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台积电2nm工艺重大突破!2023年风险试产良率或达90%

本文作者:包永刚 2020-09-22 18:27
导语:有别于3nm和5nm采用鳍式场效应晶体管(FinFET),台积电的2nm工艺改用全新的多桥通道场效电晶体(MBCFET)架构

据台湾经济日报报道,台积电2nm工艺取得重大突破,研发进度超前,业界看好其2023年下半年风险试产良率就可以达到90%。供应链透露,有别于3nm和5nm采用鳍式场效应晶体管(FinFET),台积电的2nm工艺改用全新的多桥通道场效电晶体(MBCFET)架构。

台积电2nm工艺重大突破!2023年风险试产良率或达90%

据悉,台积电去年成立了2nm专案研发团队,寻找可行路径进行开发。考量成本、设备相容、技术成熟及效能表现等多项条件,2nm采以环绕闸极(GAA)制程为基础的MBCFET架构,解决FinFET因制程微缩产生电流控制漏电的物理极限问题。

极紫外光(EUV)微显影技术的提升,使台积电研发多年的纳米片(Nano Sheet)堆叠关键技术更为成熟,良率提升进度较预期顺利。台积电此前透露2nm研发生产将在新竹宝山,规划P1到P4四个超大型晶圆厂,占地90多公顷。

台积电2nm工艺重大突破!2023年风险试产良率或达90%

图片来源:台湾经济日报

以台积电2nm目前的研发进度研判,供应链预计台积电2023年下半年可望进入风险性试产,2024年正式量产。今年4月也有报道指出,台积电已经在研究2024年的2nm iPhone处理器,并且已经开始研究2nm以下的节点。

晶体管是突破先进半导体制程的关键。比如在45nm的阶段,业界引入了high-k值绝缘层/金属栅极(HKMG)工艺,在32nm处引入了第二代 high-k 绝缘层/金属栅工艺。但当晶体管尺寸小于25nm时,传统的平面场效应管的尺寸已经无法缩小。

加州大学伯克利分校胡正明教授发明的鳍式场效晶体管(Fin Field-Effect Transistor)解决了这一问题,其主要思想就是将场效应管立体化,这种新的互补式金氧半导体晶体管,可以改善电路控制并减少漏电流,缩短晶体管的闸长。

得益于FinFET 的发明,2011年英特尔推出了商业化的22nm FinFET。此后,基于FinFET业界将半导体制程从22nm一直向前推进到如今的5nm。但5nm制程已经将晶体管缩至原子级,硅原子的直径是0.117nm,3nm差不多是25个硅原子首尾相连的长度。

想要继续微缩半导体制程,需要引入新的技术。台积电2nm采用的GAA(Gate-all-around,环绕闸极)或称为GAAFET,它和FinFETs有相同的理念,不同之处在于GAA的栅极对沟道的四面包裹,源极和漏极不再和基底接触。

根据设计的不同,GAA也有不同的形态,目前比较主流的四个技术是纳米线、板片状结构多路桥接鳍片、六角形截面纳米线、纳米环。

台积电2nm工艺重大突破!2023年风险试产良率或达90%

三星对外介绍的GAA技术是Multi-Bridge Channel FET(MBCFET),即板片状结构多路桥接鳍片。

台积电同样采用MBCFET架构。台积电总裁魏哲家日前于玉山科技协会晚宴专讲时透露,台积电制程每前进一个世代,客户的产品速度效能提升30%- 40%,功耗可以降低20%-30%。

在GAA技术的采用上,三星更显激进。据悉三星3nm就会导入GAA,使其3nm工艺相比7nm性能提升35%,功耗降低50%。但台积电要到2nm才会导入GAA技术。

台积电2nm工艺重大突破!2023年风险试产良率或达90%

图片来源:IBS

GAA可以带来性能和功耗的降低,但成本也非常高。市场研究机构International Business Strategies (IBS)给出的数据显示,28nm之后芯片的成本迅速上升。28nm工艺的成本为0.629亿美元, 5nm将暴增至 4.76 亿美元。三星称其3nm GAA 的成本可能会超过5亿美元。

新的晶体管也可能带来革命性的改变,雷锋网今年6月报道,一种叫做Bizen的晶体管架构,可能从另一方向打破CMOS极限。

 本文参考雷锋网(公众号:雷锋网)

https://money.udn.com/money/story/5612/4875791#prettyPhoto

https://www.chainnews.com/articles/871450913791.htm

https://zh.wikipedia.org/wiki/FinFET 雷锋网

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