GlobalFoundries公佈7nm工藝細節 2018年量產

半導體公司GlobalFoundries最近公佈了有關其7nm製造工藝的細節。正如去年9月的公告指出，它將擁有多代7nm FinFET製造工藝，其中包括使用EUV技術的先進製造工藝。GlobalFoundries宣佈，其7LP技術將拓展到三代，使客戶能夠生產面積為700mm²的晶片。據悉，首批採用7LP工藝的晶片將於2018年下半年開始試產。

7 nm DUV
GlobalFoundries首先重申了其第一代7nm製造工藝的細節。該工藝用到了深紫外線（DUV）光刻法，氟化氬準分子雷射器工作的波長為193nm。相比它現有的14LPP工藝，7nm工藝在功率和電晶體數量相同的前提下，可以帶來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目前正在重點嘗試兩種方法——門控制和降低電壓，來降低晶片的功耗。採用7LP工藝的晶片將支援0.65-1V的電壓，這一數值低於採用14nm工藝的晶片。此外，7LP晶片還擁有更加豐富的門控制功能。

7LP工藝在壓縮成本和縮小尺寸兩方面取得的進展不甚匹配。一方面，與14LPP工藝相比，7 nm DUV可將晶片尺寸縮小超過50%。考慮到後者採用的是20nm後段制程互聯線系統，這並不出人意外。但由於7 nm DUV涉及多層，要求3-4重圖形；GlobalFoundries表示，根據不同應用場景，7 nm DUV只能將晶片功耗降低30-45%。

GlobalFoundries之所以將其7nm工藝稱作7LP，是因為它定位于高性能應用，而不僅僅是智慧手機的SOC晶片，這與台積電探索7nm工藝的方向不同。GlobalFoundries旨在用7LP技術生產包括用於高性能計算的CPU、GPU、移動SoC，以及用於航空航太、國防和汽車的高性能晶片。這意味著，除了提高電晶體密度（主流設計高達1700萬門/ mm2）和頻率，GlobalFoundries還需要將7LP晶片的最大尺寸，從目前的650mm²提升到約700mm²。而事實上，晶片的最大尺寸受到很多工具的限制。

GlobalFoundries幾個季度前就開始用7nm工藝為客戶製造測試晶片了。它的客戶正在使用這些晶片，而它則計畫於2018年初將晶片推向量產。GlobalFoundries的客戶目前使用的是0.5版本的7nm工藝制程設計套件（PDK），今年晚些時候，它將發佈接近最終版本的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的開發工作進展到一定節點。因此，GlobalFoundries談到計畫將7nm工藝商用時，指的主要是 fabless供應商等早期採用者。

除了PDK，GlobalFoundries的7LP平臺還針對ARM CPU IP、高速SerDes（包括112G），2.5D/3D封裝選項，準備了豐富的許可文件包。對於大客戶，GlobalFoundries已經準備好了於2018年將7nm DUV工藝商用化。

Fab 8已經為7LP做好了準備
說到量產，今年早些時候，GlobalFoundries曾宣佈計畫擴充Fab 8的產能。目前Fab 8的晶圓月產能約為60000片，它希望擴充產能後，14LPP的產量能增加20%。

GlobalFoundries的擴張計畫並不包括擴張廠房，這意味著它打算通過安裝更加先進的掃描器來增加產能。GlobalFoundries沒有公開它使用的設備的細節，但可想而知，擁有更高輸出以及更強覆蓋和聚焦性能的新型掃描器，也將在量產基於4重圖像的7nmDUV時起到選擇層的作用。

除了更先進的ASML TWINSCAN NXT DUV設備，GlobalFoundries還計畫於今年下半年在Fab 8中安裝兩台TWNSCAN NXE EUV掃描器。這一點事關重大，因為目前晶圓廠尚未使用EUV工具。另外，由於光源等方面的原因，EUV設備要比DUV設備佔據更大的空間。

EUV：仍存在許多問題
超薄工藝中多重圖像技術的運用，是晶片製造行業需要使用13.5nm極紫外波長光刻的原因之一。晶片製造行業一直以來致力於開發適用於量產的EUV工具，雖然最近取得了重大進展，但EUV尚未實現規模化。這正是GlobalFoundries對多代EUV採取謹慎態度的原因。必須牢記一點，GlobalFoundries並未對其7nm工藝的反覆運算正式命名，它只談到了“相容EUV的7LP平臺”。因此，本文中對7nm工藝的分代，只是為了方便大家理解。

據雷鋒網瞭解，ASML已經開發了幾代EUV掃描器，並展示了功率為205w的光源。最新升級的TWINSCAN NXE掃描器可用性已經超過了60%，根據GlobalFoundries的說法，達到了可以開始部署的水準。TWINSCAN NXE掃描器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、掩模缺陷以及EUV抗蝕劑方面仍然存在隱憂。一方面，目前的保護膜僅適用於每小時85個晶片的生產率（WpH），而GlobalFoundries今年的計畫是達到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。英特爾公司此前展示了可以承受超過200次晶圓曝光的膠片光掩模，這些膠片何時可以量產目前還不得而知。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尺寸（CD）。

第一代7 nm EUV技術：提高產量，縮短週期
鑒於以上擔憂，GlobalFoundries將開始為選擇層插入EUV，以減少多重圖像的使用（如果可能的話，徹底消除四重圖像），從而提高產量。目前，它尚未透露將於何時開始使用EUV工具進行生產，只說要等到“準備就緒”以後。不過看起來EUV工具難以在2018年以前準備就緒，因此猜測GlobalFoundries最早也要到2019年才會使用EUV技術是合乎邏輯的。

這樣的做法很有意義，因為它使得GlobalFoundries能夠提高客戶的產品，並進一步瞭解，如何將EUV應用於量產。在最理想的情況下，GlobalFoundries將可以使用7nm EUV技術生產針對7 nm DUV設計開發的多重圖像晶片。但是，應該牢記兩點。 首先，半導體開發商每年都會發佈新產品。 第二，GlobalFoundries最早也要在發佈首款7nm DUV晶片幾個季度後，才會將EUV工具插入生產流程。因此，GlobalFoundries生產的首款基於EUV的晶片極有可能是全新設計，而非原本採用全DUV工藝製造的晶片。

第二代7nmEUV工藝：更高的電晶體密度
GlobalFoundries何時將推出下一代7nm EUV工藝，取決於行業能夠多快解決EUV掩模、保護膜、CD均勻性以及LER等方面的挑戰。

GlobalFoundries的第二代7nm EUV製造技術，將具備更好的LER和解析度。它希望借此實現更高的電晶體密度、更低的功耗以及更高的性能。儘管這項工藝背後的技術仍帶有實驗性質，但GlobalFoundries也沒有說何時能夠解決面臨的問題以及向客戶提供合適的服務。

最後，第3代7LP可能會引入新的設計規則，以實現更小的尺寸、更高的頻率和更低的功耗。我希望向這一代技術的過渡能夠與IC設計人員無縫對接。畢竟，絕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中安裝TWINSCAN NXE掃描器，用於第二代7 nm EUV工藝。

5nm EUV：可調節柵極 - GAA FET
GlobalFoundries公佈7LP平臺計畫的前一周，IBM和它研究聯盟的夥伴（GlobalFoundries 和 Samsung）展示了一片採用5nm工藝製造的晶圓。晶圓上的IC是用矽納米片電晶體（也稱GAA FET）構建的，它們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納米晶片。GAA FET技術的關鍵點在於納米晶片的寬度可以在單件製造過程或設計階段進行調節，從而微調晶片的性能和功耗。IBM聲稱，相比10nm工藝，5nm工藝在相同功耗和複雜性的前提下能夠帶來40%的性能提升，或者在相同頻率和複雜度的條件下，降低75%的功耗。但必須牢記一點，儘管IBM加入了研究聯盟，但它的公告並不能反映GlobalFoundries和三星研發制程工藝的真實進度。

IBM、GlobalFoundries和三星聲稱，它們使用EUV對GAA FET進行了調整。這是合乎邏輯的，因為這三家公司在SUNY理工學院的NanoTech綜合大樓使用ASML TWINSCAN NXE掃描器進行了研發工作。從技術上來說，假設能夠得到正確的CD、LER和週期等，用DUV設備生產GAA FET是可行的。不過5nm工藝設計對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5nm 量產的時間框架，但外界普遍認為，5nm EUV最早也要到2021年。

幾點看法
總而言之，根據最近發佈的一系列公告，EUV技術看起來越來越有可能走出實驗室，投入批量生產。就在剛剛過去的幾周，GlobalFoundrie和它的兩家合作夥伴就EUV技術發佈了幾個公告，聲稱它是未來的一部分，但這並不意味著他們沒有B計畫——多重圖像方案。目前來看，EUV技術是它們中期計畫的一部分，而非長期計畫。儘管如此，沒有人能夠說出EUV投入量產的最終日期，我們唯一知道的就是要等到“準備就緒以後”。

正如GlobalFoundries之前所說，將EUV設備插入其製造流程是一個循序漸進的過程。它計畫於今年安裝兩台掃描器，用於接下來幾個季度的量產，但除此之外並未宣佈更多資訊。儘管EUV技術前景一片光明時，但相關技術卻還沒有成熟，而且目前沒人知道它何時才能滿足量產所需的必要指標。

說到7LP平臺，有趣的是，儘管7LP平臺支援超低電壓（0.65 V），且能夠勝任移動應用；GlobalFoundries卻主要定位于高性能應用，而不是像其他晶片廠商一樣，定位於移動SOC。從性能/功率/晶片面積角度來看，儘管7LP製造工藝看起來相當有競爭力，但GlobalFoundries的合作夥伴將如何運用該技術還有待觀察。

資料來源