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中国将拥有另一个台积电?中芯搞定7nm工艺,但却面临更大难关

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近日,中芯国际表示要在第四季度量产7nm,这表示中芯已经攻克了7nm工艺,这意味着中芯和台积电之间只有1代的差距了。

根据中芯国际联席CEO梁孟松博士所示,N+1工艺和14nm相比,性能提升了20%,功耗降低了57%,逻辑面积缩小了63%,SoC面积减少了55%。

N+1之后还会有N+2,这两种工艺在功耗上表现差不多,区别在于 性能及成本,N+2显然是面向高性能的,成本也会增加。

从梁孟松的解释来看,中芯国际的7nm工艺发展跟台积电的路线差不多,7nm节点一共发展了三种工艺,分别是低功耗的N7、高性能的N7P、使用EUV工艺的N7+。N+1对应的就是低功耗的N7,N+2对应的就是高性能的N7P。

掌握了7nm工艺的中芯已经可以解决国内95%的需求了,毕竟不是所有的芯片都和手机芯片一样,都追求最先进的工艺制程。

可以说,中芯国际目前发展的势头是蒸蒸日上,从2000年创立至今,将中国大陆与世界一流的半导体技术差距从20年以上缩短至2年以内,只有1代的差距。

而且截止5nm 的时候都会采用FinFET技术,对于梁孟松而言,这并没有很大的难度。

当初半导体研发人员想要研发20纳米以下芯片的时候发现,当闸极长度缩小到 20 纳米以下的时候,遇到了许多问题,其中最麻烦的是当闸极长度愈小,源极和汲极的距离就愈近,闸极下方的氧化物也愈薄,电子有可能偷偷溜过去产生“漏电”;另外一个更麻烦的问题,原本电子是否能由源极流到汲极是由闸极电压来控制的,但是闸极长度愈小,则闸极与通道之间的接触面积愈小,也就是闸极对通道的影响力愈小。

所以20纳米以下的芯片需要采用全新的FinFET 技术,也叫做鳍式场效电晶体。鳍式场效电晶体是闸极长度缩小到 20 奈米以下的关键,拥有这个技术的制程与专利,才能确保未来在半导体市场上的竞争力。

而这项技术的发明者正是梁孟松的老师胡正明。而关键节点是3nm工艺,而三星押注的是GAA环绕栅极晶体管技术,台积电目前还没有公布其具体工艺细节。

目前,半导体行业正在研发nanosheet FET(GAA FET)和nanowire FET(MBCFET),它们被认为是当今finFET的前进之路。

三星在2019年抢先公布了GAA环绕栅极晶体管,根据三星官方的说法,基于全新的GAA晶体管结构,三星通过使用纳米片设备制造出MBCFET(Multi-Bridge-Channel FET,多桥-通道场效应管),该技术可以显著增强晶体管性能,取代FinFET晶体管技术。

此外,MBCFET技术还能兼容现有的FinFET制造工艺的技术及设备,从而加速工艺开发及生产。

可以说到3nm的时候才是晶圆代工厂又一次洗牌的时刻,而这也让我们有了更加充足的时间去追赶。不得不说,梁孟松加入中芯之后,中芯的研发进度的确大大加快。

梁孟松是半导体行业内的传奇,在台积电与IBM在130纳米的“铜制程”一战。它帮助台积电打败了IBM,成为了晶圆代工市场的巨头,后来,他又帮助三星突破了14nm的瓶颈,和台积电并列为晶圆代工市场的双雄。

2017年10月,中芯国际正式任命赵海军与梁孟松二人担任首席执行官兼执行董事,在加入了中芯国际之后,仅仅用了不到一年的时间,中芯国际直接从28nm跨越到14nm。而且梁孟松在300天不到的时间就把14nm芯片从3%的良率提高到了95%。在2019年就完成量产。

不过,对于攻克了7nm工艺的中芯而言,接下来如果顺利实现量产,那么最大的问题将摆在眼前——EUV光刻机,EUV光刻机是当前最先进的光刻机,是唯一能够生产7nm以下制程的设备,因为它发射的光线波长仅为现有设备的十五分之一,能够蚀刻更加精细的半导体电路,所以EUV也被成为“突破摩尔定律的救星”。

因为刚刚说了,7nm节点一共发展了三种工艺,前两代工艺不需要EUV光刻机,只有N7+工艺上才开始用EUV工艺,不过光罩层数也比较少,5nm节点寸是充分利用EUV光刻工艺的,达到了14层EUV光罩。

而目前因为美国的阻挠,中芯国际花费1.2亿美元购买的EUV光刻机迟迟没有到货,巧妇难为无米之炊,这也将成为中芯国际最大的难关之一,能否拥有ASML的EUV光刻机,将直接关系到中芯国际是否拥有先进的制程工艺以及量产能力。

要知道,全球仅ASML掌握EUV光刻机技术。而光刻机的研发难度实在是非常高,中国花费了十几年也还没有突破45nm。

除此之外,还有就是产能的问题,中芯国际14nm工艺现在最重要的问题还是产能,主要是在上海的中芯南方12英寸晶圆厂生产,去年底也就生产了1000片晶圆左右,产量很低。

根据中芯国际联席CEO梁孟松的说法,14nm月产能将在今年3月达到4K,7月达到9K,12月达到15K。

但不管怎么样来说,中芯能够在国外的打压之下取得如此卓越的成绩还是非常难得的,中芯国际联合CEO赵海军博士在2019中芯国际技术研讨会上表示,中芯国际要做快速跟随者,要做第二梯队的第一名。他指出,市场上主要有引领者、挑战者、跟随者和利基者四个角色,而中芯国际要做快速的跟随者,要做第二梯队的第一名。

希望中国半导体产业可以加速发展,做到自产自研,满足国内需求。

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