晶片7nm技術有多難?一篇文章讓你看懂!
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半導體的14nm工藝目前已經有數家可以流片,10nm以下已經有多家廠商擁有流片技術或者正在研發。
只是隨著工藝難度的提升,開發難度不斷增大,投入資金要求越來越高,剩下的玩家也越來越少。
下圖展示了目前僅剩的參與尖端工藝研發的企業。
目前台積電(TSMC), 三星(SAMSUNG), GlobalFoundries應該是僅有的三家具有7nm流片能力的公司;英特爾(Intel)的10nm雖然基本等同於其他廠家的7nm,但是要跳票到2019年。
值得一提的是,國內廠商中芯國際(SMIC)的14nm研發基本完成,預計2019年量產。
玩家這麼少,連英特爾的工藝都難產,7nm究竟為什麼這麼難呢?芯觀察認為主要是以下幾個原因:
工藝的精度已經趨近於傳統光刻機的極限,極紫外光刻機還無法用於大規模量產
傳統光刻機的波長為193nm,通過浸液的方式可以使波長進一步縮短,再加上多次曝光的輔助,已經走到了14nm。
可是到了7nm,這種方法光刻出來的線條誤差越來越大,越來越難以控制。
我們可以通過下圖對比傳統光刻機和極紫外光刻機的實際效果圖,可以看出,傳統光刻的方法誤差確實很大。
這種情況下,想要良率滿足要求是極為困難的。
線寬逼近極限帶來的電阻電容增大變得不可忽視
我們知道同樣材質的前提下,越細的導線電阻越大。
因此當工藝進入7nm,線上電阻已經變得非常大,Intel不得已採用貴技術釕來解決這個問題。
除此之外,由於FinFET的Fin越來越小,控制其流過的電流也越來越困難。
因此,不得已採用了增加Fin的高度來增強控制,可是這樣又帶來電晶體的電容更大從而速度變慢。
下圖展示了不同工藝的電晶體的各種參數,可以看出隨這工藝升級,Fin的寬高比越來越大。
EDA工具支持的支持尚不完善
雖然每代工藝都會遇到此類問題,但是14nm/7nm工藝恰逢EDA工具尤其是後端設計工具更新換代,兩個主流軟體廠商均發布了所謂的次世代EDA工具。
各種引擎的升級導致工具的bug數直線上升,而工藝帶來的的挑戰需要工具不斷升級並增加新的功能,助長了工具開發和使用方面的挑戰。
設計上的難度大幅增加
各個晶片設計公司希望通過工藝升級獲得更高的性能,更低的功耗和更小的晶片面積。
可是7nm在設計方面提出了更高的挑戰。
為了滿足工藝廠商的生產規則,在設計階段增加了大量的硬性規則,給晶片設計尤其是後端設計增加的很大難度。
比如使用金屬層上,對於底層金屬,幾乎是只能按照特定的pattern和方向使用,變通性大大降低。
以上就是芯觀察總結的幾點7nm的突出難點。
好消息是,由於國際上工藝發展速度變慢,我國的工藝廠商正好藉此機會奮起直追。
目前中芯國際已經宣布14nm研發完成,同時行業大拿梁孟松加盟,如虎添翼。
希望能夠更快趕上國際尖端水平,早日實現晶片國產化,解決我國確芯困境!
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