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| 本文作者： 劉偉 | 2017-06-25 22:39 |
雷鋒網消息 半導體公司GlobalFoundries最近公布了有關其7nm制造工藝的細節。正如去年9月的公告指出，它將擁有多代7nm FinFET制造工藝，其中包括使用EUV技術的先進制造工藝。GlobalFoundries宣布，其7LP技術將拓展到三代，使客戶能夠生產面積為700mm2的芯片。據悉，首批采用7LP工藝的芯片將于2018年下半年開始試產。
GlobalFoundries首先重申了其第一代7nm制造工藝的細節。該工藝用到了深紫外線（DUV）光刻法，氟化氬準分子激光器工作的波長為193nm。相比它現有的14LPP工藝，7nm工藝在功率和晶體管數量相同的前提下，可以帶來40%的效率提升；或者在頻率和復雜性相同的情況下，將功耗降低60%。
GlobalFoundries目前正在重點嘗試兩種方法——門控制和降低電壓，來降低芯片的功耗。采用7LP工藝的芯片將支持0.65-1V的電壓，這一數值低于采用14nm工藝的芯片。此外，7LP芯片還擁有更加豐富的門控制功能。
7LP工藝在壓縮成本和縮小尺寸兩方面取得的進展不甚匹配。一方面，與14LPP工藝相比，7 nm DUV可將芯片尺寸縮小超過50%。考慮到后者采用的是20nm后段制程互聯線系統，這并不出人意外。但由于7 nm DUV涉及多層，要求3-4重圖形；GlobalFoundries表示，根據不同應用場景，7 nm DUV只能將芯片功耗降低30-45%。
GlobalFoundries之所以將其7nm工藝稱作7LP，是因為它定位于高性能應用，而不僅僅是智能手機的SOC芯片，這與臺積電探索7nm工藝的方向不同。GlobalFoundries旨在用7LP技術生產包括用于高性能計算的CPU、GPU、移動SoC，以及用于航空航天、國防和汽車的高性能芯片。這意味著，除了提高晶體管密度（主流設計高達1700萬門/ mm2）和頻率，GlobalFoundries還需要將7LP芯片的最大尺寸，從目前的650mm2提升到約700mm2。而事實上，芯片的最大尺寸受到很多工具的限制。
GlobalFoundries幾個季度前就開始用7nm工藝為客戶制造測試晶片了。它的客戶正在使用這些芯片，而它則計劃于2018年初將芯片推向量產。GlobalFoundries的客戶目前使用的是0.5版本的7nm工藝制程設計套件（PDK），今年晚些時候，它將發布接近最終版本的v. 0.9版PDK。值得注意的是，像AMD這樣的大客戶并不需要GlobalFoundries的最終版本PDK，就能將CPU和GPU的開發工作進展到一定節點。因此，GlobalFoundries談到計劃將7nm工藝商用時，指的主要是 fabless供應商等早期采用者。
除了PDK，GlobalFoundries的7LP平臺還針對ARM CPU IP、高速SerDes（包括112G），2.5D/3D封裝選項，準備了豐富的許可文件包。對于大客戶，GlobalFoundries已經準備好了于2018年將7nm DUV工藝商用化。
說到量產，今年早些時候，GlobalFoundries曾宣布計劃擴充Fab 8的產能。目前Fab 8的晶圓月產能約為60000片，它希望擴充產能后，14LPP的產量能增加20%。
GlobalFoundries的擴張計劃并不包括擴張廠房，這意味著它打算通過安裝更加先進的掃描儀來增加產能。GlobalFoundries沒有公開它使用的設備的細節，但可想而知，擁有更高輸出以及更強覆蓋和聚焦性能的新型掃描儀，也將在量產基于4重圖像的7nmDUV時起到選擇層的作用。
除了更先進的ASML TWINSCAN NXT DUV設備，GlobalFoundries還計劃于今年下半年在Fab 8中安裝兩臺TWNSCAN NXE EUV掃描儀。這一點事關重大，因為目前晶圓廠尚未使用EUV工具。另外，由于光源等方面的原因，EUV設備要比DUV設備占據更大的空間。
超薄工藝中多重圖像技術的運用，是芯片制造行業需要使用13.5nm極紫外波長光刻的原因之一。芯片制造行業一直以來致力于開發適用于量產的EUV工具，雖然最近取得了重大進展，但EUV尚未實現規模化。這正是GlobalFoundries對多代EUV采取謹慎態度的原因。必須牢記一點，GlobalFoundries并未對其7nm工藝的迭代正式命名，它只談到了“兼容EUV的7LP平臺”。因此，本文中對7nm工藝的分代，只是為了方便大家理解。
據雷鋒網了解，ASML已經開發了幾代EUV掃描儀，并展示了功率為205w的光源。最新升級的TWINSCAN NXE掃描儀可用性已經超過了60%，根據GlobalFoundries的說法，達到了可以開始部署的水平。TWINSCAN NXE掃描儀的可用性最終將提升至90%，與DUV工具一致。
但與此同時，EUV光掩模的保護膜、掩模缺陷以及EUV抗蝕劑方面仍然存在隱憂。一方面，目前的保護膜僅適用于每小時85個晶片的生產率（WpH），而GlobalFoundries今年的計劃是達到125WpH。這意味著現有的保護膜無法應對量產所需的強大光源。保護膜上的任何缺陷都可能對晶片造成影響，并顯著降低產量。英特爾公司此前展示了可以承受超過200次晶圓曝光的膠片光掩模，這些膠片何時可以量產目前還不得而知。另一方面，由于抗蝕劑的缺失，大功率光源需要符合要求的直線邊緣粗糙度（LER）以及均勻的局部臨界尺寸（CD）。
鑒于以上擔憂，GlobalFoundries將開始為選擇層插入EUV，以減少多重圖像的使用（如果可能的話，徹底消除四重圖像），從而提高產量。目前，它尚未透露將于何時開始使用EUV工具進行生產，只說要等到“準備就緒”以后。不過看起來EUV工具難以在2018年以前準備就緒，因此猜測GlobalFoundries最早也要到2019年才會使用EUV技術是合乎邏輯的。
這樣的做法很有意義，因為它使得GlobalFoundries能夠提高客戶的產品，并進一步了解，如何將EUV應用于量產。在最理想的情況下，GlobalFoundries將可以使用7nm EUV技術生產針對7 nm DUV設計開發的多重圖像芯片。但是，應該牢記兩點。 首先，半導體開發商每年都會發布新產品。 第二，GlobalFoundries最早也要在發布首款7nm DUV芯片幾個季度后，才會將EUV工具插入生產流程。因此，GlobalFoundries生產的首款基于EUV的芯片極有可能是全新設計，而非原本采用全DUV工藝制造的芯片。
GlobalFoundries何時將推出下一代7nm EUV工藝，取決于行業能夠多快解決EUV掩模、保護膜、CD均勻性以及LER等方面的挑戰。
GlobalFoundries的第二代7nm EUV制造技術，將具備更好的LER和分辨率。它希望借此實現更高的晶體管密度、更低的功耗以及更高的性能。盡管這項工藝背后的技術仍帶有實驗性質，但GlobalFoundries也沒有說何時能夠解決面臨的問題以及向客戶提供合適的服務。
最后，第3代7LP可能會引入新的設計規則，以實現更小的尺寸、更高的頻率和更低的功耗。我希望向這一代技術的過渡能夠與IC設計人員無縫對接。畢竟，絕大多數設計人員仍在使用DUV。唯一不確定的是，GlobalFoundries是否需要在Fab 8中安裝TWINSCAN NXE掃描儀，用于第二代7 nm EUV工藝。
GlobalFoundries公布7LP平臺計劃的前一周，IBM和它研究聯盟的伙伴（GlobalFoundries 和 Samsung）展示了一片采用5nm工藝制造的晶圓。晶圓上的IC是用硅納米片晶體管（也稱GAA FET）構建的，它們看起來未來還可以用于構建半導體模塊。當然，最大的問題是要等到什么時候。
由IBM、GlobalFoundries和Samsung開發的GAA FET技術，以每個晶體管四個門的方式堆疊硅納米芯片。GAA FET技術的關鍵點在于納米芯片的寬度可以在單件制造過程或設計階段進行調節，從而微調芯片的性能和功耗。IBM聲稱，相比10nm工藝，5nm工藝在相同功耗和復雜性的前提下能夠帶來40%的性能提升，或者在相同頻率和復雜度的條件下，降低75%的功耗。但必須牢記一點，盡管IBM加入了研究聯盟，但它的公告并不能反映GlobalFoundries和三星研發制程工藝的真實進度。
IBM、GlobalFoundries和三星聲稱，它們使用EUV對GAA FET進行了調整。這是合乎邏輯的，因為這三家公司在SUNY理工學院的NanoTech綜合大樓使用ASML TWINSCAN NXE掃描儀進行了研發工作。從技術上來說，假設能夠得到正確的CD、LER和周期等，用DUV設備生產GAA FET是可行的。不過5nm工藝設計對EUV工具的依賴程度還有待觀察。
研究聯盟的三大成員都沒有談到5nm 量產的時間框架，但外界普遍認為，5nm EUV最早也要到2021年。
總而言之，根據最近發布的一系列公告，EUV技術看起來越來越有可能走出實驗室，投入批量生產。就在剛剛過去的幾周，GlobalFoundrie和它的兩家合作伙伴就EUV技術發布了幾個公告，聲稱它是未來的一部分，但這并不意味著他們沒有B計劃——多重圖像方案。目前來看，EUV技術是它們中期計劃的一部分，而非長期計劃。盡管如此，沒有人能夠說出EUV投入量產的最終日期，我們唯一知道的就是要等到“準備就緒以后”。
正如GlobalFoundries之前所說，將EUV設備插入其制造流程是一個循序漸進的過程。它計劃于今年安裝兩臺掃描儀，用于接下來幾個季度的量產，但除此之外并未宣布更多信息。盡管EUV技術前景一片光明時，但相關技術卻還沒有成熟，而且目前沒人知道它何時才能滿足量產所需的必要指標。
說到7LP平臺，有趣的是，盡管7LP平臺支持超低電壓（0.65 V），且能夠勝任移動應用；GlobalFoundries卻主要定位于高性能應用，而不是像其他芯片廠商一樣，定位于移動SOC。從性能/功率/芯片面積角度來看，盡管7LP制造工藝看起來相當有競爭力，但GlobalFoundries的合作伙伴將如何運用該技術還有待觀察。
via anandtech 雷鋒網編譯
