科技前沿

台积电5nm技术论文频曝光,晶体管密度有望提至7nm的两倍

  

      在过去的二十年中,台积电(TSMC)一直沿着 “摩尔定律” 的方向稳健地进行着自己的突破:5 年前,台积电首次应用 FinFET 技术制造半导体器件,带领我们走进 16nm 节点;两年之后,台积电突破 10nm,在 2017 年初实现了量产,并成功应用于苹果的 A11 处理器,这给台积电带来了巨大的收益;一年之后,突破 7nm 量产,跻身当今最为先进的半导体制程技术行列。去年 3 月份,台积电开启了对于 “5nm” 节点的冲击,进入到最后试产阶段的风险生产(risk production)。

 

(来源:WikiChip Analysis

 

      根据台积电近期在各大会议期刊上发布的诸多论文推测,其中包括“Arm Techcon 2019”、第 65 IEEE IEDM 会议、以及 ISSCC 2020 5nm 技术将能在芯片中实现 171.3MTr/ mm2 的晶体管密度,相比之前 7nm 91.20 MTr/ mm2,是差不多两倍的关系。而在 IEDM 会议上,台积电报告中指出 5nm 节点技术将会实现 7nm 节点 1.84 倍的晶体管密度。

      从大方向上来说,5nm 节点技术的目标是高密度高性能 “FinFET” 半导体制程工艺,并将广泛应用于手机 SoC 芯片以及高性能计算机群(High Performance Computing)的应用,正好契合如今火热的 5G、人工智能等技术的发展。高通美国副总裁 Geoffrey Yeap 博士在第 65 IEEE IEDM 会议上也指出,一个典型的手机 SoC 芯片上承载的晶体管 60% 来自逻辑电路,30% 来自 SRAM 存储模块,剩下 10% 来自模拟接口,5nm 技术将能够减小 35%-40% 的芯片大小。 

      从器件功率和性能角度来看,5nm 技术下的半导体器件在同等功率下将比之前提高 15% 的速度,或者说可以在 70% 的功率下达到相同的速度。另外,对于 7nm 中采用的超低阈值电压(ultra-low-VT)技术,5nm 将采用极低阈值电压技术(extreme-LVT),能有效减少器件的待机功率,从而减小器件的能耗,也使得 5nm 器件能够实现 15%~25% 的速度提升。

图丨 57nm速度对比的应用(来源:WikiChip

 

      由于晶体管的尺寸变小了,所以用于光刻工艺的光刻光源技术就要升级,根据所使用的光源的改进,光刻机经历了 5 代产品的发展,每次光源的改进都显著提升了光刻机所能实现的最小工艺节点。 最初的两代光刻机采用汞灯产生的 436nmg-line”和 365nmi-line”作为光刻光源,可以满足 0.8-0.35 微米制程芯片的生产。然后出现了 248nm KrF(氟化氪)准分子激光作为光源,将最小工艺节点提升至 350-180nm 水平。台积电在 7nm 7+nm 工艺采用的是深紫外(DUV)工艺,波长为 193nm,使用的是第四代光刻机,是目前使用最广的光刻机,也是最具有代表性的一代光刻机。

       而在 5nm 节点,台积电将采用极紫外(EUV)工艺,波长为 13.5nm,这也是台积电首次应用该技术。虽然台积电曾在 7+nm 工艺中尝试采用 EUV 工艺,但是 EUV 工艺与之前节点采用的半导体技术都不兼容,使得 7+nm 成为一个“孤儿”。但是,5nm 工艺作为 7nm 工艺的迁移,有更充分的准备能够应用 EUV 技术。另一个佐证则是,在 IEDM 的报告中,台积电宣布此次应用于光刻工艺的掩膜将为 81 块左右,较前次节点的少。其中掩膜则是光刻技术中的重要工具,其作用类似于“滤镜”,合适应用掩膜能够在晶圆片上制造出各种各样的图案,这也是制造芯片的重要步骤。

      回顾台积电工艺更新的过程,其中采用的掩膜数量呈现上升的趋势:从 14/16nm 60 块到 10nm 78 块,再到 7nm 87 块。这是十分合理的,如果要在同样大小的芯片上制造出更多的晶体管,相当于要在同样大小的木板上刻出更加复杂的花纹,就要多加一些掩膜来进行雕琢。但是,如果将光源换掉,也就是找了一把更细的刀子,雕刻复杂的花纹就要更加简单了。

图丨各技术节点光刻掩膜数量(来源:WikiChip

 

      为了提高驱动电流,台积电在 5nm 工艺中加入了高迁移率通道技术(High-Mobility Channel)。虽然台积电竭尽全力地在各种报告中回避对于此项技术细节的介绍,但是该技术应当在 5nm 工艺的菜单中。这是一种通过提高载流子迁移率来提高正向电流的半导体技术,例如我们就相信台积电就会采用 SiGe 通道来增大 pMOS 器件的电流,并将带来 18% 的性能提升。

(来源:WikiChip

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