筆者（本文作者湯之上隆）在日本以DRAM席卷世界的時候，就成為半導(dǎo)體技術(shù)人員（到2002年為止的16年時間里一直是技術(shù)人員）。從那以后，我覺得半導(dǎo)體沒有像今天這樣被世界所關(guān)注。這就會牽扯起一個老生常談的問題——摩爾定律何時會迎來終結(jié)？“和”半導(dǎo)體的微縮何時停止？
在1980年代后半期到1990年代中期的時候，由于干法蝕刻等使用等離子的過程造成的charging damage嚴(yán)重，半導(dǎo)體的進(jìn)一步微縮被認(rèn)為是不可能的。然而，日本的技術(shù)人員們進(jìn)行了先驅(qū)性的研究。之后，日美進(jìn)行了徹底地研究的結(jié)果是，到現(xiàn)在為止仍然持續(xù)使用等離子的干法蝕刻。因此，在這方面看，半導(dǎo)體微縮是不會停止的。
之后，我記得再次開始談及“半導(dǎo)體的微縮已經(jīng)到了極限了嗎？”是在ArF曝光設(shè)備在2006年達(dá)到了分辨率極限的時候（圖1）。當(dāng)時筆者是同志社大學(xué)經(jīng)營學(xué)的老師，接受了某個半導(dǎo)體相關(guān)企業(yè)委托研究，對當(dāng)時與最先進(jìn)的精細(xì)化相關(guān)的關(guān)鍵人物們說：“你覺得半導(dǎo)體的精細(xì)化極限是幾nm？”進(jìn)行了這樣的聽取調(diào)查。
圖1.光刻的原理和歷史
現(xiàn)在重新審視這個調(diào)查結(jié)果，相當(dāng)有趣。因此，本文就“半導(dǎo)體的微縮何時停止？”以及“摩爾法則何時會迎來終結(jié)？”為主題。
2007年進(jìn)行的微縮調(diào)查
2006年左右，邏輯器件半導(dǎo)體的微縮正在從65nm向45nm發(fā)展。但是，當(dāng)時最先進(jìn)的曝光設(shè)備ArF（現(xiàn)在稱為ArF干法）已經(jīng)達(dá)到了分辨率極限，而作為下一代曝光設(shè)備的候補的EUV（極端紫外線）問題堆積如山，甚至連R&D設(shè)備都不存在。因此，“半導(dǎo)體的微縮不是已經(jīng)結(jié)束了嗎？”這樣的氣氛在半導(dǎo)體業(yè)界飄浮著。
當(dāng)時還是同志社大學(xué)經(jīng)營學(xué)老師的筆者說：“半導(dǎo)體的微縮什么時候停止？”受此委托研究的影響，2007年7～9月（整整2個月）環(huán)游世界，訪問了尖端半導(dǎo)體制造商、制造設(shè)備和材料制造商、美國的財團(tuán)SEMATECH和歐洲imec，對與微縮相關(guān)的關(guān)鍵人物進(jìn)行了調(diào)查。
當(dāng)時詢問的時候，我們把邏輯器件和內(nèi)存分開來看。問題包括例如你覺得半間距（hp）以幾nm的界限會是什么“?；仡櫘?dāng)時，最細(xì)微的金屬布線（M1）的間距與技術(shù)節(jié)點大致成比例關(guān)系，所以上述問題是”M1的hp界限是多少nm？“（圖2）。
圖2.半導(dǎo)體微縮的推移和將來預(yù)測出自：平本俊郎（東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所）
另外，關(guān)于存儲器，NAND型閃存持續(xù)進(jìn)行二維微縮，其水平比DRAM先進(jìn)，所以詢問的是”您認(rèn)為NAND閃存的微配線M1（或柵極長度）的hp是幾nm？“這樣的問題。圖3展示出了這樣進(jìn)行的調(diào)查結(jié)果。A、B…、Z表示了回答筆者提問的技術(shù)人員的序列號（時間上按A→B→…、Z的順序進(jìn)行了調(diào)查）。
圖3.2007年調(diào)查時的”、微縮界限是？“（hp、nm）
微縮的極限被輕易打破
從結(jié)果來看，當(dāng)時有不少技術(shù)人員認(rèn)為邏輯器件上hp為45nm的時候是極限，而內(nèi)存則在hp為32nm的時候是極限。這種微縮的界限是通過延長ArF干法的ArF浸液和SADP（Self-Arigined Double Patterning、）等技術(shù)簡單地被打破的。即使當(dāng)時有相當(dāng)多的技術(shù)人員認(rèn)為”像浸液一樣復(fù)雜的曝光設(shè)備無法啟動“、”即使SADP微縮了也不會提高成品率“。
值得一提的是，在訪問TSMC以調(diào)查的時候，筆者聯(lián)系了TSMC的朋友，讓他們聚集了5~6個主管級別的人。筆者在臺灣新竹的TSMC會議室，將之前的聽取調(diào)查結(jié)果（A至X）投射到幻燈片上。
當(dāng)時聚集在一起的TSMC相關(guān)人員全體大笑起來。而且，”你在說什么呢，hp45nm和hp32nm是極限之類的蠢話？我們已經(jīng)開發(fā)了22nm了？“。其中的2人也回答了我提的問題，他們給出的答案分別是hp16nm和hp10nm。
我認(rèn)為TSMC從2018年開始量產(chǎn)的7nm的M1在hp18nm左右，2020年量產(chǎn)的最先進(jìn)5nm的M1在hp16nm附近。因此，臺積電當(dāng)時的極限說法在2020年被打破。至于剩下的hp10nm，我認(rèn)為在TSMC的3nm，未來的2nm上接近其界限，如果再實現(xiàn)下一個1.5nm～1nm的話，這個極限就會被打破。
關(guān)于EUV的調(diào)查
從”微縮極限的hp是多少nm“的調(diào)查中可以看出，2007年的時候正在開發(fā)極為困難的EUV，筆者對A~Z的相關(guān)人員說：”EUV的量產(chǎn)機是不是不能實現(xiàn)呢？“針對這樣的問題，他們給出結(jié)果如圖4所示。
圖4.2007年的調(diào)查”EUV的量產(chǎn)機是不是不能實現(xiàn)？“的結(jié)果
這里，將圖4分成兩部分，分別是半導(dǎo)體廠商的光刻技術(shù)人員、光刻相關(guān)的制造設(shè)備或材料制造商的技術(shù)人員以及光刻以外的技術(shù)人員。又或者分成半導(dǎo)體廠商的集成技術(shù)人員和光刻以外的制造設(shè)備或材料相關(guān)人員。
于是，在18名光刻相關(guān)人員中，超過半數(shù)的10人回答”是（即不能進(jìn)行EUV量產(chǎn)機）“（圖4-1）。另一方面，除了光刻以外的10名相關(guān)人員中有7人回答”NO（也就是EUV量產(chǎn)機可以）“（圖4-2）。這個對比實在有趣。
光刻相關(guān)人員大概是因為對EUV開發(fā)的困難非常了解，才會覺得”無法實現(xiàn)量產(chǎn)機“。然而，除了光刻以外的相關(guān)人員卻從一開始就不相信光刻專家，認(rèn)為”光刻專家總是說做不到而鬧得不可開交“。
并且從結(jié)果來看，2019年TSMC在7nm+的時候大量應(yīng)用EUV光刻機，2020年布線也適用EUV的5nm上升了。因此，證明了光刻專家說的話不正確。也就是說，不要相信光刻專家”做不到“比較好。
這樣，在半導(dǎo)體業(yè)界歷史上，微縮的極限說總是被打破，雖然步伐雖然慢下來，但是沒有停止。那么，今后的前景如何呢？
關(guān)于微縮，從2001年國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖（International Technology Roadmap for Semiconductors、ITRS）可以看到。如果按照這個路線圖繼續(xù)前進(jìn)，走在最尖端的是量產(chǎn)PC用處理器的美國Intel，所以這個路線圖又被稱為”Intel Technology Roadmap for Semiconductor“（Intel的路線圖）。
然而，在Intel 的10nm于2016年失敗時以后，ITRS也在當(dāng)年結(jié)束，之后被International Roadmap for Devices and Systems（IRDS）繼承，但是已經(jīng)沒有人再說這是”Intel的路線圖“了。并且，代替Intel躍居到微縮最前端的是TSMC，半導(dǎo)體的路線圖比起IRDS，感覺歐洲財團(tuán)imec發(fā)表的東西更接近現(xiàn)實。
邏輯器件CMOS的進(jìn)化與微縮
圖5顯示了1990年到2030年CMOS進(jìn)化和精細(xì)化的實際成果和預(yù)測。通過這張圖，可以一覽精細(xì)化的過去、現(xiàn)在、未來。對筆者來說是一幅令人感動的圖。
圖5.邏輯器件CMOS的技術(shù)進(jìn)化
直到2000年代中期，IBM的Robert H.Dennard提倡的定標(biāo)規(guī)則的微縮才進(jìn)展順利。也就是說，2年內(nèi)實現(xiàn)了70%的微縮，提高了晶體管的工作速度、降低耗電和集成度。但是，從2003年左右開始，柵極長度的微縮速度降低了。從這時候開始，即使微縮晶體管的動作速度也無法提高。因此，作為輔助技術(shù)，產(chǎn)業(yè)界開始導(dǎo)入Cu/Low-k配線、應(yīng)變硅（Strain Si）、High-k/Metal門、FinFETs等。
另外，圖5中寫著”Dense Metal Pichi“的最細(xì)微的配線（M1）的定標(biāo)有時一邊減速一邊繼續(xù)。
并且，在2016年Intel 10nm的失敗之后，微縮的主角轉(zhuǎn)移到了TSMC。在該圖中，試著寫入了預(yù)計2018年以后TSMC量產(chǎn)以及今后量產(chǎn)的技術(shù)節(jié)點。
比較imec的路線圖和TSMC的量產(chǎn)時間表可以看到，雖然EUV的適用時期一致，但在CMOS中使用Gate All Arround（GAA）結(jié)構(gòu)的Nanosheets的時期不同。imec設(shè)想為3nm，但目前投入該節(jié)點風(fēng)險試產(chǎn)的TSMC依然使用的是FinFET工藝，他們計劃從2nm開始采用Nanosheets。
不管怎樣，到2030年，柵極長度和微布線M1的微縮都不會停止。根據(jù)這個圖，今后10年內(nèi)，甚至不會減速。相反，如果在1nm處采用了被稱為2D channels的新CMOS結(jié)構(gòu)，則柵極長度的微縮將進(jìn)步很多。
晶體管和微細(xì)布線的微縮
圖6展示出了伴隨邏輯器件微縮的晶體管結(jié)構(gòu)的變遷。
如圖所示，從3nm到2nm，晶體管從FinFET變化為Nanosheets。另外，imec認(rèn)為從2nm到1.5nm，分開nMOS和pMOS的Forksheets很有前途。與此相對，在TSMC的量產(chǎn)計劃中，在2nm處使用Nanosheets的樣子，卻沒有聽到采用Forksheets的說法。
圖6.邏輯器件微縮的路線圖（晶體管）
另外，imec設(shè)想在1.5nm附近沿縱向形成nMOS和pMOS的Compulementary FET（CFET），但這在TSMC的研發(fā)路線圖中也沒看到任何蛛絲馬跡。但是，對于預(yù)計1nm以及之后登場的2D atomic channeels，TSMC也進(jìn)行著同樣的研發(fā)。
像這樣，晶體管有各種各樣的選擇，感覺真的快要進(jìn)化了。不過，微細(xì)布線的開發(fā)相當(dāng)嚴(yán)重。在當(dāng)前成為主流的Cu布線中，當(dāng)布線寬度被精細(xì)化時，由于Cu的灰度引起的散射和由于擋板金屬的散射而引起的抵抗增加成為大問題（圖7）。
圖7.微細(xì)布線微縮的路線圖
目前的Cu Dual Damascene只能使用到3nm，從2nm開始將Ru用于VIA的Hybrid，在1.5nm處將Ru等直接加工（Subtractive），然后有必要將層間絕緣膜制成Air Gap。此外， 1nm及其以上需要探索完全新的材料。
綜上所述，到2030年為止，晶體管結(jié)構(gòu)有各種各樣的候補，但是伴隨著布線的精細(xì)化，電阻增大的問題難以避免，如果要進(jìn)行批量生產(chǎn)，必須要對此進(jìn)行材料變更等相當(dāng)大膽的研發(fā)。
EUV微縮的路線圖
如上所述，從現(xiàn)在到2030年之間，晶體管在改變結(jié)構(gòu)的同時，微細(xì)布線在改變形成方法和材料的同時，繼續(xù)進(jìn)行微縮。為此作為必要的EUV會發(fā)生怎樣的變化呢？
圖8展示出了EUV微縮路線圖。在當(dāng)前最尖端的微縮中，使用鏡頭開口數(shù)NA＝0.33的EUV（以下稱為ReglarNA）。此后，為了更精細(xì)化，在下四個階段的路線圖中實行EUV微縮（與圖8的編號稍有偏差）。
圖8.EUV光刻微縮的路線圖
1.28～32nm間距的微細(xì)加工是ReglarNA EUV單曝光的極限。
2.在22～24nm間距的情況下，在ReglarNA的EUV下進(jìn)行SADP
3.在18nm間距以后，使用NA=0.55（稱為HighNA）的EUV
4.為了進(jìn)一步的精細(xì)加工，使用High NA+SADP
如上展示了到2030年為止得EUV微縮路線圖。問題是，ReglarNA的EUV值為160~180億日元，而在2024年左右登場的High NA的EUV值則達(dá)到480億日元。到底，使用如此高額的曝光設(shè)備制造的邏輯半導(dǎo)體作為商務(wù)成立嗎？使用HighNA EUV時的晶圓成本又是一個要考慮的問題。
據(jù)說HighNA的EUV登場是在2024年左右。用TSMC的技術(shù)節(jié)點來說大約是2nm。該設(shè)想與imec也相同，在對2nm+這一世代應(yīng)用High NA EUV光刻機的前提下，我們計算一下芯片的成本（圖9）。
圖9.使用HighNA EUV時的晶圓成本
在該計算中，假定（1）HighNA的EUV設(shè)備價格是ReglarNA的EUV的1.5倍，（2）吞吐量不變。因此，ReglarNA的EUV值為180億日元的話，HighNA的EUV值必須是270億日元（如果傳聞中480億日元的話，以下的計算是不成立的）。
在該假設(shè)進(jìn)行下的話，在芯片制造過程中，有形成晶體管的Front End of Line（FEOL）、連接晶體管和配線的通道等Middle of Line（MOL）、形成多層布線的Back End of Line（BEOL）等3個工序。
在2nm+的技術(shù)節(jié)點中，關(guān)于是否使用High NA的EUV，使用的話要使用多少，為此我們在3種情況下比較芯片成本。
1.將Regular NA的EUV應(yīng)用于14層，將ArF浸沒式應(yīng)用于2層時的芯片成本設(shè)為”1“?？赡苡泻芏郣eglarNA的EUF+SADP的工序。2.作為前期采用的方案，如果High NA的EUV是4層，Regular NA的EUV是6層，ArF浸沒式是2層，則可以減少5%的芯片成本。3.如果全部用High NA的EUV替換，則可以削減14%的成本。
那就意味著，即使使用了非常昂貴的High NA的EUV光刻機，也能削減芯片成本（但是必須滿足兩個假設(shè)）。并且從圖9可以看出，F(xiàn)EOL的成本幾乎不變，但是MOL和BEOL的處理成本可以大大降低。因此，如果HighNA的EUV值在1臺300億日元以下的話，不僅可以進(jìn)行微縮，還能降低芯片成本，所以只能請ASML加油了。
三強爭霸的時代開始
從現(xiàn)在開始，晶圓廠每年投入的研發(fā)都會變得愈加困難，再加上成本昂貴，但微縮絲毫沒有停止的跡象?，F(xiàn)在，走在微縮前頭的是TSMC，不過，在Pat Gelsinger先生掌管下的Intel有望在2nm附近追趕上來。但I(xiàn)ntel最近變更了其技術(shù)節(jié)點的叫法，將其正式名稱為”Intel 20A“
圖10.Intel技術(shù)節(jié)點的名稱
這樣的話，今后，以站在首位的TSMC為中心，加上Samsung和Intel，三方的微縮競爭可能會激化。即便如此，委外代工的工廠TSMC為什么會持續(xù)如此瘋狂的微縮呢？
正如我之前的文章所說，10年前的微縮，讓人感覺就像是以時速200公里的速度在歐洲的高速上飛馳。在那之后，細(xì)化的減速是事實，但即便如此，TSMC還是以時速100km的速度在田間小道飛馳，那條田間小路的寬度每年都會變窄，稍微開錯了車就要掉到田地里，危險得很。但是，他們依然以時速100公里的速度持續(xù)飛奔著。
為什么作為生產(chǎn)工廠的TSMC必須以時速100Km的速度在田間小道上奔跑呢？事實上，我認(rèn)為生產(chǎn)工廠TSMC沒有路線圖（可以說沒有意義）。TSMC始終是委外代工，所以只能按照委托商的要求來讓TSMC生產(chǎn)制造。
那么，有誰會讓TSMC”以時速100km的速度在田間小道上奔跑“呢？那就是美國蘋果公司。TSMC在Apple要求”看似不可能的微縮“后，拼命回應(yīng)。
蘋果是芯片產(chǎn)業(yè)的最大推動者？
圖11展示出了每個季度各企業(yè)的智能手機的發(fā)貨臺數(shù)。2012年以后，出貨量的首位大概是Samsung。另外，2012年左右中國華為開始了驚人的成長，在2020年第二季度（Q2）一瞬間超過了Samsung躍居世界第一，但由于美國的制裁，2020年9月15日以后，由于無法從TSMC等地采購半導(dǎo)體，華為之后快速失速。
圖11.每季度各企業(yè)的智能手機出貨臺數(shù)（～2021年Q2）
而Apple最具特征的出貨習(xí)慣就是在每年第四季度（Q4）登頂。特別是在2020年Q4季度出貨量達(dá)到了史上最高的9000萬臺。這就是美國圣誕商戰(zhàn)的厲害之處。
蘋果公司每年7月左右發(fā)布新型iPhone，12月的圣誕商戰(zhàn)中目標(biāo)合計約1億臺進(jìn)行大量生產(chǎn)（實際組裝的是在中國擁有大工廠群的臺灣鴻海）。圖12展示出了2019年到2023年蘋果的新型iPhone和安裝在其上的應(yīng)用程序處理器（AP）節(jié)點，以及該技術(shù)節(jié)點上他們的芯片是否應(yīng)用EUV的統(tǒng)計。
圖12.iPhoneのAP、Technology Node、EUV應(yīng)用的有無
為了趕上這個計劃，TSMC必須最晚在2021年將5nm（N5）的改良版N5P的進(jìn)程提升，并在Q3制造1億個iPhone AP。與此同時，為了量產(chǎn)預(yù)定于2022年量產(chǎn)的N4（N5家族的改良版），他們今年內(nèi)必須完成研發(fā)，且不得不開始風(fēng)險生產(chǎn)。那就意味著他們似乎好像趕不上3nm了。
每年TSMC都必須為了蘋果而持續(xù)研發(fā)和批量生產(chǎn)。因為，如圖13所示，TSMC的蘋果的銷售額達(dá)到25%，蘋果是TSMC的最大客戶。
圖13.占TSMC銷售額的比例（2020年）
摩爾定律是”人類欲望定律“
我們來計算一下，在最先進(jìn)的邏輯器件中制造一億個AP有多困難。2019年為iPhone 11制造的A13芯片尺寸為98.48mm2。從12英寸晶圓計算為707個，如果將成品率設(shè)為90%（我覺得不算太高），則為636個。
在這種情況下制造1億個的話，就必須投入約150萬張晶圓。A13是使用不使用EUV的7nm（N7）制造的，據(jù)說N7的月產(chǎn)制造能力是12英寸晶圓150K（15萬張）左右。于是，TSMC為了A13，必須在10個月內(nèi)使N7的生產(chǎn)線充分運轉(zhuǎn)。在此期間，AMD的CPU、NVIDIA的GPU、MediaTek的AP、Qualcomm的基帶芯片沒有進(jìn)入的機會。
因此，每年最先進(jìn)的邏輯器件幾乎都被蘋果公司的AP壟斷，在騷動結(jié)束后，不得不制造其他的FABLESS的尖端產(chǎn)品。
反過來說，TSMC的最大客戶Apple每年都會在最先進(jìn)的流程中要求AP的制造，因此TSMC開發(fā)了這個邏輯器件，由于其最先進(jìn)的工藝，其他的無工晶圓廠（雖然有點晚了）可以得到其恩惠，也就是說生產(chǎn)尖端芯片。
從這樣的狀況來看，可以說TSMC之所以能持續(xù)走在世界最先進(jìn)的，是因為美國的圣誕商戰(zhàn)。也就是說，蘋果每年12月會賣出多少新款iPhone，或是美國人是否愿意購買這種新型iPhone。也就是說，TSMC”以時速100km的速度在田間小道上奔跑“的充滿干勁的原動力，是美國人想要購買 ”更高性能，更容易使用，電池更耐用“ 的iPhone。
總之，TSMC的推進(jìn)可以看出摩爾定律是人類欲望的法則。（更確切地說，是美國人的欲望嗎？）。
即使微縮停止，摩爾定律也不會結(jié)束
即使說明了以上的事情，也有很多人反駁說：”如果細(xì)化變成原子水平的話，定標(biāo)就會停止吧。“然而即便如此，筆者仍堅持說：”即使細(xì)化變成原子水平后停止了摩爾定律也會繼續(xù)?！?。
在2019年的VLSI研討上，Robert D.Clark先生（Tokyo Electron Technology Center）發(fā)表了一個題為”Selective and Self-Limited Thein Film Processfor the Atomic Scale Era“的演講。雖然他在Sunday Workshop上沒有任何配置資料。但是，Robert D.Clark的一個slide讓我深受感動。
圖14.縱軸為計算速度，摩爾定律則延續(xù)了120年
Intel的創(chuàng)始人之一Gordon E.Moore先生所提倡的”摩爾定律“解釋為晶體管的集成度在2年內(nèi)增加了2倍。但是，Robert D.Clark先生在圖14中說明了如果縱軸不是晶體管的集成度，而是計算機的速度的話， 則”摩爾的法則從1900年到現(xiàn)在持續(xù)了120年“。
之前TSMC所說的7nm、5nm、3nm的技術(shù)節(jié)點只是商品名，其尺寸在芯片的任何地方都找不到。相反，隨著時代的發(fā)展，功率的下降、高速等性能提高，晶體管尺寸（或腳?。┛s小，芯片尺寸變小。即，Power、Performance、Area（PPA）提高。
因此，即使微縮停止，只要PPA中的某一個在前進(jìn)，摩爾的法則就不會結(jié)束。
總結(jié)
那么，總結(jié)一下這段很長的話題吧。首先，至少到2030年為止，微縮是無法停止的。這與2007年TSMC的一個高管所預(yù)言的”hp10nm是極限“基本相同。另外，因為光刻專家總是悲觀的，所以他們說的話不太可信。證據(jù)就是，”絕對不可能量產(chǎn)“的EUV光刻機制造得以實現(xiàn)了。
并且，現(xiàn)在TSMC瘋狂地進(jìn)行微縮，因此摩爾定律持續(xù)的原動力并非其他，而是”人類的欲望“。因此，只要人類繼續(xù)保持欲望，暫時就不會停止細(xì)化吧。并且，即使微縮變成原子級停止了，如果將晶體管的集成度以外的參數(shù)（例如計算機的速度）設(shè)為縱軸，摩爾定律也許會持續(xù)到人類滅亡為止。
因此，從目前看來，半導(dǎo)體微縮和摩爾定律的最大課題是：戰(zhàn)勝變異成德爾塔的新冠病毒。
