迈向5nm、3nm或甚至2nm半导体制程技术之路

即使是5nm制程，已经令人难以确定能否从中找到任何优势了，3nm很可能成为半导体终极先进制程，而2nm似乎太遥远…

在迈向5nm、3nm或甚至2nm半导体制程技术之路，业界工程师可能有多种选择，但有些人并不确定他们是否仍能从中找到任何商业利益，甚至是5nm制程。

为了打造尺寸日益缩小的晶片，所需的复杂度与成本越来越高，但却导致收益递减。日前于新思科技(Synopsys)用户大会(SNUG)的一场座谈会上，高通公司(Qualcomm)的一位工程师指出，行动处理器的资料速率将在3GHz达到峰值，而功耗和面积增益则从7nm开始缩减。

高通设计技术团队资深工程总监Paul Penzes指出，由于金属导线中存在电阻性，使得10nm时速度提升的16%到了7nm时耗尽。此外，从10nm进展到7nm，功耗节省的幅度将从30%缩减到10-25%，面积微缩的幅度也会从37%减少到20-30%。

数十年来，电子产业一直循“摩尔定律”(Moore’s law)所设定的开发蓝图——晶片上可容纳的电晶体数量大约每隔两年增加1倍。其结果是从个人电脑(PC)到智能手机等产品的尺寸越来越小、速度越来越快，价格也越来越便宜。

Penzes说：“目前的晶片面积仍然以很高的两位数持续微缩，但在光罩背后所隐藏的成本增加，意味着实际的成本优势以及其他进展正开始放缓......目前尚不清楚到了5nm时还能保有什么。”这表示5nm节点很可能只是7nm的延伸。

来自Synopsys和三星(Samsung)的技术专家表示，当今的FinFET电晶体版本应该还能用于5nm节点。而当进展到低于3.5nm的宽度时，FinFET将会达到极限。

新思科技研究人员兼电晶体专家Victor Moroz说，设计人员可能必须过渡到采用大约三层的横向纳米线堆叠，或称为“纳米矽板”(nano-slabs)。三星则宣布计划使用闸极全环(GAA)电晶体以实现4nm制程，目标是在2020年投入生产。

新思科技的Munoz表示，到了未来的技术节点，间距微缩将减缓至每世代约0.8倍左右。这将迫使设计人员将7nm时双鳍、6轨的228nm单元高度结构，在3nm和2nm时缩减到单鳍、5轨的130-100nm结构。

他总结说，使用这种技术，“矽晶似乎就能让我们安全地微缩至2nm，而在那之后，我们可能就会开始使用石墨烯。”

然而，在最后的问答环节中，一位与会者对于这种单鳍5轨单元的结构表示震惊。

新思科技描绘迈向2nm的通用开发蓝图（来源：Synopsys）

新思科技部门研发总监Henry Sheng表示，更精细制程的复杂度迫使晶片设计师面对日益严苛的设计规则。例如，FinFET对于工程师必须追踪的波形传播、电迁移和元件变异带来了新的效应。但他也乐观地认为，“这些效应最终都将得到解决”。

在这场座谈会上的专家们认为，成功最终将取决于代工厂、EDA和设计工程师之间越来越密切的合作。在迈向目标进行时，高通公司认为，为了获得最佳产能，必须在生产开始之前对其先进设计进行调整，以及更清楚地定义制程节点。

“由于行动处理器的竞争非常激烈，代工厂导入的节点越来越不成熟，”Penzes说：“如果超出了利润，那么平均单位成本就会上涨，而变得缺乏竞争力。”

“现在，在了解单元的电气特性之前，必须先掌握其环境，”他补充说。“即使是10%的变异也可能让一个新节点的所有优势尽失，因此，以前存在的所有杂讯都必须克服。”

Penzes指出最近的一些开发工作为此带来了希望。晶圆代工厂正在寻找以不同速率微缩各种单元的方法，而EDA供应商也承诺改善布线，其方式可能是采用极紫外光微影(EUV)技术。

Moroz表示，工程师们也开始探索其他许多技术，以降低金属导线上的电阻率，从而为加速取得优势开启大门。其方式包括新的结构，例如跨越多个金属层的梯度和超导孔（super-vias），以及使用钴(Co)和钌(Ru)等新材料。

为了说明未来即将面对的挑战，Moroz详细阐述开发蓝图。

成功的恒久不变因素仍然是工程师有信心找到解决棘手问题的方法。

例如，三星承诺为搭配EUV的7nm制程制订规范，并计划在今年制造晶圆，不过它仍然在等待步进器。Samsung Foundry设计支援副总裁Jongwook Kye在座谈会上表示，“只要ASML能够提供这些工具，我们就会开始投入大量制造。”。

同时，三星也正在试图为2020年的4nm生产定义新的电晶体。Kyle说：“这是我们在未来几年内必须克服的挑战；只要能与工具供应商和其他公司密切合作，我相信我们最终能实现目标。”