工艺升级是否必要性，EUV和GAAFET技术解读

随着三星Exynos 990和麒麟990移动平台的问世，一种名为“7nm+EUV”的全新工艺登上了历史舞台。

与此同时，FinFET晶体管技术也已有望被GAAFET所取代，未来的SoC芯片将因这两种新技术而出现翻天覆地的变化。

摩尔定律遇阻

自1965年英特尔创始人之一的戈登·摩尔提出摩尔定律以来，半导体领域就一直在遵循着“当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18个~24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍”这个规律前行。

然而，摩尔定律引领的工艺革新节奏在2013年便出现了放缓的现象，这一点从英特尔14nm制程工艺从2015年诞生并将沿用到2020年就很能说明问题。

看到这里，不少用户可能会产生疑问：摩尔定律失效就失效呗，反正以现有工艺生产的芯片也不是不能用。

工艺升级的必要性

处理器、内存、闪存、各种电源管理和控制类的芯片，都是摩尔定律的受益者。

以处理器为例，其主要构成就是晶体管，晶体管数量越多性能越强，而更先进的制程工艺意味着在有限的面积内可以塞进更多的晶体管。

你不希望家里的电脑和随身的手机具备更强悍的性能动力吗？

此外，制程工艺的升级，还能降低功耗，并在提升性能的同时大幅缩小芯片的封装面积。

还是以英特尔为例，其在45nm时期封装面积为100平方毫米的处理器芯片，32nm工艺时期就可将芯片面积缩小到62平方毫米，在22nm、14nm和10nm上更是能进一步压缩到38.4平方毫米、17.7平方毫米和7.6平方毫米。

以此同时，在最新10nm工艺节点上，每平方毫米的晶体管数量也能超过1亿个！

如今无论是PC还是手机都在坚持“瘦身”，更小封装面积的芯片，可以让这些电子设备变得更轻更薄，还能大幅降低生产芯片的成本——在一张晶圆上可以切割出更多的芯片。

请不小小看这个变化，生产芯片的重要原料是从沙子中提取的硅，而符合半导体工业要求的沙子也并非沙漠、海滩中随处可见的细沙，而是需要直径足够大的“砂砾”。

前不久网上流传的“造芯片的沙子不够用”的文章就已经指出，随着建筑工业用砂资源的紧缺，相关产业的成本将面临极大的压力。

在这个大环境下，生产工艺的革新恰好可以对冲生产原料紧张的风险，摩尔定律“重启”的重要性不言而喻。

那么，如何才能让摩尔定律重回正轨？除了砷化铟镓（InGaAs）及磷化铟（InP）等三五族半导体材料以外，EUV和GAAFET技术就是最近几年内最为关键的核心技术。

浅析EUV光刻机

在芯片制造业中，“光刻机”是科技含量最高，也是最为核心的设备之一，它涉及到系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术。

光刻机的原理

光刻机的工作原理是把芯片的电路设计图案缩小后，以纳米级别的精度，通过一系列的光源能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的掩模，映射并蚀刻到半导体材料（晶圆硅片）上，然后再使用化学方法显影，最终得到刻在硅片上的电路图。

我们可以将这个过程理解为传统的胶片相机，让光线通过镜头投射到胶卷实现曝光，再经过显影液浸泡得到清晰的，还原了镜头前景色的照片。只是，光刻机镜头前的景色变成了芯片电路设计图，而最终“洗”出来的照片，则是硅晶片成品。

总之，光刻机就是使用光线蚀刻的方式制造芯片，所谓的更先进工艺（如7nm相较与10nm），就是需要在晶圆硅片上蚀刻出更精细（降低晶体管间距）的电路，此时光源将扮演至关重要的角色。

光源的意义

历史上，光刻机曾使用过采用汞灯产生的436nm和365nm波长的光作为蚀刻光源，用于生产0.8μm~0.35μm（微米，注意不是纳米，1微米=1000纳米）的芯片。

随后，光刻机进入了193nm波长的准分子激光时代，可以生产7nm以上制程工艺的芯片。目前主流的光刻设备都采用了DUV（深紫外光刻，包含ArF和KrF光源）技术，也就是我们熟悉的DUV光刻机。

问题来了，由于DUV光刻机使用光源的波长较长，需要多重光罩/曝光才能实现7nm制程（造成成本上升及生产周期延长），而且更小的晶体管间距也将面临一定的漏电问题，无法完美发挥出7nm工艺应有的电气性能。

台积电第一代7nm工艺（骁龙855、麒麟980）本质上就属于7nm+DUV工艺，属于7nm时代的“半成品”。当然，7nm+DUV的性能也足以完胜台积电和三星早期的10nm，只是不够完美而已。

DUV光刻机生产7nm就已经达到极限，自然没法满足下一代5nm制程工艺的需要。如果不想办法加以解决，摩尔定律在7nm→5nm节点的升级中又将遭遇延期。

EUV光刻机显威

EUV（极紫外光刻）技术就是为了解决上述问题而诞生的，它采用了波长为13.5nm的极紫外光，波长仅有DUV光刻设备193nm光源的1/15，能够在硅晶片上刻下更小的沟道，只需1次光罩/曝光就能搞定最新的7nm制程，大幅降低了生产成本和生产周期。

目前，台积电和三星都已经实现了7nm+EUV制程工艺的量产，并分别用在了麒麟990 5G版和Exynos 9825/990身上。以麒麟990 5G版为例，它在7nm+EUV的加持下首次在移动SoC身上实现了集成多达103亿个晶体管的历史性突破，但其芯片面积却仅与上代麒麟980基本持平，板级面积还缩小了36%。

可以说，当光刻机进入EUV时代后，有望重新解锁摩尔定律，让5nm和3nm走上既定的轨道。

EUV光刻机的局限性

极紫外光刻技术概念早在上世纪九十年代就已经出现，来自荷兰的ASML公司于1999年就展开了EUV光刻机的研发，但直到2016年才实现对下游客户的供货，而EUV光刻机被用于生产我们常见的7nm制程的处理器则被进一步拖延到了2019年。

导致EUV光刻机商业化延误的原因有很多，比如成本太高——最先进的EUV光刻机售价高达1亿美元一台，是DUV光刻机价格2倍多，采购以后还需要多台747飞机才能运输整套系统。

此外，EUV光刻机必须在超洁净环境中才能运行，一小点灰尘落到光罩上就会带来严重的良品率问题，并对材料技术、流程控制、缺陷检验等环节都提出了更高的要求。

最关键的是，EUV光刻机还极度耗电，它需要消耗电力把整个环境都抽成真空（避免灰尘），通过更高的功率也弥补自身能源转换效率低下的问题，设备运行后每小时就需要耗费至少150度的电力。

当然，这些都不是咱们消费者需要考虑的问题，我们只需知道，只有引入EUV技术的7nm才是真正的7nm，而这项技术也将伴随未来的5nm和3nm一路前行。

换句话说，未来在购买电子设备时，采用EUV技术生产的CPU等芯片会更具竞争力。

浅析GAAFET技术

英特尔自22nm，三星和台积电分别从14nm和16nm制程节点时期引入了FinFET立体晶体管技术，为更先进的芯片设计奠定了基础。

然而，当制程工艺跨过7nm进入5nm制程节点后，FinFET也将遭遇物理极限，此时只有GAAFET技术的引入才能让摩尔定律继续前行。

FinFET成就3D晶体管

芯片内部是由无数晶体管组成，在单位面积里晶体管数量越多性能越强，前文我们提到的DUV和EUV光刻机，其意义就是在单位面积中进一步缩短晶体管间距，增加晶体管密度（数量）。

但是，晶体管密度越高，漏电问题越严重，造成芯片发热增加和性能下降。

在2011年以前，传统晶体管结构都是平面的，只能在闸门的一侧控制电路的接通与断开。

为了解决漏电问题，英特尔在22nm处理器时期带来了FinFET（鳍式场效应晶体管）架构，这种晶体管的特色是将传统平面、越来越薄的绝缘层改变为立体的状态，闸门被设计成类似鱼鳍的叉状3D架构，可于电路的两侧控制电路的接通与断开，通过大幅度提升源极和栅极的接触面积，使得晶体管在控制漏电电流方面得到改善。

需要注意的是，都是FinFET，背后的技术原理和实际性能也可能存在较大的差异。

比如英特尔在最新10nm工艺上带来了第三代FinFET立体晶体管技术，晶体管密度达到了每平方毫米1.008亿个，远远高于三星10nm工艺的晶体管密度（约5510万个），甚至可以媲美三星和台积电的7nm工艺，并在最小栅极间距和最小金属间距方面也有着巨大的优势。

GAAFET为未来扫清障碍

目前我们所看到的所有小于16nm工艺的芯片都采用了FinFET立体晶体管，但就好像DUV光刻机一样，FinFET虽然可以勉强达到设计和生产5nm制程工艺的最低要求，但要想100%发挥5nm的全部潜力，漏电问题依旧是无法绕过的槛。

好消息是，主流芯片厂商都已经为此做好了准备，并提出了名为“GAAFET”（Gate-All-Around，环绕式栅极技术）的横向晶体管技术。

和FinFET相比，GAAFET实现了栅极对沟道的四面包裹，利用线状或者平板状、片状等多个源极和漏极横向垂直于栅极分布。

从物理结构来看，GAAFET是一种比FinFET更加立体和复杂的3D晶体管。

需要注意的是，三星在GAAFET的基础上还提出了变体的“MBCFET（多桥通道FET）”专利技术，它使用通道结构来排列nm片，增加了栅极和沟道之间的接触面积，并实现了电流的增加。

目前，英特尔、三星和台积电都已经对GAAFET技术开始试产，而它的首次商业化亮相应该就在不远的5nm时代，而GAAFET能否成为更先进工艺的最佳搭档，还得等时间来验证。

总之，当摩尔定律遇到22nm以下的制程工艺节点后可谓寸步难行，很多常见的物理定律都会失去作用。为了解决微缩尺度所带来的各种不确定性，我们看到了High-K、特种金属、SOI、FinFET、EUV和GAAFET在内的各种增强技术。

作为普通用户，站在最佳消费体验的角度来看，我们自然是希望摩尔定律永远有效，让我们新买的各种电子设备不断变强。但是，与此同时，我们也应该感谢为了维系这个定律继续前行的科研工作者们。