全球梭哈2nm，让电子不乱跑有多难？

　　300亿新台币（67亿人民币），放到中国互联网公司历史融资排名中能挤入前十位置。然而这些钱，仅是ASML为中国台湾企业台积电发展2nm工艺制程的第一期投资金额。据中国台湾媒体报道，半导体设备制造商ASML在中国台湾投入巨资，向中国台湾经济部申请A企业创新研发淬炼计划，研发制造2nm晶圆光量测设备（前道量检测设备的一种）。经济部表示，将以多个方面进行审查，包括如何协助供应链技术升级以及国产自制率，最快5月拍板定案。按照此前规划，台积电最早将于2025年2025年开始量产其2nm制程技术。ASML如此大手笔的投资，就是要保持公司与台积电的技术联盟在2nm时代继续保持全球领先。事实上就在几天后的4月10日，日本媒体就报道经济产业省正在敲定计划，将额外向日本新成立的晶圆制造商Rapidus提供3，000亿日元（约22。7亿美元）补贴，用以在日本北海道兴建半导体厂。而此前Rapidus已宣布将在日本北部岛屿北海道的千岁市建造一座2nm晶圆代工厂。在2nm制程的争夺战上，肯定也少不了韩国的身影。日本宣布加码2nm制程的同一天（4月10日），韩国国际广播电台报道，韩国政府决定在半导体等11个核心投资领域选定40个项目，每年投入70的研发预算进行支援，计划到2030年总共投资13。5万亿韩元（约合102亿美元）。4月6日韩国科学和信息通信技术部已经宣布，到2027年私营和公共部门将至少投资160万亿韩元（1210亿美元）用于电池、半导体和显示器研发。该部门解释半导体行业的创新理念包括忆阻器器件优于DRAM和NAND、人工智能相关芯片设计、6G通信和自动驾驶、3纳米及更先进的工艺技术等。各国大力争抢的2nm工艺是什么意思？要烧这么多钱，工艺进步究竟有多难？本文将带你梳理芯片工艺制程的变化，来了解不同工艺难度的差别。等比例缩小时代集成电路本质上是由一个个微小的晶体管、电阻、电容与电感组成的大规模复杂电路，通过金属线连接在一起，晶体管的性能水平也几乎就代表了芯片的性能水平。早期的集成电路就是将常见的电路板各个元器件的尺寸等比例缩小，最后进行封装。这里稍微讲一下模拟电路相关知识。集成电路的最底层结构是MOS管，MOS管的工作原理基于PN结。在硅材料的正负两极参杂P（磷）与N（氮）元素，N区自由电子多，而P区空穴多，两端在一开始均不带电。由于离子的扩散作用，N端的自由电子会自发的向P端移动来填补空穴，这样就会让P、N两端分别带正负电荷，当两端电场强度使得自由电子进出速度（电子的扩散与漂移）维持动态平衡的时候，就会在中央形成空间电荷区（耗尽区）。这也就是PN结的结构。而MOS管的结构则是由金属栅极（Gate）、源极（Source）与漏极（Drain）组成。源极和漏极分别是两种不同参杂半导体组成，分别形成两个PN结。当向源极与漏极加电压时，在栅极无外加电场的情况下，电子由于PN结阻隔无法穿过中间的沟道，我们可以将这种状态定义为0。向栅极施加电场，衬底中的自由电子会被拉进沟道内，此时再向源极与漏极间加电压就能导通，我们MOS管的这种状态定义为1。有了0与1的信号，就可以构建更复杂的电路。而栅极通常用金属与氧化物组成，该结构也被称为金属氧化物半导体场效应管（metaloxidesemiconductorFieldEffectTransistor，FET）。目前半导体主要使用MOS场效应管，即通常所称的MOS管，一般也能用晶体管指代它。
　　P型MOSFET图源：维基百科
　　同样面积下塞入更多的晶体管，通常意味着集成电路的计算能力越强，因此持续降低晶体管大小就能增大晶体管密度，进而提升芯片性能。此前每一代工艺制程升级，制造商都能够将晶体管规格微缩0。7倍，从而实现15的性能提升，50的面积减小，40的功耗降低以及35的成本降低。这种等比例缩放持续进步的方式，被称为登纳德缩放定律（DennardScaling）。这个时代的工艺难点在于如何设计出如何让布线让芯片更加稳定，尽量规避因工艺问题导致的断线、短路等问题，以及减少天线效应，合理设置屏蔽线等问题。不过在今天这些问题已经有了十分成熟的解决方法，这一类工艺目前也被称为成熟工艺。如果不出意外的话，晶体管与的大小可以一直减小，直到它的它的大小逼近硅原子的大小（0。22nm）。不过既然有了这篇文章，那么意外一定会出现。这里举一个经典的例子，晶体管的源极与漏极相当于两个地铁站，我们缩小两站之间的距离就相当于降低沟道宽度，也就是降低晶体管的大小。但当地铁站之间的距离足够近时，两个站点就能直接连通，乘客就可以不乘坐地铁也能行走于两个站点之间。这里的乘客就是自由电子，乘客的自由移动就相当于晶体管漏电。当自由电子越来越多，晶体管就难以输出有辨识度的高低波形，从而失去作用。因此，在晶体管缩小到22nm左右后，传统工艺就很难再进一步了。这时，如何增强对电子的控制能力就成为半导体技术再进一步的关键。FinFET的诞生与工艺命名1999年，美籍华人科学家胡正明（ChenmingHu）教授就提出了FinFET（FinFieldEffectTransistor，鳍式场效应晶体管）概念。当时胡教授在加州大学领导一个研发小组，目标是研究如何将CMOS技术拓展到25nm领域，彼时提出了两种解决方案，一种是基于SOI的超薄绝缘层上硅体技术，适用于MEMS与功率器件，另一种就是立体结构的FinFET。传统的MOSFET结构是平面的，只能在栅门的一侧控制电路的接通与断开。但是在FinFET架构中，栅门（Gate）被设计成类似鱼鳍的叉状3D架构，可以在电路的两侧控制电路的接通与断开。这种叉状3D架构不仅能改善电路控制和减少漏电流（leakage），同时让晶体管的栅极长度大幅度缩减。单个FinFET晶体管通常包含多个鳍片，这些鳍片并排排列并由同一栅极覆盖，可提高晶体管驱动强度和性能。
　　MOSFET与FinFET对比图源：三星
　　从图片中我们能看到，FinFET拥有更窄的沟道，但由于增大了鳍片与栅极的接触面积，使得晶体管对电子的控制能力增强，自然就减少了漏电的概率。这里需要提到一点，在FinFET商业化应用之前，芯片工艺大多还是按照晶体管真实体积大小来区分的。1992年，IEEE发布集成电路工艺命名规则，根据晶体管的GateLength和HalfpitchSize来命名制程。GateLength表示二极管Gate极的宽度，而HalfpitchSize代表的是芯片内部互联线间距离的一半，即光刻间距的一半。FinFET突破了晶体管的平面维度，有效沟道变成了3维结构，难以用一个数据简单显示其准确含义。因此，台积电、英特尔、三星等厂商逐渐推出了适合自身的命名方式（主要是为了营销）。因此22nm之后的数字，纯粹是指采用特定技术制造的某一代芯片，不对应任何栅极的长度或间距。台积电的PhilipWong在HotChips31主旨演讲中说：它过去是技术节点，节点编号，意味着一些东西，晶圆上的一些功能。今天，这些数字只是数字。它们就像汽车模型就像宝马5系或马自达6。数字是什么并不重要，它只是下一项技术的目的地，它的名称。我们不要把节点的名称与技术实际提供的相混淆。因此在FinFET时代后，主要使用鳍片的宽度来命名工艺制程。目前，英特尔芯片专家MarkBohr提出的单位面积晶体管密度参数成为共识，它认为每个芯片制造商在提及工艺节点时，都应披露其逻辑晶体管密度，单位为MTrmm2（每平方毫米数百万个晶体管）。因此，我们对比台积电7nm工艺与英特尔10nm工艺时，会发现它们的晶体管密度基本相同。
　　图源：知乎
　　FinFET的推出为摩尔定律成功续命了10年左右。不过随着芯片制造工艺进一步降低，FinFET也迎来了它的极限。在工艺达到5nm之后，晶体管间距离过近导致的漏电问题再次萦绕在芯片制造商头顶。晶体管对电子的控制能力还能进一步增强吗？GAAFET，无情的吞金兽FinFET应用后，栅极与沟道的接触从单一平面变成了三个面，极大的提升了对电子的控制能力。那么当这项技术面对极限，再增加一个接触面不就好了吗？芯片工程师就是这么想的，于是GAAFET（GateallaroundFET，环绕栅极场效应晶体管）诞生了。GAAFET的栅极在垂直方向被分成多个条带鳍片，根据鳍片形状分为纳米管（Nanowire）结构与纳米片（Nanosheet）结构。GAAFET在沟道区域大幅增强对载流子控制，从而实现更好的性能，同时也更容易优化工艺。我们可以简单的理解为将FinFET的鳍片转90，再向上堆高，来增加栅极和沟道的接触面积。
　　PlanarFET、FinFET与GAAFET对比图源：互联网
　　然而，GAAFET的制造工艺十分复杂，有相当多的因素影响芯片良率。业内专家对GAAFET的制造难度作出解释：晶圆的生产过程中，蚀刻垂直侧壁上的器件最是困难，需要引入更新的半导体材料。结构还需要使用EUV进行多次蚀刻，还需要解决可能出现的隐藏缺陷，比如鳍片之间的残留物、Nanosheet损坏或本身相邻的源漏极区的选择性损坏、沟道释放需要单独控制片材高度、拐角侵蚀和沟道弯曲等。为了解决这些问题，芯片制造工艺需要从源头进行改善。例如设计并制造更精密的光刻机，解决光刻功率不够以及光子噪音等问题；更换配套的刻蚀机、离子注入机等相关设备甚至重建厂房；调整产线来适应更多次的刻蚀流程；设计芯片的EDA软件也要相应更新，重新调试仿真技术。就以GAA技术来说，三星曾透露自家3nmGAA的研发成本比5nmFinFET更高，有可能超过5亿美元。2022年1月，英特尔宣布以高达3。4亿美元的价格向ASML预定了仍在设计阶段的HighNA量产型EUV光刻机EXE：5200，用来制造3nm工艺及更先进技术的芯片。台积电也透露3纳米一片12寸晶圆大约2万美元，用的还是FinFET，GAAFET晶圆或将达到3万美元一片。2nm，意味着什么？就目前来说，GAAFET由于制造困难极高，成本高昂，各大芯片厂商都没能给出确定量产时间。在未来相当长的一段时间内，应用3nm工艺GAAFET技术将是各大厂商竞争的主要目标。抢占2nm，需要这么着急吗？过去几年，三星连续为高通代工骁龙888与骁龙8gen1两代芯片，但遭到口诛笔伐，后高通决定放弃三星，将下一代芯片交由台积电代工。几乎是同一时间，英特尔也将GPU芯片订单交给台积电，理由是三星的良率不佳，产量较低。而三星之所以会失去两大客户的根本原因就在于工艺制程落后。上文提到，在进入FinFET后，14nm、10nm等数字已经不能代表工艺制程，晶体管密度才能更直观的展示技术先进程度。彼时三星、台积电同为5nm工艺，但两家代工厂的晶体管密度仍有所不同。台积电5nm工艺为1。73亿颗晶体管平方毫米，而三星的工艺仅达到1。27亿，低了近27。工艺落后成为三星代工的骁龙变火龙的直接原因。
　　图源：IT之家
　　对于世界上最先进的代工厂来说，技术落后一代就意味着将失去大部分客户。因此，三星为了改善外界对三星代工的印象，在2022年就开始在3nmGAA领域发力。根据三星公布的数据，与5nm制程相比，3nm制程可以降低45的功耗、提升23的性能和缩小16的芯片面积。对于2nm芯片来说，这些差距还将更明显。所以，全球几乎所有先进代工厂都在全力奋战2nm。写在最后相较于过去的工艺制程，2nm芯片的制造需要更加高精度的加工设备和更为复杂的制程工艺，同时，这也意味着芯片制造商需要投入更多的研发成本和生产成本。尽管如此，2nm芯片的研发和生产仍然具有巨大的商业价值。2nm芯片的研制标志着芯片工艺制程的一次重大突破，同时也意味着摩尔定律逐渐趋于极限。然而，这并不意味着芯片技术的发展将止步不前。相反，技术的发展将会转向更为多元化和综合化的方向，从而进一步推动科技产业的发展和创新。我们有理由相信，在全球技术人员的共同努力下，芯片技术将继续保持高速发展，并为未来的科技进步奠定坚实的基础。