詳解7nm工藝，三星，台積電，英特爾，格羅方德真不容易

晶圓代工巨頭企業三星、台積電和GF（格芯），在半導體工藝的發展上越來越迅猛，10nm製程才剛剛應用一年半，7nm製程便已經好似近在眼前。

在業界盛行的摩爾定律將死的論調下，如此猛烈的突擊7nm製程需要克服怎樣的困難？幾方大佬又是如何布局這一關鍵節點？

Intel

作為全球最大的半導體企業，Intel在半導體工藝方面一直保持著領先地位，並且引領了大量全新技術的發展。

不過近幾年，Intel半導體工藝的發展速度似乎逐漸慢了下來，比如14nm工藝竟然用了三代，10nm工藝也被競爭對手搶先。

由於電晶體製造的複雜性，每代電晶體工藝中有面向不同用途的製造技術版本，不同廠商的代次之間統計算法也完全不同，單純用代次來對比是不準確的。

目前業內常用電晶體密度來衡量製程水平，實際上，Intel最新10nm製程的電晶體密度甚至反而要比三星、台積電的7nm製程更高。

根據Intel公布的電晶體密度表格，其45nm製程的電晶體密度約為3.3MTr/mm²（百萬電晶體每平方毫米），32nm為7.5MTr/mm²，22nm為15.3MTr/mm²，上升倍數大約為2.1倍。

但是14nm時電晶體密度大幅提升了2.5倍，為37.5MTr/mm²，10nm更是比14nm提升了2.7倍之多，達到100.8MTr/mm²。

根據後藤弘茂的分析，如果將Intel、台積電、三星和GF近些年製程的特徵尺寸放在一起對比，也可以看出Intel的14nm製程確實要優於三星和GF的14nm LPP以及台積電的16nm FinFET，僅略輸於三星早期的10nm製程。

Intel的10nm製程則更是全面勝過台積電和三星的10nm製程，甚至比台積電和GF的第一批7nm DUV都要更好。

雖然不如三星和GF的第二批7nm EUV製程，但Intel肯定也會深挖10nm製程，第二代10nm趕超三星和GF的7nm EUV也不是不可能。

台積電

台積電在7nm上選擇了求穩路線，並沒有急於進入極紫外光刻時代。

台積電錶示將繼續使用DUV光刻，利用沉浸式光刻和多重曝光等技術平滑進入7nm時代，然後再轉換到EUV光刻。

台積電使用DUV光刻的第一代7nm FinFET已經在2017年第二季度進入試產階段。

與目前的10nm FinFET製程相比，7nm FinFET將可在電晶體數量的情況下使晶片尺寸37％，或在電路複雜度相同的情況下降低40％的功耗。

在接下來的第二代7nm FinFET+製程上，台積電將開始使用EUV光刻。

針對EUV優化的布線密度可帶來約10~20％的面積減少，或在電路複雜度相同的情況下，相比7nm FinFET再降低10％的功耗。

而根據後藤弘茂的分析，台積電7nm DUV的特徵尺寸介於台積電10nm FinFET和三星7nm EUV之間，Metal Pitch特徵尺寸40nm，Gate Pitch特徵尺寸尚不明確，但必定小於10nm時的66nm。

三星

作為晶片代工行業的後來者，三星是「全球IBM製造技術聯盟」中激進派的代表，早早就宣布了7nm時代將採用EUV。

今年4月，三星剛剛宣布已經完成了7nm新工藝的研發，並成功試產了7nm EUV晶元，比原進度提早了半年。

據日本PC WATCH網站上後藤弘茂的分析，三星7nm EUV的特徵尺寸為44nm*36nm（Gate Pitch*Metal Pitch），僅為10nm DUV工藝的一半左右。

除了一步到位的7nm EUV外，三星還規劃了一種8nm製程。

這個製程實際上是使用DUV光刻+多重曝光生產的7nm製程，繼承所有10nm工藝上的技術和特性。

由於DUV光刻的解析度較差，因而晶片的電氣性能不如使用7nm EUV，所以三星為其商業命名為8nm。

從這一點來看，8nm相比現有的10nm，很可能在電晶體密度、性能、功耗等方面做出了終極的優化，基本上可看做深紫外光刻下的技術極限了。

根據三星的路線，三星將於今年下半年試產7nm EUV晶元，大規模投產時間為2019年秋季。

8nm製程大約在2019年第一季度登場，而6nm製程應該會在2020年後出現。

GF

GF此前曾是AMD自家的半導體工廠，後由於AMD資金問題而拆分獨立。

GF同樣屬於IBM「全球IBM製造技術聯盟」的一員，其半導體工藝和三星同宗同源。

然而GF在28nm、14nm兩個節點上都遇到了重大技術難題，不得不向「後來者」三星購買生產技術。

GF在14nm之後決定放棄10nm節點，直接向7nm製程進軍。

雖然這個決策稍顯激進，但GF也明白步子大了容易扯到啥的道理，決定在光刻技術上穩中求進，使用現有的DUV光刻技術實現第一代7nm工藝的製造，隨後再使用EUV光刻進行兩次升級疊代。

去年7月曾報導過GF名為7LP的7nm DUV製程細節，據其在阿爾伯尼紐約州立大學理工學院負責評估多重光刻技術的George Gomba以及其他IBM的同事透露，GF將在第一代7nm DUV產品上，使用四重光刻法。

相比之前的14nm LPP製程，7LP製程在功率和電晶體數量相同的前提下，可以帶來40%的效率提升，或者在頻率和複雜性相同的情況下，將功耗降低60%。

但受限於四重光刻這一複雜流程，GF表示根據不同應用場景，7LP只能將晶片功耗降低30~45%。

可以看到，GF的7nm DUV特徵尺寸為56nm*40nm（Gate Pitch*Metal Pitch），應當與台積電7nm DUV的基本相當。

而7nm EUV的特徵尺寸為44nm*36nm，與三星7nm EUV完全一致。