關于臺積電半導體技術分享

來源：內(nèi)容來自由半導體行業(yè)觀察翻譯自「semiwiki」，作者：Tom Dillinger，謝謝。

編者按：每年，臺積電都會在全球舉辦兩場大型客戶活動——春季臺積電技術研討會和秋季臺積電開放式創(chuàng)新平臺生態(tài)系統(tǒng)論壇。技術研討會最近在加州圣克拉拉舉行，廣泛介紹先進半導體和封裝技術發(fā)展的最新情況。本文簡要回顧了半導體工藝演示的要點，后續(xù)文章將回顧先進封裝的內(nèi)容。

臺積電成立于1987年，自1994年以來一直舉辦年度技術研討會，今年是臺積電成立25周年（圣克拉拉會議中心普遍強調(diào)這一點）。臺積電北美總裁兼首席執(zhí)行官Dave Keller表示：“第一屆硅谷研討會的與會者不足100人，而現(xiàn)在，出席人數(shù)已超過2000人?！?/p>

供公司發(fā)展總監(jiān)Cheng-Ming Liu博士介紹了臺積電汽車客戶的獨特需求，特別是在更長的產(chǎn)品生命周期內(nèi)的持續(xù)供應。他表示：

“我們對“舊”的工藝流程的承諾是堅定不移的。我們從未關閉過一家工廠，也從未關閉過一項工藝技術?！?/p>

研究與開發(fā)/技術開發(fā)高級副總裁Y.-J.Mii博士著重介紹了工藝技術發(fā)展的三個時代，如下圖所示：

在第一階段，Dennard Scaling是指在后續(xù)的工藝節(jié)點中，將FEOL線性光刻尺寸按“s”(s < 1)的比率進行微縮，實現(xiàn)電路密度（1 / s^2）的提高（量度為gates / mm^2），下一階段的重點是材料的改進，而當前階段的重點是設計—技術的協(xié)同優(yōu)化（馬上有更多介紹）。

在隨后的研討會上，集成互連和封裝研發(fā)副總裁DougYu博士介紹了先進封裝技術如何專注于微縮，盡管持續(xù)時間較短。 “十多年來，封裝還提供了再分布層（RDL）和凸點間距光刻的二維改進。借助我們今天所描述的多芯片、3D垂直堆疊封裝技術——特別是臺積電的SoIC產(chǎn)品，我們在電路密度方面取得了巨大的改善。S等于零。或者換句話說，我們實現(xiàn)了無限微縮。（實際上，很容易預見到產(chǎn)品技術將開始使用gates / mm^3進行度量。）

臺積電先進工藝技術現(xiàn)狀的簡要介紹

（一）N7/N7+（7nm/7nm+）

臺積電在兩年前的研討會上宣布了N7和N7 +工藝節(jié)點。

N7是“基線”的FinFET工藝，而N7+通過引入EUV光刻技術，為選定的FEOL層提供了更好的電路密度。設計IP從N7過渡到N7+需要重新部署，以實現(xiàn)1.2倍的邏輯門密度提高。主要亮點包括：

N7正在投產(chǎn)，2019年預計將有100多種新的流片（NTO）。

關鍵IP介紹：112Gbps PAM4 SerDes。

N7+受益于持續(xù)的EUV輸出功率（~280W）和uptime（~85％）的改善。臺積電表示：“雖然我們預計功率和uptime會進一步改善，但這些措施足以推動N7 +容量增長?！?/p>

臺積電專注于減少N7的缺陷密度（D0）。根據(jù)臺積電的說法，“在初始產(chǎn)量增加后，D0改進斜坡的速度比以前的節(jié)點快?！?/p>

臺積電展示了N7芯片尺寸的分裂：移動客戶<100 mm^2，HPC客戶>300 mm^2。

據(jù)我所知，臺積電還首次表示他們正專門為“大型芯片”追蹤D0，并報告說與其他N7產(chǎn)品相比，大型設計相對減少了學習。

N7+將于2009年下半年產(chǎn)量上升，并表現(xiàn)出與N7相當?shù)腄0缺陷率。

（二）讓5G成為現(xiàn)實

臺積電邀請高通首席技術官Jim Thompson介紹了他對N7的看法——這是一次非常有啟發(fā)性的演講：

“N7是5G的推動者，如我們最新的SnapDragon855版本所示?！?/p>

“具有256個天線單元的5G MIMO支持64個同步數(shù)字流（simultaneous digital streams），即16個用戶每個用戶在一部電話上接收4個數(shù)據(jù)流?！?/p>

“天線設計對于5G來說確實非常關鍵，可以克服路徑損耗和信號阻塞。人們正在尋求新的、創(chuàng)新的天線實施方案——歸根結底，這只是數(shù)學問題，盡管肯定是復雜的數(shù)學問題。”

“對于5G的采用率，肯定有很多人持懷疑態(tài)度。然而，5G的傳輸速度比4G快得多。在推出計劃中，只有5家運營商和3臺OEM設備支持4G，大部分在美國和韓國。目前，有超過20家運營商和20多家OEM設備專注于5G部署，包括歐洲、中國、日本和東南亞?！?/p>

“此外，不要忽視5G在消費類手機以外的應用中的部署，例如無線工廠自動化。與工業(yè)機器人的通信需要高帶寬、低延遲和極高的可用性。考慮一下5G帶來的在無線環(huán)境下制造靈活性的機會?！?/p>

（三）N6（6nm）

臺積電推出了一款新節(jié)點產(chǎn)品，名為N6。此節(jié)點具有一些非常獨特的特性：

與N7兼容的設計規(guī)則（例如，57 mm M1 pitch，與N7相同）

與N7兼容的IP模型

為有限的FEOL層提供EUV光刻，“比N7+多1個EUV層，充分利用了N7+和N5的學習經(jīng)驗”

更嚴格的工藝控制，比N7更快的cycle time

同樣的EDA參考流程、填充算法等，與N7相同

N7設計可以簡單地“重新流片”（re-tapeout，RTO）到N6，以提高EUV掩模光刻的產(chǎn)量

或者，N7設計可以通過使用N6標準單元庫（H240）重新部署邏輯塊來提交新的流片（NTO），該庫利用單元之間的“公共PODE”（CPODE）設備將邏輯塊密度提高~18%。

2020年第一季度開始風險生產(chǎn)（圖示為13級金屬互連堆棧）

盡管設計規(guī)則與N7兼容，但N6還引入了一個非常獨特的功能“M0路由”。

下圖說明了“典型”FinFET器件layout，其中M0僅用作局部互連，用于連接multi-fin器件的源極或漏極節(jié)點，并在單元內(nèi)用于連接通用nFET和pFET原理圖節(jié)點。

我需要更多地思考使用M0作為路由層的機會，臺積電表示EDA路由器對此功能的支持仍然是合格的。

在我看來，N6是臺積電引入“半節(jié)點”流程路線圖的延續(xù)，如下圖所示。

半節(jié)點工藝既是工程驅(qū)動的決策，也是業(yè)務驅(qū)動的決策，目的是提供低風險的設計遷移路徑，為現(xiàn)有N7設計提供一個降低成本的選項，作為一個“mid-life kicker”。

N6的引入也凸顯了一個問題，這個問題將變得越來越棘手。集成外部IP的設計的遷移取決于IP提供商的工程和財政資源，以便按照適當?shù)臅r間表在新節(jié)點上開發(fā)、發(fā)布（在測試站點上）、表征IP并對其進行鑒定。N6提供了在不受外部IP釋放約束的情況下引入kicker的機會。

（四）N5（5nm）

工藝節(jié)點N5合并了額外的EUV光刻，以減少需要大量多重曝光處理的圖層的掩模數(shù)。

風險生產(chǎn)于19年3月開始，高產(chǎn)量增長將在2020年第二季度臺南Gigafab 18完成（19年3月完成的第1階段設備安裝）

旨在同時支持移動和高性能計算“平臺”客戶；高性能應用程序?qū)⑾Ｍ褂眯碌摹俺蚔t”（ELVT）器件

1.5V或1.2V I / O器件支持

計劃提供N5P(“PLUS”)產(chǎn)品，在恒定功率下可提高+7%的性能，或在恒定perf 下比N5降低約15%的功率（N5后一年）

N5將使用高移動性（Ge）器件溝道

先進材料工程

除了N5推出高移動性溝道外，臺積電還強調(diào)了其他材料和器件工程更新：

超高密度MIM產(chǎn)品（N5），具有2X ff/um*2和2X插入密度

新型低K介電材料

金屬反應離子蝕刻（RIE），取代 Cu damascene，實現(xiàn)金屬間距<30um

石墨烯“cap”，降低Cu互連電阻率

改進的局部MIM電容將有助于解決由于較高的柵極密度而增加的電流。臺積電指出，高性能（高開關活動）設計可實現(xiàn)預期的個位數(shù)性能提升。

節(jié)點16FFC和12FFC都得到了器件工程改進：

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

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

這些節(jié)點的NTO將在2019年第三季度被接受。

臺積電還簡要介紹了正在進行的未來節(jié)點材料研究的研發(fā)活動， 例如，Ge nanowire/nanoslab器件溝道，2D半導體材料（ZrSe2，MoSe2），請見下圖（來源：臺積電）。

Fab運營高級副總裁j.k Wang博士詳細討論了正在進行的降低DPPM和保持“卓越制造”的努力。特別值得注意的是為滿足汽車客戶苛刻的可靠性要求而采取的步驟。Wang博士演講的重點包括：

“自引入N16節(jié)點以來，我們在頭6個月加快了每個節(jié)點的產(chǎn)能提升速度。2019年N7的產(chǎn)能將超過每年100萬塊12英寸晶圓。自2017年以來，隨著Gigafab 15的第5至7階段已經(jīng)投產(chǎn)，N10/N7產(chǎn)能增長了兩倍?！?br />
“我們實施了積極的統(tǒng)計過程控制（在控制晶圓現(xiàn)場進行測量），以便及早發(fā)現(xiàn)、停止和修復過程的變化，例如基線測量的向上/向下偏移、方差偏移、工具之間的不匹配。我們建立了二維晶圓剖面測量標準，并對每個晶圓的‘驗收’剖面進行在線監(jiān)測和比較?！?/p>

“N7的DDM降低率是所有節(jié)點中最快的?！?/p>

“對于汽車客戶，我們實施了獨特的措施，以實現(xiàn)苛刻的DPPM要求。我們會把壞區(qū)域中的好芯片標記出來。而且邊際批次會有SPC標準，它們會被廢棄。”

“我們將支持特定于產(chǎn)品的規(guī)格上限和下限標準。我們將報廢超出規(guī)格限制的晶圓，或保留整批晶圓進行客戶的風險評估。”（見下圖。資料來源：臺積電）

臺積電的不同技術平臺

臺積電開發(fā)了一種針對流程開發(fā)和設計支持功能的方法，主要關注四個平臺——移動、HPC、物聯(lián)網(wǎng)和汽車。汽車事業(yè)部總監(jiān)Cheng-Min Lin博士介紹了該平臺的最新情況，以及汽車客戶的獨特特點。

（一）汽車平臺

Lin博士指出：“汽車系統(tǒng)既需要先進的ADAS邏輯技術，如N16FFC，也需要先進的V2X通信射頻技術。盡管從現(xiàn)在到2022年，汽車的復合年均增長率預計僅為1.8%，但半導體內(nèi)容的復合年均增長率將為6.9%。

他繼續(xù)說:“L1/L2功能的使用率將達到30%左右，額外的MCU應用于安全、連接，以及電動/混合電動汽車功能。每輛車大約有30-40個單片機?！保ㄔ谒膱D表中，預測L3/L4/L5的使用率在2020年約為0.3%，2025年為2.5%。）

“數(shù)字儀表板駕駛艙可視化系統(tǒng)的采用率也將提高，進一步推動半導體增長，2018年為0.2%，2025年達到11%。”

L2+

SAE International將自動駕駛輔助和最終自動駕駛的支持水平定義為“1級至5級”。也許是因為認識到實現(xiàn)L3到L5的困難，因此提出了一個新的“L2+”級別（盡管在SAE之外），帶有附加的攝像機和決策支持功能。

“L2+型汽車通常會集成6個攝像頭、4個短程雷達系統(tǒng)和1個遠程雷達單元，需要超過50GFLOPS圖形處理和>10K DMIPS導航處理吞吐量?！?/p>

N16FFC，然后是N7

16FFC平臺已通過汽車環(huán)境應用認證，例如SPICE和老化模型，基礎IP特性，非易失性存儲器，接口IP。N7平臺將于2020年通過（AEC-Q100和ASIL-B）認證。Lin博士表示：“汽車客戶往往落后消費者采用約2~3年來利用DPPM學習，盡管這一間隔正在縮短。我們預計N7汽車將在2021年被廣泛采用?！?/p>

“臺積電射頻CMOS產(chǎn)品將用于SRR、LRR和LIDAR。16FFC-RF增強型工藝將在2020年2季度符合合汽車平臺的要求。”

（二）物聯(lián)網(wǎng)平臺

臺積電物聯(lián)網(wǎng)平臺專注于低成本，低（有源）功耗和低泄漏（待機）功耗。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務開發(fā)總監(jiān)Simon Wang博士提供了以下最新信息：

工藝流程路線圖

55ULP, 40ULP (w/RRAM): 0.75V/0.7V

22ULP, 22ULL: 0.6V

12FFC+_ULL: 0.5V (目標)

為22ULL節(jié)點引入新器件：EHVT器件，超低泄漏SRAM

22ULL SRAM是一種“雙VDD rail”設計，具有獨立的邏輯（0.6V，SVT+HVT）和bitcell VDD_min（0.8V）值，可實現(xiàn)最佳待機功耗。

22ULL節(jié)點還獲得非易失性存儲器的MRAM選項。

請注意，一種新的方法將被應用于低VDD設計的靜態(tài)時序分析?；陔A段的OCV（降階乘法器，derating multiplier）單元延遲計算將使用自由變異格式（LVF）過渡到sign-off。

下一代物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點將是12FFC+_ULL，風險生產(chǎn)將在2020年第二季度開始。（具有SVT低VDD標準單元, 0.5V VDD）

（三）射頻

臺積電強調(diào)了RF技術的過程開發(fā)重點，作為5G和汽車應用增長的一部分。RF和模擬業(yè)務開發(fā)總監(jiān)Jay Sun博士重點介紹了以下要點：

對于RF系統(tǒng)收發(fā)器，22ULP / ULL-RF是主流節(jié)點。對于更高端的應用，16FFC-RF是合適的，其次是2020年下半年的N7-RF。

重要的器件研發(fā)正在研發(fā)，以增強這些節(jié)點的器件ft和fmax，期待2020年的16FFC-RF-Enhanced（fmax> 380GHz）和2021年的N7-RF-Enhanced。

新的頂級BEOL堆疊選項可用于“升高”的超厚金屬，用于電感器，使之具有更高的Q值。

對于低于6GHz的RF前端設計，臺積電將于2019年推出N40SOI——從0.18微米SOI過渡到0.13微米SOI，再過渡到N40SOI，以此提供ft和fmax大幅改進的器件。

先進封裝方面的表現(xiàn)

從研討會我們可以看得出，臺積電顯然已從一家“純”晶圓級代工廠轉(zhuǎn)型為復雜集成系統(tǒng)模塊的供應商——或者根據(jù)臺積電CEO C.C.Wei的說法，臺積電是“大規(guī)模納米生產(chǎn)創(chuàng)新”的領先供應商。這是多年研發(fā)投資的成果，例如，請參閱下文“SoIC”部分中關于3D堆疊的討論。

集成互連和封裝研發(fā)副總裁Doug Yu博士提供了詳細的最新信息。Yu博士將封裝技術分為獨特的類別——“前端”3D芯片集成（SoIC）和“后端”封裝進展（CoWoS, InFO）。此外，他還介紹了焊盤間距和 Cu pillar/ SnAg凸點光刻技術的進展，特別提到了汽車級可靠性要求。

(1)凸點（Bumping）技術

臺積電繼續(xù)推進凸點技術，可實現(xiàn)60-80um的凸點間距（適用于較小的芯片）。

(2)CoWos

臺積電最初的2.5D封裝產(chǎn)品是chip-on-wafer-on-substrate(CoWoS)，它通過使內(nèi)存“更接近處理器”，實現(xiàn)了非常高性能的系統(tǒng)集成。

?> 50種客戶產(chǎn)品

?臺積電正在開發(fā)“標準化”配置，例如，從具有2個或4個HBM的1個SoC，演變?yōu)榫哂?個HBM2E的2個以上SoC（96GB @ 2.5TB /秒）

相應地，臺積電將把最大2.5D中介層占用空間從1X光罩（~50x50）擴展到3X（~85x85），具有150um的凸點間距。

?硅中介層支持5個金屬層和（新）深溝道電容——請參見下圖。

(3)InFo

臺積電繼續(xù)發(fā)展集成FanOut（InFO）封裝產(chǎn)品?；叵胍幌?，InFO是使用“重組晶圓”成型化合物集成（多個）芯片的手段，以提供用于RDL圖案化的封裝襯底。InFO以傳統(tǒng)的小封裝WLCSP技術為基礎，以實現(xiàn)（大面積）重分布互連和高凸點數(shù)——請參見下圖。

InFO-PoP支持在基極頂部堆疊邏輯芯片和DRAM芯片，使用through-InFO-vias（TIV）將DRAM連接到金屬層。InFO-PoP開發(fā)的重點是改善TIV的間距和縱橫比（垂直面與直徑）。

InFO-on-Substrate產(chǎn)品將（多芯片）InFO模塊連接到（大面積）基板，充分利用為CoWoS開發(fā)的多光罩綁結技術（multiple reticle stitching technology）。

(4)SoIC（“前端”3D集成）

研討會關于封裝的重要公告是介紹了“前端”3D芯片堆疊拓撲，稱為SoIC（System-on-Integrated Chips集成系統(tǒng)芯片）。

SoIC是一種多芯片之間的“無凸點”互連方法。如下圖所示（來自臺積電早期的一篇研發(fā)論文），來自基模的Cu焊盤和來自（變薄的）頂部芯片的裸露的Cu“nails”利用熱壓結合來提供電氣連接。（在 die-to-die接口也存在合適的底部填充材料。）

?芯片中的硅通孔提供連接，間距非常緊湊。

?支持face-to-face和face-to-back芯片連接。 “已知良好”的堆疊芯片可以是不同的尺寸，在堆疊層上具有多個芯片。

?臺積電展示了一個3高垂直SoIC 堆疊（3-high vertical SoIC stack）實體模型。

?EDA支持可用：物理設計（DRC、網(wǎng)絡列表/LVS）、寄生提取、時序、IR/EM分析、信號完整性/功率完整性分析、熱/材料應力分析。

?SOIC封裝產(chǎn)品的資格目標是2019年。（我從單獨的臺積電公告中了解到，SoIC的將在2021年量產(chǎn)。）

總結

幾年前，有人半猜測半開玩笑說，“只有7個客戶能負擔得起7nm設計，只有5個客戶能負擔得起5nm”。

顯然，N7/N6和N5在移動通信、HPC和汽車（L1-L5）應用中的發(fā)展勢頭打消了這種想法。臺積電正通過DTCO大力投資這些節(jié)點，充分利用EUV光刻領域的重大進展和新材料的引入。

另外，我們也看到，除了傳統(tǒng)的晶圓代工以外，臺積電的2.5D和InFO“后端”封裝產(chǎn)品都在不斷發(fā)展，重點是推出SoIC拓撲結構的緊密間距Cu壓接全3D堆疊芯片?？捎玫碾娐访芏龋╩m ^3）將非常吸引人。然而，利用這項技術的挑戰(zhàn)相當大，從系統(tǒng)架構分區(qū)到堆疊芯片接口的復雜電氣/熱/機械分析，全都包括在內(nèi)。

摩爾定律絕對具有活力，盡管需要戴上3D眼鏡才能看到。