工藝升級(jí)是否必要性，EUV和GAAFET技術(shù)解讀

隨著三星Exynos 990和麒麟990移動(dòng)平臺(tái)的問(wèn)世，一種名為“7nm+EUV”的全新工藝登上了歷史舞臺(tái)。

與此同時(shí)，F(xiàn)inFET晶體管技術(shù)也已有望被GAAFET所取代，未來(lái)的SoC芯片將因這兩種新技術(shù)而出現(xiàn)翻天覆地的變化。

摩爾定律遇阻

自1965年英特爾創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾提出摩爾定律以來(lái)，半導(dǎo)體領(lǐng)域就一直在遵循著“當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18個(gè)~24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍”這個(gè)規(guī)律前行。

然而，摩爾定律引領(lǐng)的工藝革新節(jié)奏在2013年便出現(xiàn)了放緩的現(xiàn)象，這一點(diǎn)從英特爾14nm制程工藝從2015年誕生并將沿用到2020年就很能說(shuō)明問(wèn)題。

看到這里，不少用戶(hù)可能會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn)：摩爾定律失效就失效唄，反正以現(xiàn)有工藝生產(chǎn)的芯片也不是不能用。

工藝升級(jí)的必要性

處理器、內(nèi)存、閃存、各種電源管理和控制類(lèi)的芯片，都是摩爾定律的受益者。

以處理器為例，其主要構(gòu)成就是晶體管，晶體管數(shù)量越多性能越強(qiáng)，而更先進(jìn)的制程工藝意味著在有限的面積內(nèi)可以塞進(jìn)更多的晶體管。

你不希望家里的電腦和隨身的手機(jī)具備更強(qiáng)悍的性能動(dòng)力嗎？

此外，制程工藝的升級(jí)，還能降低功耗，并在提升性能的同時(shí)大幅縮小芯片的封裝面積。

還是以英特爾為例，其在45nm時(shí)期封裝面積為100平方毫米的處理器芯片，32nm工藝時(shí)期就可將芯片面積縮小到62平方毫米，在22nm、14nm和10nm上更是能進(jìn)一步壓縮到38.4平方毫米、17.7平方毫米和7.6平方毫米。

以此同時(shí)，在最新10nm工藝節(jié)點(diǎn)上，每平方毫米的晶體管數(shù)量也能超過(guò)1億個(gè)！

如今無(wú)論是PC還是手機(jī)都在堅(jiān)持“瘦身”，更小封裝面積的芯片，可以讓這些電子設(shè)備變得更輕更薄，還能大幅降低生產(chǎn)芯片的成本——在一張晶圓上可以切割出更多的芯片。

請(qǐng)不小小看這個(gè)變化，生產(chǎn)芯片的重要原料是從沙子中提取的硅，而符合半導(dǎo)體工業(yè)要求的沙子也并非沙漠、海灘中隨處可見(jiàn)的細(xì)沙，而是需要直徑足夠大的“砂礫”。

前不久網(wǎng)上流傳的“造芯片的沙子不夠用”的文章就已經(jīng)指出，隨著建筑工業(yè)用砂資源的緊缺，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的成本將面臨極大的壓力。

在這個(gè)大環(huán)境下，生產(chǎn)工藝的革新恰好可以對(duì)沖生產(chǎn)原料緊張的風(fēng)險(xiǎn)，摩爾定律“重啟”的重要性不言而喻。

那么，如何才能讓摩爾定律重回正軌？除了砷化銦鎵（InGaAs）及磷化銦（InP）等三五族半導(dǎo)體材料以外，EUV和GAAFET技術(shù)就是最近幾年內(nèi)最為關(guān)鍵的核心技術(shù)。

淺析EUV光刻機(jī)

在芯片制造業(yè)中，“光刻機(jī)”是科技含量最高，也是最為核心的設(shè)備之一，它涉及到系統(tǒng)集成、精密光學(xué)、精密運(yùn)動(dòng)、精密物料傳輸、高精度微環(huán)境控制等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。

光刻機(jī)的原理

光刻機(jī)的工作原理是把芯片的電路設(shè)計(jì)圖案縮小后，以納米級(jí)別的精度，通過(guò)一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過(guò)畫(huà)著線路圖的掩模，映射并蝕刻到半導(dǎo)體材料（晶圓硅片）上，然后再使用化學(xué)方法顯影，最終得到刻在硅片上的電路圖。

我們可以將這個(gè)過(guò)程理解為傳統(tǒng)的膠片相機(jī)，讓光線通過(guò)鏡頭投射到膠卷實(shí)現(xiàn)曝光，再經(jīng)過(guò)顯影液浸泡得到清晰的，還原了鏡頭前景色的照片。只是，光刻機(jī)鏡頭前的景色變成了芯片電路設(shè)計(jì)圖，而最終“洗”出來(lái)的照片，則是硅晶片成品。

總之，光刻機(jī)就是使用光線蝕刻的方式制造芯片，所謂的更先進(jìn)工藝（如7nm相較與10nm），就是需要在晶圓硅片上蝕刻出更精細(xì)（降低晶體管間距）的電路，此時(shí)光源將扮演至關(guān)重要的角色。

光源的意義

歷史上，光刻機(jī)曾使用過(guò)采用汞燈產(chǎn)生的436nm和365nm波長(zhǎng)的光作為蝕刻光源，用于生產(chǎn)0.8μm~0.35μm（微米，注意不是納米，1微米=1000納米）的芯片。

隨后，光刻機(jī)進(jìn)入了193nm波長(zhǎng)的準(zhǔn)分子激光時(shí)代，可以生產(chǎn)7nm以上制程工藝的芯片。目前主流的光刻設(shè)備都采用了DUV（深紫外光刻，包含ArF和KrF光源）技術(shù)，也就是我們熟悉的DUV光刻機(jī)。

問(wèn)題來(lái)了，由于DUV光刻機(jī)使用光源的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，需要多重光罩/曝光才能實(shí)現(xiàn)7nm制程（造成成本上升及生產(chǎn)周期延長(zhǎng)），而且更小的晶體管間距也將面臨一定的漏電問(wèn)題，無(wú)法完美發(fā)揮出7nm工藝應(yīng)有的電氣性能。

臺(tái)積電第一代7nm工藝（驍龍855、麒麟980）本質(zhì)上就屬于7nm+DUV工藝，屬于7nm時(shí)代的“半成品”。當(dāng)然，7nm+DUV的性能也足以完勝臺(tái)積電和三星早期的10nm，只是不夠完美而已。

DUV光刻機(jī)生產(chǎn)7nm就已經(jīng)達(dá)到極限，自然沒(méi)法滿(mǎn)足下一代5nm制程工藝的需要。如果不想辦法加以解決，摩爾定律在7nm→5nm節(jié)點(diǎn)的升級(jí)中又將遭遇延期。

EUV光刻機(jī)顯威

EUV（極紫外光刻）技術(shù)就是為了解決上述問(wèn)題而誕生的，它采用了波長(zhǎng)為13.5nm的極紫外光，波長(zhǎng)僅有DUV光刻設(shè)備193nm光源的1/15，能夠在硅晶片上刻下更小的溝道，只需1次光罩/曝光就能搞定最新的7nm制程，大幅降低了生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期。

目前，臺(tái)積電和三星都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了7nm+EUV制程工藝的量產(chǎn)，并分別用在了麒麟990 5G版和Exynos 9825/990身上。以麒麟990 5G版為例，它在7nm+EUV的加持下首次在移動(dòng)SoC身上實(shí)現(xiàn)了集成多達(dá)103億個(gè)晶體管的歷史性突破，但其芯片面積卻僅與上代麒麟980基本持平，板級(jí)面積還縮小了36%。

可以說(shuō)，當(dāng)光刻機(jī)進(jìn)入EUV時(shí)代后，有望重新解鎖摩爾定律，讓5nm和3nm走上既定的軌道。

EUV光刻機(jī)的局限性

極紫外光刻技術(shù)概念早在上世紀(jì)九十年代就已經(jīng)出現(xiàn)，來(lái)自荷蘭的ASML公司于1999年就展開(kāi)了EUV光刻機(jī)的研發(fā)，但直到2016年才實(shí)現(xiàn)對(duì)下游客戶(hù)的供貨，而EUV光刻機(jī)被用于生產(chǎn)我們常見(jiàn)的7nm制程的處理器則被進(jìn)一步拖延到了2019年。

導(dǎo)致EUV光刻機(jī)商業(yè)化延誤的原因有很多，比如成本太高——最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)售價(jià)高達(dá)1億美元一臺(tái)，是DUV光刻機(jī)價(jià)格2倍多，采購(gòu)以后還需要多臺(tái)747飛機(jī)才能運(yùn)輸整套系統(tǒng)。

此外，EUV光刻機(jī)必須在超潔凈環(huán)境中才能運(yùn)行，一小點(diǎn)灰塵落到光罩上就會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的良品率問(wèn)題，并對(duì)材料技術(shù)、流程控制、缺陷檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)都提出了更高的要求。

最關(guān)鍵的是，EUV光刻機(jī)還極度耗電，它需要消耗電力把整個(gè)環(huán)境都抽成真空（避免灰塵），通過(guò)更高的功率也彌補(bǔ)自身能源轉(zhuǎn)換效率低下的問(wèn)題，設(shè)備運(yùn)行后每小時(shí)就需要耗費(fèi)至少150度的電力。

當(dāng)然，這些都不是咱們消費(fèi)者需要考慮的問(wèn)題，我們只需知道，只有引入EUV技術(shù)的7nm才是真正的7nm，而這項(xiàng)技術(shù)也將伴隨未來(lái)的5nm和3nm一路前行。

換句話說(shuō)，未來(lái)在購(gòu)買(mǎi)電子設(shè)備時(shí)，采用EUV技術(shù)生產(chǎn)的CPU等芯片會(huì)更具競(jìng)爭(zhēng)力。

淺析GAAFET技術(shù)

英特爾自22nm，三星和臺(tái)積電分別從14nm和16nm制程節(jié)點(diǎn)時(shí)期引入了FinFET立體晶體管技術(shù)，為更先進(jìn)的芯片設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

然而，當(dāng)制程工藝跨過(guò)7nm進(jìn)入5nm制程節(jié)點(diǎn)后，F(xiàn)inFET也將遭遇物理極限，此時(shí)只有GAAFET技術(shù)的引入才能讓摩爾定律繼續(xù)前行。

FinFET成就3D晶體管

芯片內(nèi)部是由無(wú)數(shù)晶體管組成，在單位面積里晶體管數(shù)量越多性能越強(qiáng)，前文我們提到的DUV和EUV光刻機(jī)，其意義就是在單位面積中進(jìn)一步縮短晶體管間距，增加晶體管密度（數(shù)量）。

但是，晶體管密度越高，漏電問(wèn)題越嚴(yán)重，造成芯片發(fā)熱增加和性能下降。

在2011年以前，傳統(tǒng)晶體管結(jié)構(gòu)都是平面的，只能在閘門(mén)的一側(cè)控制電路的接通與斷開(kāi)。

為了解決漏電問(wèn)題，英特爾在22nm處理器時(shí)期帶來(lái)了FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）架構(gòu)，這種晶體管的特色是將傳統(tǒng)平面、越來(lái)越薄的絕緣層改變?yōu)榱Ⅲw的狀態(tài)，閘門(mén)被設(shè)計(jì)成類(lèi)似魚(yú)鰭的叉狀3D架構(gòu)，可于電路的兩側(cè)控制電路的接通與斷開(kāi)，通過(guò)大幅度提升源極和柵極的接觸面積，使得晶體管在控制漏電電流方面得到改善。

需要注意的是，都是FinFET，背后的技術(shù)原理和實(shí)際性能也可能存在較大的差異。

比如英特爾在最新10nm工藝上帶來(lái)了第三代FinFET立體晶體管技術(shù)，晶體管密度達(dá)到了每平方毫米1.008億個(gè)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于三星10nm工藝的晶體管密度（約5510萬(wàn)個(gè)），甚至可以媲美三星和臺(tái)積電的7nm工藝，并在最小柵極間距和最小金屬間距方面也有著巨大的優(yōu)勢(shì)。

GAAFET為未來(lái)掃清障礙

目前我們所看到的所有小于16nm工藝的芯片都采用了FinFET立體晶體管，但就好像DUV光刻機(jī)一樣，F(xiàn)inFET雖然可以勉強(qiáng)達(dá)到設(shè)計(jì)和生產(chǎn)5nm制程工藝的最低要求，但要想100%發(fā)揮5nm的全部潛力，漏電問(wèn)題依舊是無(wú)法繞過(guò)的檻。

好消息是，主流芯片廠商都已經(jīng)為此做好了準(zhǔn)備，并提出了名為“GAAFET”（Gate-All-Around，環(huán)繞式柵極技術(shù)）的橫向晶體管技術(shù)。

和FinFET相比，GAAFET實(shí)現(xiàn)了柵極對(duì)溝道的四面包裹，利用線狀或者平板狀、片狀等多個(gè)源極和漏極橫向垂直于柵極分布。

從物理結(jié)構(gòu)來(lái)看，GAAFET是一種比FinFET更加立體和復(fù)雜的3D晶體管。

需要注意的是，三星在GAAFET的基礎(chǔ)上還提出了變體的“MBCFET（多橋通道FET）”專(zhuān)利技術(shù)，它使用通道結(jié)構(gòu)來(lái)排列nm片，增加了柵極和溝道之間的接觸面積，并實(shí)現(xiàn)了電流的增加。

目前，英特爾、三星和臺(tái)積電都已經(jīng)對(duì)GAAFET技術(shù)開(kāi)始試產(chǎn)，而它的首次商業(yè)化亮相應(yīng)該就在不遠(yuǎn)的5nm時(shí)代，而GAAFET能否成為更先進(jìn)工藝的最佳搭檔，還得等時(shí)間來(lái)驗(yàn)證。

總之，當(dāng)摩爾定律遇到22nm以下的制程工藝節(jié)點(diǎn)后可謂寸步難行，很多常見(jiàn)的物理定律都會(huì)失去作用。為了解決微縮尺度所帶來(lái)的各種不確定性，我們看到了High-K、特種金屬、SOI、FinFET、EUV和GAAFET在內(nèi)的各種增強(qiáng)技術(shù)。

作為普通用戶(hù)，站在最佳消費(fèi)體驗(yàn)的角度來(lái)看，我們自然是希望摩爾定律永遠(yuǎn)有效，讓我們新買(mǎi)的各種電子設(shè)備不斷變強(qiáng)。但是，與此同時(shí)，我們也應(yīng)該感謝為了維系這個(gè)定律繼續(xù)前行的科研工作者們。