前言:
5nm刚实现量产,3nm还未投产,2nm的角逐却已经进入白热化阶段,各方面都在积极筹备当中,围绕着晶圆厂台积电,各大半导体设备供应商、材料工艺服务商、EDA工具厂商,以及主要客户,都开始将越来越多的精力向2nm转移。
作者 | 方文
晶圆厂:台积电领先,欧洲发力
目前来看,在3nm和2nm制程方面,台积电相对于三星的领先优势很明显。
2019年,台积电率先开始了2nm制程技术的研发工作。相应的技术开发的中心和芯片生产工厂主要设在台湾地区的新竹,同时还规划了4个超大型晶圆厂,主要用于2nm及更先进制程的研发和生产。
按照规划,台积电有望在 2023 年中期进入 2nm 工艺试生产阶段,并于一年后开始批量生产。
2020年9月,台积电2nm工艺取得重大突破,研发进度超前,业界看好其2023年下半年风险试产良率就可以达到90%。
3月9日,欧盟委员会提出数字化转型最新目标:到2030年,欧洲先进和可持续半导体的生产总值至少占全球生产总值的20%,生产能力冲刺2nm,能效达到今天的10倍。
经过中美科技战,欧洲更加意识到科技独立自主的重要性,决心搞自己的半导体产业联盟,建立自己的2nm晶圆厂。
但是从欧洲视角来看,台积电属于中国,受美国管制,却跟自己没多大关系。最该担心的其实应该是欧盟。所以,欧洲下定决心,必须建立自己的先进的2nm晶圆厂。
今年2月,欧洲议会批复了《复苏和恢复基金》(RRF),该基金将提供6725亿欧元(5．2万亿人民币)的赠款和贷款,持续三年,面向欧盟各国政府提供最高13%的预融资。
签署联合声明的成员国达成的协议是,拨出至少20%的RRF资金支持数字化转型,未来2到3年,这笔资金将达到1450亿欧元(折合约1．1万亿人民币)。
设备:光刻机也必须与制程赛跑
对于2nm和更先进制程工艺来说,EUV光刻机的重要性越来越高,但是EUV设备的产量依然是一大难题,而且其能耗也很高。
到2022年,当3nm大规模生产、2nm准备试产,需要的新EUV光刻机数量预计为57台。
2023年,当3nm生产规模扩大、2nm开始风险生产时,所需新EUV光刻机数达到58台。
到2024年,启动2nm的大规模生产,2025年生产规模扩大,到时所需新EUV光刻机数预计为62台。
前不久,中国中科院的研究人员宣布,已经突破了设计2nm芯片的瓶颈,成功地掌握了设计2nm芯片的技术。
然而我国尚不具备5nm芯片的光刻机,更不用说2nm的光刻机了,即使我国中科技具备了2纳米芯片的研发技术,依旧无法在实践中大量推广。
去年的芯片禁令让很多人意识到高端芯片的生产离不开尖端EUV光刻机,但在全世界范围内,这一关键设备确仅有ASML一家公司可以生产,处于绝对垄断地位。
但是,按照目前的发展趋势,5nm制程工艺似乎已经不满足后续市场的需求,众多晶圆代工厂已经开始布局更高制程工艺的研究。
为此,ASML不得不调整策略,开始研发全新的下一代EUV光刻技术。
材料和工艺:互连技术将升级
着先进工艺一步步向高端迈进,芯片制造商持续在最新工艺节点的晶体管制造技术上取得进步,但互连技术似乎跟不上先进工艺的步伐。
随着晶体管尺寸的缩小,连接它们的金属线也必须在多层互连堆积的整体层高结构中进行。
传统上一般采用铜互连,但是发展到2nm,相应的电阻电容(RC)延迟问题非常突出。
目前,面向2nm及更先进制程的新型互连技术主要包括:
混合金属化或预填充,将不同的金属嵌套工艺与新材料相结合,以实现更小的互连和更少的延迟;
半金属嵌套,使用减法蚀刻,实现微小的互连;
超级通孔、石墨烯互连和其他技术。
混合金属化在互连中使用两种不同的金属。对于2nm来说,这很有意义,与双金属嵌套相比,通孔电阻更低,可靠性会提高;同时可以保持互连中铜的低电阻率。
台积电和台湾地区交大联手,开发出全球最薄、厚度只有0．7纳米的超薄二维半导体材料绝缘体,可望借此进一步开发出2nm,甚至是1nm的电晶体通道。
在先进工艺上,目前台积电、三星及英特尔等几家实力强大,日本公司主要是在光刻胶、硅片等材料有较大优势,但日本也没有放弃先进工艺上的努力。
日本产业技术综合研究所与中国台湾半导体研究中心( TSRI )等展开合作,开发了用于新一代半导体的新型晶体管结构。
与此前的晶体管相比, CFET结构的晶体管性能高、面积小, 有助于制造 2nm 以下线宽的新一代半导体。
三星计划在3nm的时候生产下一代晶体管,称为环栅场效应晶体管。台积电计划将FinFETs扩展到3nm,但将在2nm左右迁移到环栅。
当鳍(fin)宽度达到5nm(相当于3nm节点)时,FinFETs接近其实际极限。环栅晶体管比FinFETs具有更好的性能、更低的功耗和更低的漏电,但它们的制造难度更大,成本也更高。
其他新的和更有前途的互连解决方案即将出现,但它们可能要到2023年的2nm到来时才会出现。
EDA工具:高精尖技术集中在少数人手中
EDA作为集成电路产业链的命脉,自始至终连接和贯穿着芯片制造和科技应用的发展;芯片设计、晶圆制造、封装测试,直至电子产品的设计,每个环节都离不开EDA工具。
中美贸易战拉开大幕,EDA禁运首当其冲,成为卡脖子工程。EDA的的战略性,重要性被推到空前高度。
面对2nm高精尖的制程工艺,Cadence和Synopsys创建了全新的EDA工具堆栈,并开发全新的IP库。
2nm制程要求芯片开发人员必须采用全新的设计规则和流程,并重新制作他们以前可能使用过的所有内容。
目前国内的EDA工具很分散,提供不了全套的工具链,而国际EDA公司提供给芯片企业的一般都是全套工具。
国内EDA产业面临的最大问题就是国内没有形成一个完整的、互相促进的产业链,抱团一直是半导体产业发展的最重要方向。
国内EDA工具厂商鲜少参与晶圆厂和设计公司的合作研发,有EDA产品生产出来,也得不到使用和反馈,进而难以进步。
中国EDA已迎来最好的时代,华大九天、国微集团、芯华章、广立微、概伦电子、芯和半导体等多家国产EDA公司已整装待发,期待能以厚积薄发的技术实力快速完善中国集成电路产业链,支持5G、人工智能、云计算等多项未来科技的发展。
未来本土EDA的发展之路,还得靠脚踏实地、一步一个脚印地走出来,最终实现真正的本土化。
结尾
2nm先进制程的每个环节和细分领域均环环相扣,只有通过产业链上下游联动,才能获得成功。而苹果最有可能成为最先尝鲜2nm芯片的厂商,此外在2024年之后,高通、英伟达、AMD等都会成为其2nm技术的厂商。
