7nm工艺详解

intel

7nm工艺详解

作为全球最大的半导体企业,intel在半导体工艺方面一直保持着领先地位,并且引领了大量全新技术的发展。不过近几年,intel半导体工艺的发展速度似乎逐渐慢了下来,比如14nm工艺竟然用了三代,10nm工艺也被竞争对手抢先。

由于晶体管制造的复杂性,每代晶体管工艺中有面向不同用途的制造技术版本,不同厂商的代次之间统计算法也完全不同,单纯用代次来对比是不准确的。目前业内常用晶体管密度来衡量制程水平,实际上,intel最新10nm制程的晶体管密度甚至反而要比三星、台积电的7nm制程更高。

根据intel公布的晶体管密度表格,其45nm制程的晶体管密度约为3.3mtr/mm2(百万晶体管每平方毫米),32nm为7.5mtr/mm2,22nm为15.3mtr/mm2,上升倍数大约为2.1倍。但是14nm时晶体管密度大幅提升了2.5倍,为37.5mtr/mm2,10nm更是比14nm提升了2.7倍之多,达到100.8mtr/mm2。

根据後藤弘茂的分析,如果将intel、台积电、三星和gf近些年制程的特征尺寸放在一起对比,也可以看出intel的14nm制程确实要优于三星和gf的14nm lpp以及台积电的16nm finfet,仅略输于三星早期的10nm制程。

intel的10nm制程则更是全面胜过台积电和三星的10nm制程,甚至比台积电和gf的第一批7nm duv都要更好。虽然不如三星和gf的第二批7nm euv制程,但intel肯定也会深挖10nm制程,第二代10nm赶超三星和gf的7nm euv也不是不可能。

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台积电

台积电在7nm上选择了求稳路线,并没有急于进入极紫外光刻时代。台积电表示将继续使用duv光刻,利用沉浸式光刻和多重曝光等技术平滑进入7nm时代,然后再转换到euv光刻。

台积电使用duv光刻的第一代7nm finfet已经在2017年第二季度进入试产阶段。

与目前的10nm finfet制程相比,7nm finfet将可在晶体管数量的情况下使芯片尺寸37%,或在电路复杂度相同的情况下降低40%的功耗。

在接下来的第二代7nm finfet+制程上,台积电将开始使用euv光刻。针对euv优化的布线密度可带来约10~20%的面积减少,或在电路复杂度相同的情况下,相比7nm finfet再降低10%的功耗。

而根据後藤弘茂的分析,台积电7nm duv的特征尺寸介于台积电10nm finfet和三星7nm euv之间,metal pitch特征尺寸40nm,gate pitch特征尺寸尚不明确,但必定小于10nm时的66nm。

三星

7nm工艺详解

作为芯片代工行业的后来者,三星是“全球ibm制造技术联盟”中激进派的代表,早早就宣布了7nm时代将采用euv。今年4月,三星刚刚宣布已经完成了7nm新工艺的研发,并成功试产了7nm euv晶元,比原进度提早了半年。

据日本pc watch网站上後藤弘茂的分析,三星7nm euv的特征尺寸为44nm*36nm(gate pitch*metal pitch),仅为10nm duv工艺的一半左右。除了一步到位的7nm euv外,三星还规划了一种8nm制程。这个制程实际上是使用duv光刻+多重曝光生产的7nm制程,继承所有10nm工艺上的技术和特性。

由于duv光刻的分辨率较差,因而芯片的电气性能不如使用7nm euv,所以三星为其商业命名为8nm。从这一点来看,8nm相比现有的10nm,很可能在晶体管密度、性能、功耗等方面做出了终极的优化,基本上可看做深紫外光刻下的技术极限了。

根据三星的路线,三星将于今年下半年试产7nm euv晶元,大规模投产时间为2019年秋季。8nm制程大约在2019年第一季度登场,而6nm制程应该会在2020年后出现。gf

gf此前曾是amd自家的半导体工厂,后由于amd资金问题而拆分独立。

gf同样属于ibm“全球ibm制造技术联盟”的一员,其半导体工艺和三星同宗同源。然而gf在28nm、14nm两个节点上都遇到了重大技术难题,不得不向“后来者”三星购买生产技术。

gf在14nm之后决定放弃10nm节点,直接向7nm制程进军。虽然这个决策稍显激进,但gf也明白步子大了容易扯到啥的道理,决定在光刻技术上稳中求进,使用现有的duv光刻技术实现第一代7nm工艺的制造,随后再使用euv光刻进行两次升级迭代。

去年7月曾报道过gf名为7lp的7nm duv制程细节,据其在阿尔伯尼纽约州立大学理工学院负责评估多重光刻技术的george gomba以及其他ibm的同事透露,gf将在第一代7nm duv产品上,使用四重光刻法。

相比之前的14nm lpp制程,7lp制程在功率和晶体管数量相同的前提下,可以带来40%的效率提升,或者在频率和复杂性相同的情况下,将功耗降低60%。

但受限于四重光刻这一复杂流程,gf表示根据不同应用场景,7lp只能将芯片功耗降低30~45%。

可以看到,gf的7nm duv特征尺寸为56nm*40nm(gate pitch*metal pitch),应当与台积电7nm duv的基本相当。而7nm euv的特征尺寸为44nm*36nm,与三星7nm euv完全一致。

晶圆代工巨头企业三星、台积电和gf(格芯),在半导体工艺的发展上越来越迅猛,10nm制程才刚刚应用一年半,7nm制程便已经好似近在眼前。

在业界盛行的摩尔定律将死的论调下,如此猛烈的突击7nm制程需要克服怎样的困难?几方大佬又是如何布局这一关键节点?文章出自:酷炫脑

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发布日期:2019年07月02日  所属分类:参考设计