EUV光刻机的局限性

极紫外光刻技术概念早在上世纪九十年代就已经出现,来自荷兰的ASML公司于1999年就展开了EUV光刻机的研发,但直到2016年才实现对下游客户的供货,而EUV光刻机被用于生产我们常见的7nm制程的处理器则被进一步拖延到了2019年。

导致EUV光刻机商业化延误的原因有很多,比如成本太高——最先进的EUV光刻机售价高达1亿美元一台,是DUV光刻机价格2倍多,采购以后还需要多台747飞机才能运输整套系统。

此外,EUV光刻机必须在超洁净环境中才能运行,一小点灰尘落到光罩上就会带来严重的良品率问题,并对材料技术、流程控制、缺陷检验等环节都提出了更高的要求。

最关键的是,EUV光刻机还极度耗电,它需要消耗电力把整个环境都抽成真空(避免灰尘),通过更高的功率也弥补自身能源转换效率低下的问题,设备运行后每小时就需要耗费至少150度的电力。

当然,这些都不是咱们消费者需要考虑的问题,我们只需知道,只有引入EUV技术的7nm才是真正的7nm,而这项技术也将伴随未来的5nm和3nm一路前行。

换句话说,未来在购买电子设备时,采用EUV技术生产的CPU等芯片会更具竞争力。

浅析GAAFET技术

英特尔自22nm,三星和台积电分别从14nm和16nm制程节点时期引入了FinFET立体晶体管技术,为更先进的芯片设计奠定了基础。

然而,当制程工艺跨过7nm进入5nm制程节点后,FinFET也将遭遇物理极限,此时只有GAAFET技术的引入才能让摩尔定律继续前行。

FinFET成就3D晶体管

芯片内部是由无数晶体管组成,在单位面积里晶体管数量越多性能越强,前文我们提到的DUV和EUV光刻机,其意义就是在单位面积中进一步缩短晶体管间距,增加晶体管密度(数量)。

但是,晶体管密度越高,漏电问题越严重,造成芯片发热增加和性能下降。

在2011年以前,传统晶体管结构都是平面的,只能在闸门的一侧控制电路的接通与断开。

为了解决漏电问题,英特尔在22nm处理器时期带来了FinFET(鳍式场效应晶体管)架构,这种晶体管的特色是将传统平面、越来越薄的绝缘层改变为立体的状态,闸门被设计成类似鱼鳍的叉状3D架构,可于电路的两侧控制电路的接通与断开,通过大幅度提升源极和栅极的接触面积,使得晶体管在控制漏电电流方面得到改善。

需要注意的是,都是FinFET,背后的技术原理和实际性能也可能存在较大的差异。

比如英特尔在最新10nm工艺上带来了第三代FinFET立体晶体管技术,晶体管密度达到了每平方毫米1.008亿个,远远高于三星10nm工艺的晶体管密度(约5510万个),甚至可以媲美三星和台积电的7nm工艺,并在最小栅极间距和最小金属间距方面也有着巨大的优势。

GAAFET为未来扫清障碍

目前我们所看到的所有小于16nm工艺的芯片都采用了FinFET立体晶体管,但就好像DUV光刻机一样,FinFET虽然可以勉强达到设计和生产5nm制程工艺的最低要求,但要想100%发挥5nm的全部潜力,漏电问题依旧是无法绕过的槛。

好消息是,主流芯片厂商都已经为此做好了准备,并提出了名为“GAAFET”(Gate-All-Around,环绕式栅极技术)的横向晶体管技术。

和FinFET相比,GAAFET实现了栅极对沟道的四面包裹,利用线状或者平板状、片状等多个源极和漏极横向垂直于栅极分布。

从物理结构来看,GAAFET是一种比FinFET更加立体和复杂的3D晶体管。

需要注意的是,三星在GAAFET的基础上还提出了变体的“MBCFET(多桥通道FET)”专利技术,它使用通道结构来排列nm片,增加了栅极和沟道之间的接触面积,并实现了电流的增加。

目前,英特尔、三星和台积电都已经对GAAFET技术开始试产,而它的首次商业化亮相应该就在不远的5nm时代,而GAAFET能否成为更先进工艺的最佳搭档,还得等时间来验证。

总之,当摩尔定律遇到22nm以下的制程工艺节点后可谓寸步难行,很多常见的物理定律都会失去作用。为了解决微缩尺度所带来的各种不确定性,我们看到了High-K、特种金属、SOI、FinFET、EUV和GAAFET在内的各种增强技术。

作为普通用户,站在最佳消费体验的角度来看,我们自然是希望摩尔定律永远有效,让我们新买的各种电子设备不断变强。但是,与此同时,我们也应该感谢为了维系这个定律继续前行的科研工作者们。