GlobalFoundries 公布 7 奈米製程細節:最大晶片大小 700mm²,2018 年量產

作者 | 發布日期 2017 年 06 月 26 日 13:16 | 分類 Samsung , 晶片 , 零組件 follow us in feedly

半導體公司 GlobalFoundries 最近公布了其 7 奈米製程的細節。正如去年 9 月公告,將擁有多代 7 奈米 FinFET 製程,其中包括使用 EUV 技術的先進製程。GlobalFoundries 宣布,其 7LP 技術將拓展到三代,使用戶能夠生產面積為 700mm² 的晶片。據悉,首批採用 7LP 製程的晶片將於 2018 年下半年開始試產。



7 奈米 DUV

GlobalFoundries 首先重申第一代 7 奈米製程的細節:使用深紫外線(DUV)光刻法,氟化氬準分子雷射器工作的波長為 193nm。相比現有的 14LPP 製程,7 奈米製程在功率和電晶體數量相同的前提下,可帶來 40% 的效率提升;或者在頻率和複雜性相同的情況下,將功耗降低 60%。

GlobalFoundries 目前正在嘗試兩種方法──門控制和降低電壓,來降低晶片的功耗。採用 7LP 製程的晶片將支援 0.65V~1V 電壓,這數值低於採用 14 奈米製程晶片。此外,7LP 晶片還擁有更豐富的門控制功能。

7LP 製程在壓縮成本和縮小大小兩方面取得的進展不甚符合。一方面,與 14LPP 製程相比,7 奈米 DUV 可將晶片縮小超過 50%。考慮到後者採用 20 奈米後段製程互聯線系統,這並不意外。但由於 7 奈米 DUV 涉及多層,要求 3~4 重圖形;GlobalFoundries 表示,根據不同應用場域,7 奈米 DUV 只能將晶片功耗降低 30%~45%。

GlobalFoundries 之所以將 7 奈米製程稱為 7LP,是因定位高效能應用,不僅是智慧手機 SoC 晶片,這與台積電探索 7 奈米製程的方向不同。GlobalFoundries 旨在用 7LP 技術生產用於高效能計算的 CPU、GPU、行動 SoC,以及用於航太、國防和汽車的高效能晶片。這意味除了提高電晶體密度(主流設計高達 1,700 萬個/mm²)和頻率,GlobalFoundries 還需要將 7LP 晶片的最大,從目前 650mm² 提升到約 700mm²。事實上,晶片的大小受很多工具限制。

GlobalFoundries 幾季前就開始用 7 奈米製程為客戶製造測試晶片了。客戶正使用這些晶片,計劃 2018 年初將晶片推向量產。GlobalFoundries 客戶目前使用 0.5 版本的 7 奈米製程設計套件(PDK),今年稍晚,將發表接近最終版本的 v. 0.9 版 PDK。值得注意的是,像 AMD 這樣的大客戶並不需要 GlobalFoundries 的最終版本 PDK,就能將 CPU 和 GPU 開發工作進展到一定程度。因此,GlobalFoundries 談到計劃將 7 奈米製程商用時,指的主要是 fabless 供應商等早期採用者。

除了 PDK,GlobalFoundries 的 7LP 平台還針對 ARM CPU IP、高速 SerDes(包括 112G),2.5D / 3D 封裝選項,準備了豐富的許可檔案包。對大客戶,GlobalFoundries 已準備好於 2018 年將 7 奈米 DUV 製程商用化。

Fab 8 已為 7LP 做好準備

說到量產,今年稍早,GlobalFoundries 曾宣布計劃擴充 Fab 8 產能。目前 Fab 8 的晶圓月產能約為 6 萬片,希望擴充產能後 14LPP 的產量增加 20%。

GlobalFoundries 的擴張計劃並不包括擴張廠房,這意味著打算透過裝載更先進的掃描儀來增加產能。GlobalFoundries 沒有公開使用裝置的細節,但可想而知,擁有更高匯出以及更強覆寫和聚焦效能的新型掃描儀,也將在量產基於四重影像的 7 奈米 DUV 時有選擇層作用。

除了更先進的 ASML TWINSCAN NXT DUV 裝置,GlobalFoundries 還計劃今年下半年在 Fab 8 安裝兩台 TWNSCAN NXE EUV 掃描儀。這一點事關重大,因為目前晶圓廠尚未使用 EUV 工具。另外,由於光源等原因,EUV 裝置要比 DUV 裝置佔據更大空間。

EUV:仍存在許多問題

超薄製程中多重影像技術的運用,是晶片製造工業需要使用 13.5nm 極紫外波長光刻的原因之一。晶片製造工業一直以來致力於開發量產的 EUV 工具,雖然最近取得重大進展,但 EUV 尚未實現規模化。這正是 GlobalFoundries 對多代 EUV 態度謹慎的原因。必須牢記一點,GlobalFoundries 並未對 7 奈米製程的更新正式命名,只談到「相容 EUV 的 7LP 平台」。因此,本文中對 7 奈米製程的分代,只是為了方便大家理解。

據了解,ASML 已開發了幾代 EUV 掃描儀,並展示功率為 205w 的光源。最新升級的 TWINSCAN NXE 掃描儀可用性已超過 60%,根據 GlobalFoundries 說法,達到可開始部署的水準。TWINSCAN NXE 掃描儀的可用性最終將提升至 90%,與 DUV 工具一致。

但與此同時,EUV 光掩模的保護膜、掩模缺陷及 EUV 抗蝕劑方面仍然存在隱憂。一方面,目前保護膜僅適用每小時 85 個晶片的生產率(WpH),而 GlobalFoundries 今年的計劃是達到 125WpH。這意味著現有的保護膜無法應對量產所需的強大光源。保護膜上的任何缺陷都可能對晶片造成影響,並顯著降低產量。英特爾之前展示了可承受超過 200 次晶圓曝光的膠片光掩模,這些膠片何時量產目前還不知。另一方面,由於抗蝕劑的缺失,大功率光源需要符合要求的直線邊緣粗糙度(LER)以及均勻的局部臨界大小(CD)。

第一代 7 奈米 EUV 技術:提高產量,縮短週期

基於以上擔憂,GlobalFoundries 開始為選取層插入 EUV,以減少多重影像的使用(如果可能,徹底消除四重影像),進而提高產量。目前尚未透露何時開始使用 EUV 工具,只說要等到「備妥」以後。不過看來 EUV 工具難以在 2018 年前備妥,因此猜測 GlobalFoundries 最早也要到 2019 年才會使用 EUV 技術合乎邏輯。

這樣的做法很有意義,因為這使 GlobalFoundries 提高客戶產品,並進一步了解,如何將 EUV 應用量產。在最理想的情況下,GlobalFoundries 可使用 7 奈米 EUV 技術生產針對 7 奈米 DUV 設計開發的多重影像晶片。但是,應該牢記兩點。 首先,半導體開發商每年都會有新產品。 第二,GlobalFoundries 最早也要在發表首款 7 奈米 DUV 晶片幾季後,才會將 EUV 工具插入生產流程。因此,GlobalFoundries 生產的首款基於 EUV 晶片極有可能是全新設計,而非原本採用全 DUV 製程製造的晶片。

第二代 7 奈米 EUV 製程:更高的電晶體密度

GlobalFoundries 何時推出下世代 7 奈米 EUV製程,取決於工業能多快解決 EUV 掩模、保護膜、CD 均勻性以及 LER 等方面的挑戰。

GlobalFoundries 第二代 7 奈米 EUV 製程技術,將具備更佳 LER 和解析度。希望藉此實現更高的電晶體密度、更低功耗及更高效能。儘管這項工藝背後的技術仍帶實驗性質,但 GlobalFoundries 也沒有說何時能夠解決面臨的問題以及提供客戶合適的服務。

最後,第三代 7LP 可能會引入新設計規則,以實現更小體積、更高頻率和更低功耗。希望這代技術的過渡能與 IC 設計人員無縫接軌。畢竟,大多數設計人員仍在使用 DUV。唯一不確定的是,GlobalFoundries 是否需要在 Fab 8 安裝 TWINSCAN NXE 掃描儀,用於第二代7 奈米 EUV 製程。

5 奈米 EUV:可調節柵極──GAA FET

GlobalFoundries 公布 7LP 平台計劃的前一週,IBM 和研究聯盟夥伴(GlobalFoundries 和 Samsung)展示了一片採用 5 奈米製程製造的晶圓。晶圓上的 IC 是用矽奈米片電晶體(也稱 GAA FET)構建,看起來未來還可以用於構建半導體模組。當然,最大的問題是要等到什麼時候。

由 IBM、GlobalFoundries 和 Samsung 開發的 GAA FET 技術,以每個電晶體四個門的方式堆疊矽奈米晶片。GAA FET 技術的關鍵點在於奈米晶片的寬度可在單件製造過程或設計階段進行調節,進而微調晶片的效能和功耗。IBM 聲稱,相比 10 奈米製程,5 奈米製程在相同功耗和複雜性的前提下能夠帶來 40% 效能提升,或在相同頻率和複雜度的條件下,降低 75% 功耗。但必須牢記一點,儘管 IBM 加入研究聯盟,但公告並無法反映 GlobalFoundries 和三星研發製程的真實進度。

IBM、GlobalFoundries 和三星聲稱,他們使用 EUV 調整 GAA FET。這合乎邏輯,因為這 3 家公司在 SUNY 理工學院的 NanoTech 綜合大樓使用 ASML TWINSCAN NXE 掃描儀進行研發。從技術上來說,假設能夠得到正確的 CD、LER 和週期等,用 DUV 裝置生產 GAA FET 是可行的。不過 5 奈米製程對 EUV 工具的依賴程度還有待觀察。

研究聯盟的三大成員都沒有談到 5 奈米量產的時間框架,但外界普遍認為,5 奈米 EUV 最早也要到 2021 年。

幾點看法

總而言之,根據最近的一系列公告,EUV 技術看起來越來越有可能走出實驗室,投入量產。就在剛過去幾週,GlobalFoundrie 和兩家合作夥伴就 EUV 技術發出幾個公告,聲稱是未來的一部分,但這並不意味著他們沒有 B 計劃──多重影像方案。目前來看,EUV 技術是中期計畫的一部分,而非長期計劃。儘管如此,沒有人能說 EUV 投入量產的最終日期,唯一知道的就是要等到「備妥」以後。

正如 GlobalFoundries 之前所說,將 EUV 裝置插入其製造流程是一個循序漸進的過程。今年安裝兩台掃描儀,用於接下來幾季量產,但除此之外並未宣布更多資訊。儘管 EUV 技術前景一片光明,但相關技術卻還沒有成熟,而且目前沒人知道何時才能滿足量產所需的必要指標。

說到 7LP 平台,有趣的是,儘管 7LP 平台支援超低電壓(0.65V),且能勝任行動應用;GlobalFoundries 卻主要定位於高效能應用,而不像其他晶片廠商,定位在行動 SOC。從效能/功率/晶片面積來看,儘管 7LP 製程相當有競爭力,但 GlobalFoundries 的合作夥伴如何運用該技術,還有待觀察。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:GlobalFoundries)