半導(dǎo)體制程已經(jīng)進(jìn)入3nm時(shí)代，因?yàn)榕_積電即將在本月開始試產(chǎn)3nm芯片。據(jù)悉，臺積電Fab 18B廠已完成3nm生產(chǎn)線建設(shè)，近期將進(jìn)行3nm測試芯片的正式下線投片的初期先導(dǎo)生產(chǎn)，預(yù)計(jì)2022年第四季度進(jìn)入量產(chǎn)階段。臺積電南科Fab 18超大型晶圓廠將建設(shè)P5～P8共4座3nm晶圓廠。

　　5G手機(jī)芯片及HPC運(yùn)算芯片會是臺積電3nm量產(chǎn)第一年的主要投片產(chǎn)品。業(yè)界預(yù)期，蘋果及英特爾將會是3nm量產(chǎn)初期兩大客戶，后續(xù)包括AMD、高通、聯(lián)發(fā)科、博通、邁威爾等都會在2023年開始采用3nm生產(chǎn)新一代芯片。

　　臺積電董事長劉德音曾經(jīng)表示，在3nm制程上，于南科廠的累計(jì)投資將超過 2萬億元新臺幣，目標(biāo)是3nm量產(chǎn)時(shí)，12英寸晶圓月產(chǎn)能超過60萬片。60萬片的月產(chǎn)能，這是一個(gè)非常驚人的數(shù)字，不過，在量產(chǎn)初期是達(dá)不到的，需要一個(gè)過程。據(jù)Digitimes報(bào)道，臺積電3nm芯片在2022年下半年開始量產(chǎn)，單月產(chǎn)能5.5萬片起，2023年，將達(dá)到10.5萬片。

　　臺積電在臺南科學(xué)園區(qū)有3座晶圓廠，分別是晶圓十四廠、晶圓十八廠和晶圓六廠，其中前兩座是12英寸晶圓廠，后一座是8英寸晶圓廠。晶圓十八廠是5nm制程工藝的主要生產(chǎn)基地。而除了5nm工藝，臺積電3nm制程工藝的工廠，也建在臺南科學(xué)園區(qū)內(nèi)，他們在2016年就公布了建廠計(jì)劃，工廠靠近5nm制程工藝的主要生產(chǎn)基地晶圓十八廠。

　　除了臺積電，三星也將試產(chǎn)3nm芯片。2020年初，三星已開始其新建的V1晶圓工廠的大規(guī)模生產(chǎn)，成為業(yè)內(nèi)首批完全使用6LPP和7LPP制造工藝的純極紫外光刻(EUV)生產(chǎn)線。而該工廠還被認(rèn)為是三星3nm制程的主陣地。

　　三星V1晶圓廠位于韓國華城、毗鄰 S3。三星于2018年2月開始建造V1，并于2019 下半年開始晶片的測試生產(chǎn)。目前，該公司還在擴(kuò)大V1晶圓廠的產(chǎn)能規(guī)模，也在緊鑼密鼓地為3nm量產(chǎn)做著準(zhǔn)備。

　　3nm制程芯片的試產(chǎn)，以及之后的量產(chǎn)，將半導(dǎo)體業(yè)的先進(jìn)制程推進(jìn)到了一個(gè)新的時(shí)代，使得前兩年還處于理論研究階段的工藝技術(shù)變成了現(xiàn)實(shí)。而在這之后，仍處在研發(fā)階段的2nm和1nm制程，將受到越來越多的關(guān)注，特別是其晶圓廠、設(shè)備、材料、工藝等產(chǎn)業(yè)化元素，已經(jīng)被提上議事日程，下面來看一下它們的進(jìn)展情況。

　　2nm

　　今年早些時(shí)候，有19個(gè)歐盟成員國簽署了一項(xiàng)聯(lián)合聲明，為“加強(qiáng)歐洲開發(fā)下一代處理器和半導(dǎo)體的能力”進(jìn)行合作。其中包括逐漸向2nm制程節(jié)點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)先制造技術(shù)。此外，日本正在與臺積電一起建立先進(jìn)的IC封裝和測試工廠。中國臺灣半導(dǎo)體研究中心(TSRI)開始與日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)總合研究所(AIST)合作，開發(fā)新型晶體管結(jié)構(gòu)。日本媒體指出，這有助于制造2nm及更先進(jìn)制程芯片，他們計(jì)劃將合作成果應(yīng)用在2024年后的新一代先進(jìn)半導(dǎo)體當(dāng)中。而2024年正是臺積電2nm制程的量產(chǎn)年。

　　2019年，臺積電率先開始了2nm制程技術(shù)的研發(fā)工作。相應(yīng)的技術(shù)開發(fā)的中心和芯片生產(chǎn)工廠主要設(shè)在臺灣地區(qū)的新竹，同時(shí)還規(guī)劃了4個(gè)超大型晶圓廠，主要用于2nm及更先進(jìn)制程的研發(fā)和生產(chǎn)。

　　臺積電2019年成立了2nm專案研發(fā)團(tuán)隊(duì)，尋找可行路徑進(jìn)行開發(fā)。在考量成本、設(shè)備相容、技術(shù)成熟及效能表現(xiàn)等多項(xiàng)條件之后，決定采用以環(huán)繞閘極(Gate-all-around，GAA)制程為基礎(chǔ)的MBCFET架構(gòu)，解決FinFET因制程微縮產(chǎn)生電流控制漏電的物理極限問題。MBCFET和FinFET有相同的理念，不同之處在于GAA的柵極對溝道的四面包裹，源極和漏極不再和基底接觸。

　　根據(jù)設(shè)計(jì)的不同，GAA也有不同的形態(tài)，目前比較主流的四個(gè)技術(shù)是納米線、板片狀結(jié)構(gòu)多路橋接鰭片、六角形截面納米線、納米環(huán)。與臺積電一樣，三星對外介紹的GAA技術(shù)也是Multi-Bridge Channel FET(MBCFET)，即板片狀結(jié)構(gòu)多路橋接鰭片。不過，三星在3nm節(jié)點(diǎn)處就使用了GAA，而臺積電3nm使用的依然是FinFET工藝。

　　按照臺積電給出的2nm工藝指標(biāo)，Metal Track(金屬單元高度)和3nm一樣維持在5x，同時(shí)Gate Pitch(晶體管柵極間距)縮小到30nm，Metal Pitch(金屬間距)縮小到20nm，相比于3nm都小了23%。

　　按照規(guī)劃，臺積電有望在 2023 年中期進(jìn)入 2nm 工藝試生產(chǎn)階段，并于一年后開始批量生產(chǎn)。2020年9月，據(jù)臺灣地區(qū)媒體報(bào)道，臺積電2nm工藝取得重大突破，研發(fā)進(jìn)度超前，業(yè)界看好其2023年下半年風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)良率就可以達(dá)到90%。

　　對于芯片制造來說，需要的設(shè)備很多，但就2nm這樣高精尖地工藝來講，EUV光刻機(jī)無疑是最為關(guān)鍵的。

　　對于臺積電先進(jìn)制程所需的EUV設(shè)備，有日本專家做過推理和分析：在EUV層數(shù)方面，7nm+為5層，5nm為15層，3nm為32層，2nm將達(dá)45層。因此，到2022年，當(dāng)3nm大規(guī)模生產(chǎn)、2nm準(zhǔn)備試產(chǎn)，需要的新EUV光刻機(jī)數(shù)量預(yù)計(jì)為57臺。2023年，當(dāng)3nm生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大、2nm開始風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)時(shí)，所需新EUV光刻機(jī)數(shù)達(dá)到58臺。到2024年，啟動(dòng)2nm的大規(guī)模生產(chǎn)，2025年生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，到時(shí)所需新EUV光刻機(jī)數(shù)預(yù)計(jì)為62臺。

　　對于EUV技術(shù)，臺積電表示，要減少光刻機(jī)的掩膜缺陷及制程堆疊誤差，并降低整體成本。今年在2nm及更先進(jìn)制程上，將著重于改善極紫外光技術(shù)的品質(zhì)與成本。之前有消息稱，臺積電正在籌集更多的資金，為的是向ASML購買更多更先進(jìn)制程的EUV光刻機(jī)，而這些都是為了新制程做準(zhǔn)備。

　　對于2nm和更先進(jìn)制程工藝來說，EUV光刻機(jī)的重要性越來越高，但是EUV設(shè)備的產(chǎn)量依然是一大難題，而且其能耗也很高。

　　歐洲微電子研究中心IMEC首席執(zhí)行官兼總裁LucVandenhove曾經(jīng)表示，在與ASML公司的合作下，更加先進(jìn)的光刻機(jī)已經(jīng)取得了進(jìn)展。

　　LucVandenhove表示，IMEC的目標(biāo)是將下一代高分辨率EUV光刻技術(shù)高NAEUV光刻技術(shù)商業(yè)化。由于此前的光刻機(jī)競爭對手早已經(jīng)陸續(xù)退出市場，使得ASML把握著全球主要的先進(jìn)光刻機(jī)產(chǎn)能，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)?？s小到1nm及以下。

　　目前，ASML已經(jīng)完成了NXE:5000系列的高NAEUV曝光系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)，至于設(shè)備的商業(yè)化。至少要等到2022年，而等到臺積電和三星拿到設(shè)備，要到2023年了。

　　對于像2nm這樣先進(jìn)的制程工藝來說，互連技術(shù)的跟進(jìn)是關(guān)鍵。傳統(tǒng)上，一般采用銅互連，但是，發(fā)展到2nm，相應(yīng)的電阻電容(RC)延遲問題非常突出，因?yàn)?，行業(yè)正在積極尋找銅的替代方案。

　　目前，面向2nm及更先進(jìn)制程的新型互連技術(shù)主要包括：混合金屬化或預(yù)填充，將不同的金屬嵌套工藝與新材料相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更小的互連和更少的延遲;半金屬嵌套，使用減法蝕刻，實(shí)現(xiàn)微小的互連;超級通孔、石墨烯互連和其他技術(shù)。這些都在研發(fā)中。

　　1nm

　　目前，1nm的研發(fā)還不成熟，還有諸多不確定因素。

　　隨著制程向3nm和2nm演進(jìn)，F(xiàn)inFET已經(jīng)難以滿足需求，gate-all-around(GAA)架構(gòu)成為必選，其也被稱為nanosheet，而1nm制程對晶體管架構(gòu)提出了更高的要求。為了將nanosheet器件的可微縮性延伸到1nm節(jié)點(diǎn)處，歐洲研究機(jī)構(gòu)IMEC提出了一種被稱為forksheet的架構(gòu)。在這種架構(gòu)中，sheet由叉形柵極結(jié)構(gòu)控制，在柵極圖案化之前，通過在pMOS和nMOS器件之間引入介電層來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)介電層從物理上隔離了p柵溝槽和n柵溝槽，使得n-to-p間距比FinFET或nanosheet器件更緊密。通過仿真，IMEC預(yù)計(jì)forksheet具有理想的面積和性能微縮性，以及更低的寄生電容。

　　此外，3D“互補(bǔ)FET”(CFET)也是1nm制程的晶體管方案。CFET技術(shù)的一個(gè)顯著特征是與納米片拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的相似性。CFET的新穎之處在于pFET和nFET納米片的垂直放置。CFET拓?fù)淅昧说湫偷腃MOS邏輯應(yīng)用，其中將公共輸入信號施加到nFET和pFET器件的柵極。

　　在VLSI 2020上，IMEC展示了CFET器件的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)概念證明，它是在單片工藝中制造的。該團(tuán)隊(duì)設(shè)法克服了這一復(fù)雜工藝方案的關(guān)鍵工藝挑戰(zhàn)，即從襯底開始，從下到上地加工CFET。在CFET中，對底層器件(如pFET)進(jìn)行加工后，再進(jìn)行晶圓鍵合，形成頂層器件(如nFET)溝道，然后對頂層器件進(jìn)行進(jìn)一步加工。CFET為頂層器件中使用的溝道材料提供了更靈活的選擇。

　　在先進(jìn)制程芯片的制造過程中，前道工序負(fù)責(zé)制造出相應(yīng)結(jié)構(gòu)的晶體管，而中間工序和后道工序則是將這些獨(dú)立的晶體管連接起來，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的芯片功能和性能，這就需要用到各種半導(dǎo)體材料。

　　1nm制程需要用到forksheet，CFET晶體管架構(gòu)，這些架構(gòu)對局部互連提出了新的要求，相應(yīng)地，后道工序需要采用新型材料(如釕(Ru)、鉬(Mo)和金屬合金)，還需要降低中間工序的接觸電阻。

　　對于后道工序而言，金屬線和通孔的電阻和電容仍然是最關(guān)鍵的參數(shù)。解決這個(gè)問題的一種方法是采用另一種金屬化結(jié)構(gòu)，稱為“零通孔混合高度”。這種方案可以根據(jù)金屬線的應(yīng)用需求，靈活地將電阻換成電容。

　　對于中間工序而言，為了進(jìn)一步緩解布線擁擠并滿足新提出的晶體管結(jié)構(gòu)的要求，該工序需要進(jìn)一步創(chuàng)新。例如，在CFET中，需要為接觸柵極提供新的解決方案，現(xiàn)在，這對于nFET和pFET器件來說是通用的。此外，高縱橫比的通孔把各種構(gòu)件互連起來，這些構(gòu)件現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)展到三維。但是，這些深通孔的主要寄生電阻需要降低。這可以通過引入先進(jìn)的觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，例如使用釕。

　　臺積電取得了一項(xiàng)成果，其與臺灣大學(xué)和美國麻省理工學(xué)院(MIT)合作，發(fā)現(xiàn)二維材料結(jié)合半金屬鉍(Bi)能達(dá)到極低的電阻，接近量子極限，可以滿足1nm制程的需求。

　　過去，半導(dǎo)體使用三維材料，這次改用二維材料，厚度可小于1nm(1~3層原子的厚度)，更逼近固態(tài)半導(dǎo)體材料厚度的極限。而半金屬鉍的材料特性，能消除與二維半導(dǎo)體接面的能量障礙，且半金屬鉍沉積時(shí)，也不會破壞二維材料的原子結(jié)構(gòu)。

　　1nm制程透過僅1 ~3層原子厚度的二維材料，電子從源極走以二硫化鉬為材料的電子通道層，上方有柵極增加電壓來控制，再從漏極流出，用鉍作為接觸電極的材料，可以大幅降低電阻并提高傳輸電流，讓二維材料成為可取代硅的新型半導(dǎo)體材料。

　　結(jié)語

　　3nm制程已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走到生產(chǎn)線，而接下來的2nm和1nm制程工藝需要攻克晶體管架構(gòu)、半導(dǎo)體材料，以及制造設(shè)備等幾道難關(guān)。從發(fā)展節(jié)奏來看，2nm將在2024年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，而到了2025年，1nm制程有望試產(chǎn)。