近日，在比利時(shí)安特衛(wèi)普舉辦的未來(lái)峰會(huì)上，IMEC(微電子研究中心)發(fā)布報(bào)告，探討了直至2036年左右的半導(dǎo)體工藝、技術(shù)路線圖。IMEC是一家成立于1984年的權(quán)威半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)，位于歐洲，研究方向包括微電子、納米技術(shù)、信息通訊系統(tǒng)技術(shù)(ICT)、芯片制程技術(shù)、元件整合、納米技術(shù)、微系統(tǒng)和元件、封裝等各個(gè)方面。IMEC的名氣不如Intel、ARM、ASML、臺(tái)積電、三星、中芯國(guó)際等等芯片設(shè)計(jì)、制造商，但同樣是重量級(jí)玩家，尤其是在基礎(chǔ)技術(shù)研究、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化方面扮演著至關(guān)重要的角色，與上述巨頭都有密切合作，還在與ASML合作推動(dòng)EUV光刻技術(shù)。

在談?wù)撀肪€圖之前，首先解釋一點(diǎn)，X納米工藝行業(yè)都標(biāo)注為“Nx”(nanometer)，而在納米之后將是“埃米”，標(biāo)注為“Ax”。事實(shí)上，2nm之后就開始使用埃米了，A14就等于1.4nm。IMEC預(yù)估的路線圖上，每一代工藝穩(wěn)定間隔兩年時(shí)間推進(jìn)，但目前看應(yīng)該是初步投產(chǎn)時(shí)間，而非量產(chǎn)商用時(shí)間，比如N3 3nm，路線圖上標(biāo)注2022年，但今年是看不到實(shí)際產(chǎn)品的。

之后將陸續(xù)是N2、A14、A10、A7、A5、A3、A2，最后的A2也就是0.2nm，預(yù)計(jì)在2036年左右實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，不同廠商的路線圖是不一樣的，比如Intel還有一個(gè)A18，臺(tái)積電則跳過(guò)了N3。在晶體管技術(shù)層面，IMEC認(rèn)為，現(xiàn)有的FinFET只能維持到N3工藝，之后的N2、A14將轉(zhuǎn)向GAA環(huán)繞柵極、Nanosheet納米片技術(shù)，而再往后的A10、A7會(huì)改用Forksheet。A5時(shí)代開始必須使用CFET互補(bǔ)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，而到了A2工藝，還要加入Atomic原子通道。

自然，每一家廠商的技術(shù)路線也不一樣，哪個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用什么技術(shù)，也都有各自的考量。值得一提的是，對(duì)于柵極間距(Meta Pitch)這一衡量工藝先進(jìn)性的重要指標(biāo)，未來(lái)進(jìn)一步縮減將越發(fā)困難，A10工藝可以達(dá)到16nm，A7工藝只能到16-14nm，之后的A5、A3、A2工藝都停留在16-12nm。

IMEC統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，52年過(guò)去了，從晶體管數(shù)量角度看，摩爾定律依然堅(jiān)挺，而目前的晶體管數(shù)量之王屬于蘋果M1 Ultra，通過(guò)雙芯封裝達(dá)到了1140億個(gè)。不過(guò)，芯片設(shè)計(jì)成本確實(shí)在飆升，16/14nm工藝需要1億美元出頭，10nm工藝大約1.8億美元，7nm工藝猛增到近3億美元，5nm工藝則是大約5.5億美元，未來(lái)肯定會(huì)繼續(xù)暴漲。

到2036 年左右，我們實(shí)現(xiàn) 2(0.2nm)工藝。目前，世界上最先進(jìn)的實(shí)用半導(dǎo)體是3nm代，半導(dǎo)體巨頭臺(tái)積電(TSMC)等公司計(jì)劃在2023年開始生產(chǎn)2nm代。

Van den Hove 先生同時(shí)還列舉了“下一代 EUV(極紫外)曝光設(shè)備”、“晶體管結(jié)構(gòu)的演變”和“布線工藝的獨(dú)創(chuàng)性”作為小型化必不可少的例子。隨著這些技術(shù)的結(jié)合，摩爾定律(在 1.5 到 2 年內(nèi)使半導(dǎo)體的集成度翻倍)將繼續(xù)存在。

High-NA EUV光刻機(jī)進(jìn)展順利

首先，正如大家所知道的，為了實(shí)現(xiàn)在2nm世代制造更精細(xì)的半導(dǎo)體，我們需要具有高產(chǎn)能和高數(shù)值孔徑 (High-NA) 的下一代 EUV 曝光系統(tǒng)。為此，Van den Hove介紹說(shuō)，IMEC正在與全球最大的半導(dǎo)體曝光設(shè)備制造商荷蘭ASML進(jìn)行聯(lián)合研究，荷蘭ASML是唯一的EUV制造商。

據(jù)ASML 系統(tǒng)工程總監(jiān) Jan van Schoot 在之前會(huì)議上的演講中說(shuō)，該工具提供了更高的分辨率。這意味著您可以使用它打印更多功能。航拍圖像對(duì)比度可實(shí)現(xiàn)更好的局部 CD 均勻性。

相關(guān)報(bào)道指出，High-NA EUV光刻機(jī)的工作原理類似于當(dāng)今的 EUV 光刻，但存在一些關(guān)鍵差異。例如與傳統(tǒng)鏡頭不同，高數(shù)值孔徑工具包含一個(gè)變形鏡頭，支持一個(gè)方向放大 8 倍，另一個(gè)方向放大 4 倍。所以字段大小減少了一半。在某些情況下，芯片制造商會(huì)在兩個(gè)掩模上加工一個(gè)芯片。然后將掩模縫合在一起并印刷在晶圓上，這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。

正因?yàn)樵撛O(shè)備復(fù)雜，所以ASML正在與IMEC在一個(gè)于 2018 年聯(lián)合成立的實(shí)驗(yàn)室里合作解決相關(guān)問(wèn)題。

在上個(gè)月的SPIE 高級(jí)光刻 + 圖案化會(huì)議上，imec展示了其聯(lián)合High-NA 實(shí)驗(yàn)室的最新成果，以及與ASML合作開發(fā)的圍繞極紫外 (EUV) 光刻系統(tǒng)的圖案化生態(tài)系統(tǒng)。

據(jù)Imec 預(yù)計(jì)，第一代商用 EUV 光刻工具將于 2023 年問(wèn)世，到 2025 年將看到“在大批量制造環(huán)境中引入第一臺(tái)高數(shù)值孔徑的 EUV 光刻設(shè)備”。

而要實(shí)現(xiàn)這一時(shí)間表，需要完成目前正在進(jìn)行的大量研究，最新數(shù)據(jù)在 SPIE 會(huì)議的十幾個(gè)個(gè)人貢獻(xiàn)中提供。

“我們的職責(zé)是與全球圖案化生態(tài)系統(tǒng)緊密合作，確保及時(shí)提供先進(jìn)的抗蝕劑材料、光掩模、計(jì)量技術(shù)、變形成像策略和圖案化技術(shù)，充分受益于 High-NA EUV 提供的分辨率增益光刻掃描儀，”imec 首席執(zhí)行官 Luc Van den hove 評(píng)論道。

在演講，他涵蓋了三個(gè)廣泛的主題，一個(gè)是針對(duì)High NA EUV 原型系統(tǒng)的工藝和材料優(yōu)化。Imec 描述了線邊緣粗糙度 (LER) 和圖案塌陷如何成為使用薄抗蝕劑膜圖案化線/空間的最關(guān)鍵參數(shù)，并且已經(jīng)開發(fā)出通過(guò)調(diào)整照明和掩模條件來(lái)減輕圖案粗糙度的策略。

另一項(xiàng)研究工作旨在調(diào)整所需的計(jì)量，因?yàn)橄蚋√卣鞒叽绾透】刮g劑膜的過(guò)渡提出了重大挑戰(zhàn)，尤其是需要對(duì)尺寸低于 10 納米的單個(gè)特征進(jìn)行成像。

“通過(guò)調(diào)整現(xiàn)有計(jì)量工具的操作條件，可以顯著提高圖像對(duì)比度，”imec 的 Kurt Ronse 評(píng)論道?！坝缮疃葘W(xué)習(xí)框架支持的專用軟件進(jìn)一步增強(qiáng)了圖像分析和缺陷分類。通過(guò)與計(jì)量供應(yīng)商的密切合作，imec 探索了用于可靠測(cè)量小特征的替代計(jì)量技術(shù)，例如高通量掃描探針計(jì)量和低壓像差校正 SEM。”

第三個(gè)主題涉及解決High NA EUV 掩模特定的挑戰(zhàn)，特別是掩模多層波紋和吸收線邊緣粗糙度，因?yàn)?imec 已確定掩模缺陷越來(lái)越多地影響最終晶圓圖案。

“掩模設(shè)計(jì)規(guī)則需要變得更嚴(yán)格，這些發(fā)現(xiàn)使我們能夠確定High NA EUV 光刻的掩模規(guī)格，”Ronse 說(shuō)?！芭c ASML 和我們的材料供應(yīng)商一起，我們探索了帶有圖案的掩模吸收器的新型材料和架構(gòu)。我們首次進(jìn)行曝光以評(píng)估使用低 n 衰減相移掩模和掩模的影響低n吸收材料被證明可以改善晶圓上的掩模3D效果，并有助于增加High NA焦深?！?

ASML CEO Peter Wennink在同一場(chǎng)活動(dòng)中則表示，EUV曝光設(shè)備“將支撐行業(yè)未來(lái)15到20年的發(fā)展”，并介紹了下一代EUV曝光設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀?！拔覀冃枰獜?qiáng)有力的合作來(lái)實(shí)現(xiàn) 1.4 納米及以后的產(chǎn)品，”他說(shuō)。他同時(shí)強(qiáng)調(diào)了與各種合作伙伴公司合作的重要性。

ntel創(chuàng)始人戈登摩爾提出的摩爾定律是半導(dǎo)體行業(yè)的金科玉律，50多年來(lái)指引著業(yè)界前進(jìn)，2年升級(jí)一代工藝，然而有關(guān)摩爾定律已死的說(shuō)法也傳了多年，因?yàn)樵?8nm節(jié)點(diǎn)之后芯片工藝迭代越來(lái)越困難。

盡管目前Intel、三星、臺(tái)積電等公司靠著各種技術(shù)手段及營(yíng)銷宣傳將CPU邏輯工藝一路推到了5nm節(jié)點(diǎn)，明年還要進(jìn)入3nm節(jié)點(diǎn)，但是再往后還是會(huì)面臨更大的挑戰(zhàn)，特別是在1nm之后，量子隧穿效應(yīng)有可能會(huì)讓半導(dǎo)體失效。

未來(lái)工藝會(huì)如何走?在日前的FUTURE SUMMITS 2022大會(huì)上，IMEC(比利時(shí)微電子中心)展示了最新的路線圖，一路看到了2036年的0.2nm工藝。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，今年試產(chǎn)N3工藝之后，2024年會(huì)有2nm工藝，2026年則是A14工藝——A代表的是埃米，是納米之后的尺度，A14工藝可以理解為1.4nm工藝，Intel之前提出的A20、A18工藝就相當(dāng)于2nm、1.8nm工藝。

前幾天我們也報(bào)道過(guò)，臺(tái)積電在3nm工藝完成研發(fā)之后會(huì)把團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向未來(lái)的1.4nm工藝研發(fā)，預(yù)計(jì)6月份啟動(dòng)。

接著看路線圖，IMEC預(yù)計(jì)在2028年實(shí)現(xiàn)A10工藝，也就是1nm節(jié)點(diǎn)了，2030年是A7工藝，之后分別是A5、A3、A2工藝，2036年的A2大概相當(dāng)于0.2nm節(jié)點(diǎn)了。

IMEC的路線圖基本上還是按照摩爾定律2年升級(jí)一代的水平發(fā)展的，證明了未來(lái)芯片工藝還可以迭代下去。

不過(guò)也要看到，真正決定工藝密度的MP金屬柵極距指標(biāo)變化沒(méi)有工藝數(shù)字那么大，甚至A7到A2工藝都是在16-12nm之間，密度可能沒(méi)什么提升。

與此同時(shí)，實(shí)現(xiàn)1nm及以下工藝，晶體管架構(gòu)也要改變，我們知道臺(tái)積電及三星會(huì)在3nm或者2nm節(jié)點(diǎn)放棄FinFET轉(zhuǎn)向GAA結(jié)構(gòu)，而在A5之后還要再轉(zhuǎn)向CFET晶體管結(jié)構(gòu)。

其他的技術(shù)升級(jí)還有很多，包括布線、光刻機(jī)等等，需要一系列技術(shù)突破才有可能實(shí)現(xiàn)。

總之，挑戰(zhàn)是巨大的，要知道IMEC這個(gè)預(yù)測(cè)還是很樂(lè)觀的，但未來(lái)10多年的發(fā)展中，新工藝不跳票是不可能的，0.2nm工藝或許要到2040年時(shí)代才有可能了。