全球半导体性能不断进化的核心驱动力

2020年伊始，全球半导体先进制程之战已然火花四射。从华为和苹果打响7nm旗舰手机芯片第一枪开始，7nm芯片产品已是百花齐放之势，5nm芯片也将在下半年正式首秀。这些逐渐缩小的芯片制程数字，正是全球电子产品整体性能不断进化的核心驱动力。

通往更先进制程的道路犹如攀登高峰，极高的技术难度和研发成本将大多数芯片选手拦在半山腰，目前全球唯有台积电、英特尔、三星还在向峰顶冲刺。三星成功研发3nm芯片，台积电3nm芯片晶体管密度达2.5亿/mm²，英特尔官宣制程回归。

在全球备战更先进制程的关键节点，本文围绕晶体管五大关键环节，探讨先进制程冲刺战中的核心技术及玩家格局。

芯片制程描述的是芯片晶体管栅极宽度的大小，纳米数字越小，晶体管密度越大，芯片性能就越高。

各家对制程工艺的命名法则不同，在相同纳米制程下，并不能对各制程技术做直观比较。比如英特尔10nm的晶体管密度与三星7nm、台积电7nm的晶体管密度相当。

从制程进展来看，一边是三星台积电在5nm/3nm等制程上你追我赶，另一边是英特尔循序渐进地走向7nm。

5nm方面，台积电已经拿到苹果和华为的手机芯片订单。三星的5nm制程相对落后，正在与谷歌合作开发Exynos芯片组，将搭载于谷歌的Chrome OS设备、Pixel智能手机甚至中心数据服务器中。

3nm方面，台积电预计2021年开始试生产，2022年开始量产。三星原计划2021年量产3nm工艺，但受当前疫情影响，不量产时间可能会推迟。

为什么挺进先进制程的玩家选手屈指可数呢？主要源于两大门槛：资本和技术。制程工艺的研发和生产成本呈指数上涨，单从资金数目来看，很多中小型晶圆厂就玩不起。

更高的研发和生产对应的是更难的技术挑战。每当制程工艺逼近物理极限，芯片性能天花板就取决于晶体管结构、光刻、沉积、刻蚀、检测、封装等技术的创新与协同配合。晶体管在芯片中起到开关作用，通过影响相互的状态传递信息。

几十年来，基于平面Planar晶体管芯片一直是市场热销设备。然而制程技术发展到后期，平面晶体管开始遇到漏极源极间距过近的瓶颈。3D鳍式场效晶体管（FinFET）成为延续摩尔定律的革命性技术，为工艺技术创新做出了核心贡献。2011年，英特尔转向22nm FinFET。相比平面晶体管，FinFET在工艺节点减小时，电压缩放、切换速度和电流密度均显著提升。

FinFET已经历两个工艺世代，台积电5nm FinFET晶体管工艺的芯片也将在下半年问世。随着深宽比不断拉高，FinFET也逼近了物理极限，为了制造出密度更高的芯片，环绕式栅极晶体管（GAAFET，Gate-All-Ground FET）成为新的技术选择。不同于FinFET，GAAFET的沟道被栅极包围，沟道电流比FinFET更加顺畅，能进一步改善对电流的控制，从而优化栅极长度的微缩。三星名为多桥通道FET（MBCFET，Multi-Bridge Channel FET）的GAA技术，用纳米片替换纳米线周围的栅极，实现每堆更大的电流。

与现有GAAFET不一样的是，在forksheet FET中，nFET和pFET都集成在同一结构中，间距小并减少密集缩放，forksheet具有的接触栅极间距均低于Nanosheet 的接触栅极间距。Complementary FET（CFET）是另一种类型的GAA器件，由两个单独的FET组成，消除了n-p分离的瓶颈，减少电池有效面积。英特尔的3nm也将采用CFET。但CFET及相关的晶体管存在散热等问题，需要在各环节更新技术和设备。

雕刻电路图案的核心制造设备是光刻机，它的精度决定了制程的精度。光刻机的运作原理是先把设计好的芯片图案印在掩膜上，用激光穿过掩膜和光学镜片，将芯片图案曝光在带有光刻胶涂层的硅片上，涂层被激光照到之处则溶解，没有被照到之处保持不变，掩膜上的图案就被雕刻到芯片光刻胶涂层上。

目前193nm浸没式光刻是最成熟、应用最广的技术，等到7nm及更先进的技术节点时，则需要波长更短的极紫外（EUV）光刻技术来实现制程。

Imec和ASML成立了联合研究实验室，专注于3nm节点的元件制造蓝图，根据ASML年报，他们将采用high-NA技术研发下一代极紫外光刻机，产品将有更高的分辨率、数值孔径和覆盖能力。值得一提的是，英特尔与ASML的光刻机设备的量产时间相吻合，大约在2024年前后。

Imec重点投入的研发领域包括光罩的防尘薄膜技术、光阻技术、工艺优化。一方面，更高的光阻剂往往会增加缺陷率，另一方面，光罩防尘薄膜发展相对缓慢。为了将微电子器件造的更小，必须把越来越多的电路放进更小的薄膜结构中，与半导体工艺兼容的刻蚀和沉积技术也需要随着提升。在硅片衬底上生成特定薄膜层的工艺就是薄膜沉积，所沉积的薄膜可以是导体、绝缘材料或半导体材料。刻蚀机根据印上去的图案刻蚀，留下剩余的部分，芯片图案就可以从光刻胶涂层转移到了硅片上。

将材料以单原子膜形式一层一层的镀在衬底表面就是所谓的原子层沉积（ALD）技术可将，选择性沉积是一种先进的自对准图案化技术，将化学方法与MLD工具结合在一起，可减少流程中的光刻和刻蚀步骤。从理论上讲，选择性沉积可用于沉积金属或沉积电介质。不过目前区域选择性沉积仍存在一定挑战，有待持续研发。

嵌段共聚物视是生产紧密图案化表面的一种方式。嵌段共聚物将性质不同的聚合物链段连在一起，制成一种线型聚合物，得到性能更为优越的聚合物材料。这种刻蚀技术可以选择性去除MLD层，不会影响到附近的ALD层，精确控制了纳米级材料的几何形状。

芯片进入量产前需要对芯片进行检测，就是使用各种系统来查找芯片的缺陷。晶圆检测分为两类：光学和电子束。光学检查速度快，但分辨率受限；电子束检测分辨率更好，但速度偏慢。因此很多公司均在开发多光束电子束检测系统，最好能以较高的速度发现最不显眼的缺陷。ASML开发了一种具有9条光束的电子束检测工具。

芯片制造商还使用各种量测系统来测量芯片结构。微距量测扫描式电子显微镜（CD-SEM）进行自上而下的量测，光学CD系统则使用偏振光来表征结构。被称为临界尺寸小角X射线散射（CD-SAXS）的X射线量测技术是一种无损量测技术，使用小光束尺寸的可变角度透射散射来量测，其优点是能提供更高的分辨率，避免了OCD参数相关性问题，且计算更加简单。但X射线是由R＆D的大型同步加速器存储环产生的，这对晶圆厂来说很不切实际。CD-SAXS需要紧凑的X射线源，问题在于X射线源有限且速度慢，影响吞吐量，其成本也是一个问题，该技术仍处于概念阶段，X射线强度还将面临挑战。封装技术能让内存更接近逻辑处理单元，提升信号传输速率和互联密度。传统方法是缩小节点上不同的芯片功能，并将它们封装到一个单片芯片上。通过封装可以低功耗并增加内存带宽。在研发先进的封装技术，以增加晶体管速度，从而提高整个系统性能的道路上，英特尔主推EMIB工艺，台积电主推CoWoS工艺，三星主推FOPLP。

小芯片chipset是一种实现异构集成的新形式，通过在特定空间堆叠多种芯片，实现更快的开发速度和更高的计算力。台积电采用COWOS封装技术和LIPINCON互连技术，将大型多核设计划分成多个小芯片，实现更高的良率和更好的经济性。英特尔将不同IP、不同工艺的方案封装在一起，从而省去漫长的再制作过程。

随着摩尔定律的推进节奏逐渐趋缓，半导体制程的不断发展，想要延续摩尔定律的生命力需要技术和设备的创新突破。半导体行业大约每隔20年，就会有新的危机出现，20年前，大家一度非常悲观，看不清如何才能将芯片做得更好。如今半导体行业到了20年周期的危机循环节点，谁都不知道未来半导体行业的创新发展路在何方？这个问题的答案，也许藏在5G、AI等新兴技术里，也许藏在半导体的新模式、器件和技术里，半导体行业在不断探索前行。无论未来谁是创新风暴的引领者，最终受益的都是享用更高性能电子产品的每一个人。
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