中國將擁有另一個台積電?中芯搞定7nm工藝,但卻面臨更大難關
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近日,中芯國際表示要在第四季度量產7nm,這表示中芯已經攻克了7nm工藝,這意味著中芯和台積電之間只有1代的差距了。
根據中芯國際聯席CEO梁孟松博士所示,N+1工藝和14nm相比,性能提升了20%,功耗降低了57%,邏輯面積縮小了63%,SoC面積減少了55%。
N+1之後還會有N+2,這兩種工藝在功耗上表現差不多,區別在於 性能及成本,N+2顯然是面向高性能的,成本也會增加。
從梁孟松的解釋來看,中芯國際的7nm工藝發展跟台積電的路線差不多,7nm節點一共發展了三種工藝,分別是低功耗的N7、高性能的N7P、使用EUV工藝的N7+。
N+1對應的就是低功耗的N7,N+2對應的就是高性能的N7P。
掌握了7nm工藝的中芯已經可以解決國內95%的需求了,畢竟不是所有的晶片都和手機晶片一樣,都追求最先進的工藝製程。
可以說,中芯國際目前發展的勢頭是蒸蒸日上,從2000年創立至今,將中國大陸與世界一流的半導體技術差距從20年以上縮短至2年以內,只有1代的差距。
而且截止5nm 的時候都會採用FinFET技術,對於梁孟松而言,這並沒有很大的難度。
當初半導體研發人員想要研發20納米以下晶片的時候發現,當閘極長度縮小到 20 納米以下的時候,遇到了許多問題,其中最麻煩的是當閘極長度愈小,源極和汲極的距離就愈近,閘極下方的氧化物也愈薄,電子有可能偷偷溜過去產生「漏電」;另外一個更麻煩的問題,原本電子是否能由源極流到汲極是由閘極電壓來控制的,但是閘極長度愈小,則閘極與通道之間的接觸面積愈小,也就是閘極對通道的影響力愈小。
所以20納米以下的晶片需要採用全新的FinFET 技術,也叫做鰭式場效電晶體。
鰭式場效電晶體是閘極長度縮小到 20 奈米以下的關鍵,擁有這個技術的製程與專利,才能確保未來在半導體市場上的競爭力。
而這項技術的發明者正是梁孟松的老師胡正明。
而關鍵節點是3nm工藝,而三星押注的是GAA環繞柵極電晶體技術,台積電目前還沒有公布其具體工藝細節。
目前,半導體行業正在研發nanosheet FET(GAA FET)和nanowire FET(MBCFET),它們被認為是當今finFET的前進之路。
三星在2019年搶先公布了GAA環繞柵極電晶體,根據三星官方的說法,基於全新的GAA電晶體結構,三星通過使用納米片設備製造出MBCFET(Multi-Bridge-Channel FET,多橋-通道場效應管),該技術可以顯著增強電晶體性能,取代FinFET電晶體技術。
此外,MBCFET技術還能兼容現有的FinFET製造工藝的技術及設備,從而加速工藝開發及生產。
可以說到3nm的時候才是晶圓代工廠又一次洗牌的時刻,而這也讓我們有了更加充足的時間去追趕。
不得不說,梁孟松加入中芯之後,中芯的研發進度的確大大加快。
梁孟松是半導體行業內的傳奇,在台積電與IBM在130納米的「銅製程」一戰。
它幫助台積電打敗了IBM,成為了晶圓代工市場的巨頭,後來,他又幫助三星突破了14nm的瓶頸,和台積電並列為晶圓代工市場的雙雄。
2017年10月,中芯國際正式任命趙海軍與梁孟松二人擔任執行長兼執行董事,在加入了中芯國際之後,僅僅用了不到一年的時間,中芯國際直接從28nm跨越到14nm。
而且梁孟松在300天不到的時間就把14nm晶片從3%的良率提高到了95%。
在2019年就完成量產。
不過,對於攻克了7nm工藝的中芯而言,接下來如果順利實現量產,那麼最大的問題將擺在眼前——EUV光刻機,EUV光刻機是當前最先進的光刻機,是唯一能夠生產7nm以下製程的設備,因為它發射的光線波長僅為現有設備的十五分之一,能夠蝕刻更加精細的半導體電路,所以EUV也被成為「突破摩爾定律的救星」。
因為剛剛說了,7nm節點一共發展了三種工藝,前兩代工藝不需要EUV光刻機,只有N7+工藝上才開始用EUV工藝,不過光罩層數也比較少,5nm節點寸是充分利用EUV光刻工藝的,達到了14層EUV光罩。
而目前因為美國的阻撓,中芯國際花費1.2億美元購買的EUV光刻機遲遲沒有到貨,巧婦難為無米之炊,這也將成為中芯國際最大的難關之一,能否擁有ASML的EUV光刻機,將直接關係到中芯國際是否擁有先進的製程工藝以及量產能力。
要知道,全球僅ASML掌握EUV光刻機技術。
而光刻機的研發難度實在是非常高,中國花費了十幾年也還沒有突破45nm。
除此之外,還有就是產能的問題,中芯國際14nm工藝現在最重要的問題還是產能,主要是在上海的中芯南方12英寸晶圓廠生產,去年底也就生產了1000片晶圓左右,產量很低。
根據中芯國際聯席CEO梁孟松的說法,14nm月產能將在今年3月達到4K,7月達到9K,12月達到15K。
但不管怎麼樣來說,中芯能夠在國外的打壓之下取得如此卓越的成績還是非常難得的,中芯國際聯合CEO趙海軍博士在2019中芯國際技術研討會上表示,中芯國際要做快速跟隨者,要做第二梯隊的第一名。
他指出,市場上主要有引領者、挑戰者、跟隨者和利基者四個角色,而中芯國際要做快速的跟隨者,要做第二梯隊的第一名。
希望中國半導體產業可以加速發展,做到自產自研,滿足國內需求。
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