晶圓代工巨頭企業(yè)三星、臺(tái)積電和GF（格芯），在半導(dǎo)體工藝的發(fā)展上越來(lái)越迅猛，10nm制程才剛剛應(yīng)用一年半，7nm制程便已經(jīng)好似近在眼前。
在業(yè)界盛行的摩爾定律將死的論調(diào)下，如此猛烈的突擊7nm制程需要克服怎樣的困難？幾方大佬又是如何布局這一關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)？
詳解7nm工藝，三星，臺(tái)積電，英特爾，格羅方德真不容易
Intel
作為全球最大的半導(dǎo)體企業(yè)，Intel在半導(dǎo)體工藝方面一直保持著領(lǐng)先地位，并且引領(lǐng)了大量全新技術(shù)的發(fā)展。不過(guò)近幾年，Intel半導(dǎo)體工藝的發(fā)展速度似乎逐漸慢了下來(lái)，比如14nm工藝竟然用了三代，10nm工藝也被競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手搶先。
由于晶體管制造的復(fù)雜性，每代晶體管工藝中有面向不同用途的制造技術(shù)版本，不同廠商的代次之間統(tǒng)計(jì)算法也完全不同，單純用代次來(lái)對(duì)比是不準(zhǔn)確的。目前業(yè)內(nèi)常用晶體管密度來(lái)衡量制程水平，實(shí)際上，Intel最新10nm制程的晶體管密度甚至反而要比三星、臺(tái)積電的7nm制程更高。
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根據(jù)Intel公布的晶體管密度表格，其45nm制程的晶體管密度約為3.3MTr/mm?（百萬(wàn)晶體管每平方毫米），32nm為7.5MTr/mm?，22nm為15.3MTr/mm?，上升倍數(shù)大約為2.1倍。但是14nm時(shí)晶體管密度大幅提升了2.5倍，為37.5MTr/mm?，10nm更是比14nm提升了2.7倍之多，達(dá)到100.8MTr/mm?。
根據(jù)後藤弘茂的分析，如果將Intel、臺(tái)積電、三星和GF近些年制程的特征尺寸放在一起對(duì)比，也可以看出Intel的14nm制程確實(shí)要優(yōu)于三星和GF的14nm LPP以及臺(tái)積電的16nm FinFET，僅略輸于三星早期的10nm制程。
Intel的10nm制程則更是全面勝過(guò)臺(tái)積電和三星的10nm制程，甚至比臺(tái)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制程，但I(xiàn)ntel肯定也會(huì)深挖10nm制程，第二代10nm趕超三星和GF的7nm EUV也不是不可能。
臺(tái)積電在7nm上選擇了求穩(wěn)路線，并沒有急于進(jìn)入極紫外光刻時(shí)代。臺(tái)積電表示將繼續(xù)使用DUV光刻，利用沉浸式光刻和多重曝光等技術(shù)平滑進(jìn)入7nm時(shí)代，然后再轉(zhuǎn)換到EUV光刻。
臺(tái)積電使用DUV光刻的第一代7nm FinFET已經(jīng)在2017年第二季度進(jìn)入試產(chǎn)階段。
與目前的10nm FinFET制程相比，7nm FinFET將可在晶體管數(shù)量的情況下使芯片尺寸37％，或在電路復(fù)雜度相同的情況下降低40％的功耗。
在接下來(lái)的第二代7nm FinFET+制程上，臺(tái)積電將開始使用EUV光刻。針對(duì)EUV優(yōu)化的布線密度可帶來(lái)約10~20％的面積減少，或在電路復(fù)雜度相同的情況下，相比7nm FinFET再降低10％的功耗。
而根據(jù)後藤弘茂的分析，臺(tái)積電7nm DUV的特征尺寸介于臺(tái)積電10nm FinFET和三星7nm EUV之間，Metal Pitch特征尺寸40nm，Gate Pitch特征尺寸尚不明確，但必定小于10nm時(shí)的66nm。
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三星
作為芯片代工行業(yè)的后來(lái)者，三星是“全球IBM制造技術(shù)聯(lián)盟”中激進(jìn)派的代表，早早就宣布了7nm時(shí)代將采用EUV。今年4月，三星剛剛宣布已經(jīng)完成了7nm新工藝的研發(fā)，并成功試產(chǎn)了7nm EUV晶元，比原進(jìn)度提早了半年。
據(jù)日本PC WATCH網(wǎng)站上後藤弘茂的分析，三星7nm EUV的特征尺寸為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(guī)劃了一種8nm制程。這個(gè)制程實(shí)際上是使用DUV光刻+多重曝光生產(chǎn)的7nm制程，繼承所有10nm工藝上的技術(shù)和特性。
由于DUV光刻的分辨率較差，因而芯片的電氣性能不如使用7nm EUV，所以三星為其商業(yè)命名為8nm。從這一點(diǎn)來(lái)看，8nm相比現(xiàn)有的10nm，很可能在晶體管密度、性能、功耗等方面做出了終極的優(yōu)化，基本上可看做深紫外光刻下的技術(shù)極限了。
根據(jù)三星的路線，三星將于今年下半年試產(chǎn)7nm EUV晶元，大規(guī)模投產(chǎn)時(shí)間為2019年秋季。8nm制程大約在2019年第一季度登場(chǎng)，而6nm制程應(yīng)該會(huì)在2020年后出現(xiàn)。
GF
GF此前曾是AMD自家的半導(dǎo)體工廠，后由于AMD資金問(wèn)題而拆分獨(dú)立。
GF同樣屬于IBM“全球IBM制造技術(shù)聯(lián)盟”的一員，其半導(dǎo)體工藝和三星同宗同源。然而GF在28nm、14nm兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上都遇到了重大技術(shù)難題，不得不向“后來(lái)者”三星購(gòu)買生產(chǎn)技術(shù)。
GF在14nm之后決定放棄10nm節(jié)點(diǎn)，直接向7nm制程進(jìn)軍。雖然這個(gè)決策稍顯激進(jìn)，但GF也明白步子大了容易扯到啥的道理，決定在光刻技術(shù)上穩(wěn)中求進(jìn)，使用現(xiàn)有的DUV光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)第一代7nm工藝的制造，隨后再使用EUV光刻進(jìn)行兩次升級(jí)迭代。
去年7月曾報(bào)道過(guò)GF名為7LP的7nm DUV制程細(xì)節(jié)，據(jù)其在阿爾伯尼紐約州立大學(xué)理工學(xué)院負(fù)責(zé)評(píng)估多重光刻技術(shù)的George Gomba以及其他IBM的同事透露，GF將在第一代7nm DUV產(chǎn)品上，使用四重光刻法。
相比之前的14nm LPP制程，7LP制程在功率和晶體管數(shù)量相同的前提下，可以帶來(lái)40%的效率提升，或者在頻率和復(fù)雜性相同的情況下，將功耗降低60%。
但受限于四重光刻這一復(fù)雜流程，GF表示根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，7LP只能將芯片功耗降低30~45%。
可以看到，GF的7nm DUV特征尺寸為56nm*40nm（Gate Pitch*Metal Pitch），應(yīng)當(dāng)與臺(tái)積電7nm DUV的基本相當(dāng)。而7nm EUV的特征尺寸為44nm*36nm，與三星7nm EUV完全一致。