GlobalFoundries 公布 7 奈米製程细节:最大晶片大小 700mm

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GlobalFoundries 公布 7 奈米製程细节:最大晶片大小 700mm

半导体公司 GlobalFoundries 最近公布了其 7 奈米製程的细节。正如去年 9 月公告,将拥有多代 7 奈米 FinFET 製程,其中包括使用 EUV 技术的先进製程。GlobalFoundries 宣布,其 7LP 技术将拓展到三代,使用户能够生产面积为 700mm² 的晶片。据悉,首批採用 7LP 製程的晶片将于 2018 年下半年开始试产。

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7 奈米 DUV

GlobalFoundries 首先重申第一代 7 奈米製程的细节:使用深紫外线(DUV)光刻法,氟化氩準分子雷射器工作的波长为 193nm。相比现有的 14LPP 製程,7 奈米製程在功率和电晶体数量相同的前提下,可带来 40% 的效率提升;或者在频率和複杂性相同的情况下,将功耗降低 60%。

GlobalFoundries 目前正在尝试两种方法──门控制和降低电压,来降低晶片的功耗。採用 7LP 製程的晶片将支援 0.65V~1V 电压,这数值低于採用 14 奈米製程晶片。此外,7LP 晶片还拥有更丰富的门控制功能。

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7LP 製程在压缩成本和缩小大小两方面取得的进展不甚符合。一方面,与 14LPP 製程相比,7 奈米 DUV 可将晶片缩小超过 50%。考虑到后者採用 20 奈米后段製程互联线系统,这并不意外。但由于 7 奈米 DUV 涉及多层,要求 3~4 重图形;GlobalFoundries 表示,根据不同应用场域,7 奈米 DUV 只能将晶片功耗降低 30%~45%。

GlobalFoundries 之所以将 7 奈米製程称为 7LP,是因定位高效能应用,不仅是智慧手机 SoC 晶片,这与台积电探索 7 奈米製程的方向不同。GlobalFoundries 旨在用 7LP 技术生产用于高效能计算的 CPU、GPU、行动 SoC,以及用于航太、国防和汽车的高效能晶片。这意味除了提高电晶体密度(主流设计高达 1,700 万个/mm²)和频率,GlobalFoundries 还需要将 7LP 晶片的最大,从目前 650mm² 提升到约 700mm²。事实上,晶片的大小受很多工具限制。

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GlobalFoundries 几季前就开始用 7 奈米製程为客户製造测试晶片了。客户正使用这些晶片,计划 2018 年初将晶片推向量产。GlobalFoundries 客户目前使用 0.5 版本的 7 奈米製程设计套件(PDK),今年稍晚,将发表接近最终版本的 v. 0.9 版 PDK。值得注意的是,像 AMD 这样的大客户并不需要 GlobalFoundries 的最终版本 PDK,就能将 CPU 和 GPU 开发工作进展到一定程度。因此,GlobalFoundries 谈到计划将 7 奈米製程商用时,指的主要是 fabless 供应商等早期採用者。

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除了 PDK,GlobalFoundries 的 7LP 平台还针对 ARM CPU IP、高速 SerDes(包括 112G),2.5D / 3D 封装选项,準备了丰富的许可档案包。对大客户,GlobalFoundries 已準备好于 2018 年将 7 奈米 DUV 製程商用化。

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Fab 8 已为 7LP 做好準备

说到量产,今年稍早,GlobalFoundries 曾宣布计划扩充 Fab 8 产能。目前 Fab 8 的晶圆月产能约为 6 万片,希望扩充产能后 14LPP 的产量增加 20%。

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GlobalFoundries 的扩张计划并不包括扩张厂房,这意味着打算透过装载更先进的扫描仪来增加产能。GlobalFoundries 没有公开使用装置的细节,但可想而知,拥有更高汇出以及更强覆写和聚焦效能的新型扫描仪,也将在量产基于四重影像的 7 奈米 DUV 时有选择层作用。

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除了更先进的 ASML TWINSCAN NXT DUV 装置,GlobalFoundries 还计划今年下半年在 Fab 8 安装两台 TWNSCAN NXE EUV 扫描仪。这一点事关重大,因为目前晶圆厂尚未使用 EUV 工具。另外,由于光源等原因,EUV 装置要比 DUV 装置佔据更大空间。

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EUV:仍存在许多问题

超薄製程中多重影像技术的运用,是晶片製造工业需要使用 13.5nm 极紫外波长光刻的原因之一。晶片製造工业一直以来致力于开发量产的 EUV 工具,虽然最近取得重大进展,但 EUV 尚未实现规模化。这正是 GlobalFoundries 对多代 EUV 态度谨慎的原因。必须牢记一点,GlobalFoundries 并未对 7 奈米製程的更新正式命名,只谈到「相容 EUV 的 7LP 平台」。因此,本文中对 7 奈米製程的分代,只是为了方便大家理解。

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据了解,ASML 已开发了几代 EUV 扫描仪,并展示功率为 205w 的光源。最新升级的 TWINSCAN NXE 扫描仪可用性已超过 60%,根据 GlobalFoundries 说法,达到可开始部署的水準。TWINSCAN NXE 扫描仪的可用性最终将提升至 90%,与 DUV 工具一致。

但与此同时,EUV 光掩模的保护膜、掩模缺陷及 EUV 抗蚀剂方面仍然存在隐忧。一方面,目前保护膜仅适用每小时 85 个晶片的生产率(WpH),而 GlobalFoundries 今年的计划是达到 125WpH。这意味着现有的保护膜无法应对量产所需的强大光源。保护膜上的任何缺陷都可能对晶片造成影响,并显着降低产量。英特尔之前展示了可承受超过 200 次晶圆曝光的胶片光掩模,这些胶片何时量产目前还不知。另一方面,由于抗蚀剂的缺失,大功率光源需要符合要求的直线边缘粗糙度(LER)以及均匀的局部临界大小(CD)。

第一代 7 奈米 EUV 技术:提高产量,缩短週期

基于以上担忧,GlobalFoundries 开始为选取层插入 EUV,以减少多重影像的使用(如果可能,彻底消除四重影像),进而提高产量。目前尚未透露何时开始使用 EUV 工具,只说要等到「备妥」以后。不过看来 EUV 工具难以在 2018 年前备妥,因此猜测 GlobalFoundries 最早也要到 2019 年才会使用 EUV 技术合乎逻辑。

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这样的做法很有意义,因为这使 GlobalFoundries 提高客户产品,并进一步了解,如何将 EUV 应用量产。在最理想的情况下,GlobalFoundries 可使用 7 奈米 EUV 技术生产针对 7 奈米 DUV 设计开发的多重影像晶片。但是,应该牢记两点。 首先,半导体开发商每年都会有新产品。 第二,GlobalFoundries 最早也要在发表首款 7 奈米 DUV 晶片几季后,才会将 EUV 工具插入生产流程。因此,GlobalFoundries 生产的首款基于 EUV 晶片极有可能是全新设计,而非原本採用全 DUV 製程製造的晶片。

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第二代 7 奈米 EUV 製程:更高的电晶体密度

GlobalFoundries 何时推出下世代 7 奈米 EUV製程,取决于工业能多快解决 EUV 掩模、保护膜、CD 均匀性以及 LER 等方面的挑战。

GlobalFoundries 第二代 7 奈米 EUV 製程技术,将具备更佳 LER 和解析度。希望藉此实现更高的电晶体密度、更低功耗及更高效能。儘管这项工艺背后的技术仍带实验性质,但 GlobalFoundries 也没有说何时能够解决面临的问题以及提供客户合适的服务。

最后,第三代 7LP 可能会引入新设计规则,以实现更小体积、更高频率和更低功耗。希望这代技术的过渡能与 IC 设计人员无缝接轨。毕竟,大多数设计人员仍在使用 DUV。唯一不确定的是,GlobalFoundries 是否需要在 Fab 8 安装 TWINSCAN NXE 扫描仪,用于第二代7 奈米 EUV 製程。

5 奈米 EUV:可调节栅极──GAA FET

GlobalFoundries 公布 7LP 平台计划的前一週,IBM 和研究联盟伙伴(GlobalFoundries 和 Samsung)展示了一片採用 5 奈米製程製造的晶圆。晶圆上的 IC 是用硅奈米片电晶体(也称 GAA FET)构建,看起来未来还可以用于构建半导体模组。当然,最大的问题是要等到什幺时候。

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由 IBM、GlobalFoundries 和 Samsung 开发的 GAA FET 技术,以每个电晶体四个门的方式堆叠硅奈米晶片。GAA FET 技术的关键点在于奈米晶片的宽度可在单件製造过程或设计阶段进行调节,进而微调晶片的效能和功耗。IBM 声称,相比 10 奈米製程,5 奈米製程在相同功耗和複杂性的前提下能够带来 40% 效能提升,或在相同频率和複杂度的条件下,降低 75% 功耗。但必须牢记一点,儘管 IBM 加入研究联盟,但公告并无法反映 GlobalFoundries 和三星研发製程的真实进度。

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IBM、GlobalFoundries 和三星声称,他们使用 EUV 调整 GAA FET。这合乎逻辑,因为这 3 家公司在 SUNY 理工学院的 NanoTech 综合大楼使用 ASML TWINSCAN NXE 扫描仪进行研发。从技术上来说,假设能够得到正确的 CD、LER 和週期等,用 DUV 装置生产 GAA FET 是可行的。不过 5 奈米製程对 EUV 工具的依赖程度还有待观察。

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研究联盟的三大成员都没有谈到 5 奈米量产的时间框架,但外界普遍认为,5 奈米 EUV 最早也要到 2021 年。

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几点看法

总而言之,根据最近的一系列公告,EUV 技术看起来越来越有可能走出实验室,投入量产。就在刚过去几週,GlobalFoundrie 和两家合作伙伴就 EUV 技术发出几个公告,声称是未来的一部分,但这并不意味着他们没有 B 计划──多重影像方案。目前来看,EUV 技术是中期计画的一部分,而非长期计划。儘管如此,没有人能说 EUV 投入量产的最终日期,唯一知道的就是要等到「备妥」以后。

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正如 GlobalFoundries 之前所说,将 EUV 装置插入其製造流程是一个循序渐进的过程。今年安装两台扫描仪,用于接下来几季量产,但除此之外并未宣布更多资讯。儘管 EUV 技术前景一片光明,但相关技术却还没有成熟,而且目前没人知道何时才能满足量产所需的必要指标。

说到 7LP 平台,有趣的是,儘管 7LP 平台支援超低电压(0.65V),且能胜任行动应用;GlobalFoundries 却主要定位于高效能应用,而不像其他晶片厂商,定位在行动 SOC。从效能/功率/晶片面积来看,儘管 7LP 製程相当有竞争力,但 GlobalFoundries 的合作伙伴如何运用该技术,还有待观察。