近日，三星公布了其半導(dǎo)體工藝路線圖，除了今年下半年使用EUV的7nm量產(chǎn)之外，接下來還將有5nm和4nm FinFET，而到了2020年則會(huì)開始3nm基于Gate All-Around （GAA）晶體管的最新工藝。除此之外，ASML則確認(rèn)了其光刻機(jī)使用EUV加上大數(shù)字孔徑可以實(shí)現(xiàn)1.5nm的特征尺寸從而可望支持摩爾定律發(fā)展到2030年。近些年來，“摩爾定律接近尾聲”的聲音不絕于耳，而這些消息卻像是給摩爾定律打了一劑強(qiáng)心針，至少在技術(shù)上我們還能繼續(xù)把特征尺寸縮小這件事繼續(xù)做幾年。

從平面工藝到GAA

摩爾定律的輝煌始于上世紀(jì)下半葉，平面CMOS器件工藝誕生后特征尺寸就在不停地縮小，按照摩爾定律的描述是集成度每18個(gè)月翻一番。一方面，縮小特征尺寸可以增加集成度，或者說降低單個(gè)晶體管的成本，這就從經(jīng)濟(jì)角度推進(jìn)了特征尺寸縮小；另一方面，在平面CMOS工藝中，縮小特征尺寸可以增加晶體管開關(guān)速度，也就是說特征尺寸縮小也增強(qiáng)了晶體管的性能，而更強(qiáng)的性能給芯片開拓了新的市場應(yīng)用，也給半導(dǎo)體行業(yè)資本注入帶來了巨大的想象空間。從上世紀(jì)九十年代的多媒體PC，本世紀(jì)初的互聯(lián)網(wǎng)PC，到2010年代的智能移動(dòng)設(shè)備風(fēng)行，這些新應(yīng)用市場的打開無一不依靠處理器芯片的快速性能提升。因此，從經(jīng)濟(jì)和性能兩個(gè)方面一推一拉成了摩爾定律的強(qiáng)大動(dòng)力。雖然在晶體管特征尺寸縮小的過程中遇到了一些小小的困難，但是通過將鋁互聯(lián)改成銅互聯(lián)，在柵極加入High-k材料、引入stress engineering等方法都可以在不改動(dòng)平面器件工藝的情況下把特征尺寸繼續(xù)做小。

然而平面器件到了28nm節(jié)點(diǎn)之后遇到了很大問題。主要問題是柵極對(duì)于溝道的控制能力（尤其是亞閾值區(qū)的漏電流）隨著柵長（gate length）減小而快速減小，漏電流成了一個(gè)很大的問題。

在這時(shí)候，由UC Berkeley胡正明教授開發(fā)的FinFET就應(yīng)運(yùn)而生。在FinFET中，溝道不再是二維的而是三維的“鰭”（Fin）形狀，而柵極則是三維圍繞著Fin，這樣就大大增加了柵極對(duì)于溝道的控制能力，從而解決了漏電流的問題。FinFET在2001年由胡正明教授在學(xué)術(shù)界正式提出，而在2013年秋天TSMC正式在16nm工藝中使用FinFET。從16／14nm開始，F(xiàn)inFET成為了半導(dǎo)體器件的主流選擇。

在器件問題解決之后，另一個(gè)問題是制造工藝，主要的瓶頸是光刻精度如何滿足幾納米特征尺寸的要求？根據(jù)光學(xué)，數(shù)字孔徑越大，光刻波長越小，則光刻精度越好。因此在學(xué)術(shù)界如何提升光刻精度是很清楚的，即使用波長較短的光（如紫外線EUV等）以及增大數(shù)字孔徑使用浸沒式光刻等。然而，在業(yè)界，使用EUV一直是一個(gè)痛苦的選擇：大家知道早晚得用，但是出于成本和工藝成熟度考量大家總是希望越晚用EUV越好，能不用EUV就先撐幾代再說。因此就出現(xiàn)了double-pattern（用在16nm）甚至multi-pattern等辦法實(shí)現(xiàn)在不使用EUV的情況下也能做到超低特征尺寸下的光刻，代價(jià)是工藝的復(fù)雜性大大上升。到了7nm終于是撐不住了，巨頭紛紛開始宣布使用EUV。當(dāng)然之前的multi-pattern也不算是走了彎路，因?yàn)榧词故怯昧薊UV，在未來更小的特征尺寸下估計(jì)還是要上multi-pattern。與此同時(shí)，ASML在近日也公布了其路線圖，并指出其1.5nm光刻技術(shù)將足夠支持摩爾定律到2030年。

在工藝問題解決后特征尺寸繼續(xù)縮小，但是到了5nm左右連FinFET也不太夠用了，這時(shí)候就出現(xiàn)了Gate All-Around （GAA）器件。在平面器件中，溝道有一面面對(duì)柵極；在FinFET，立體溝道三面都被柵極圍繞；到了GAA，溝道由納米線（nanowire）構(gòu)成，而納米線的四面都被柵極圍繞，從而再度增強(qiáng)柵極對(duì)于溝道的控制能力。

三星本次公布的GAA稱為多橋溝道FET（multi-bridge-channel FET, MBCFET），事實(shí)上從2008年久開始研發(fā)了。在2017年的VLSI technology symposium（半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域最好的會(huì)議之一）上，IBM就發(fā)表了與GlobalFoundries和Samsung合作研發(fā)的5nm GAA晶體管，所以今年三星公布3nm GAA其實(shí)在意料之中。不過有一些出乎意料的是三星宣布量產(chǎn)3nm GAA的時(shí)間點(diǎn)（2020年），因?yàn)橹皹I(yè)界專家普遍預(yù)測3nm GAA預(yù)計(jì)要到2022年才能真正量產(chǎn)，而三星在2020年計(jì)劃量產(chǎn)3nm GAA的計(jì)劃實(shí)屬激進(jìn)方案，可見半導(dǎo)體巨頭對(duì)于下一代工藝路線圖的爭奪非常激烈。

2017年IBM公布的與GlobalFoundries和Samsung合作研發(fā)的5nm GAA晶體管

隨著摩爾定律接近物理瓶頸，特征尺寸縮小和性能上升越來越難 

如之前所述，隨著特征尺寸的不斷縮小，柵極對(duì)于溝道的控制能力減弱，因此必須引入新的器件結(jié)構(gòu)以滿足晶體管的要求。從時(shí)間上可以看到這種明顯的趨勢(shì)：平面工藝晶體管的特征尺寸縮小過程持續(xù)了數(shù)十年，之后到了2013年下半年16/14nm節(jié)點(diǎn)正式引入FinFET，然而FinFET僅僅維持了10年不到，2020年左右的3-5nm節(jié)點(diǎn)就必須轉(zhuǎn)入GAA。而GAA又能維持多久呢？可能沒有過幾年我們又必須去找下一代其他器件技術(shù)才能繼續(xù)縮小特征尺寸。而使用新器件就意味著半導(dǎo)體工藝必須有較大的更新，帶來的結(jié)果就是芯片設(shè)計(jì)的NRE成本大大上升。根據(jù)估計(jì)，在7nm等先進(jìn)節(jié)點(diǎn)，一款芯片的設(shè)計(jì)和流片一次性NRE成本高達(dá)數(shù)億美元，這就意味著只有大公司才能玩得起。另外隨著NRE成本快速提升，也意味著芯片的出貨量只有足夠大才能把一次性成本平均掉達(dá)到盈虧平衡（break even，BE）點(diǎn)。這就使得只有手機(jī)芯片之類出貨量巨大，對(duì)平均成本非常敏感而又希望芯片性能能定期升級(jí)的品類才會(huì)使用最新工藝。而且，除了一次性成本在快速上升之外，晶體管的集成度在隨著特征尺寸縮小的同時(shí)上升速度也在減緩。這是因?yàn)橹暗奶卣鞒叽缈s小比較“實(shí)誠”，最小柵長、最小金屬線寬都在同步以相同比例縮小，而在16nm以下的時(shí)候特征尺寸縮小往往只是指柵長縮小，最小金屬線寬縮小的倍數(shù)并沒有這么大。這就導(dǎo)致了實(shí)現(xiàn)相同功能的芯片隨著特征尺寸縮小其芯片面積縮小倍數(shù)沒那么大了。根據(jù)高通的分析，10nm節(jié)點(diǎn)的單位晶體管面積相對(duì)上一代節(jié)點(diǎn)縮小了37%，而到了7nm節(jié)點(diǎn)相對(duì)10nm節(jié)點(diǎn)單位晶體管面積縮小變成了20%-30%。這就意味著在最新的工藝節(jié)點(diǎn)，即使不考慮一次性成本，平均成本的下降也變小了。須知摩爾定律的主要?jiǎng)恿褪浅杀鞠陆担谝淮涡猿杀究焖偬嵘骄杀緟s下降有限的時(shí)代，摩爾定律的進(jìn)一步發(fā)展動(dòng)力就不那么強(qiáng)了。

除此之外，隨著摩爾定律特征尺寸縮小，半導(dǎo)體電路的性能提升速度卻在減緩。在摩爾定律發(fā)展的黃金時(shí)代，隨著特征尺寸縮小器件，器件可以運(yùn)行在更高頻率；另一方面器件閾值電壓也同步下降，因此每代工藝之間的電源電壓也在下降。按照電路動(dòng)態(tài)功耗的計(jì)算公式，CMOS數(shù)字電路的動(dòng)態(tài)功耗和電源電壓的平方成正比，和時(shí)鐘頻率也成正比，因此在同時(shí)降低電源電壓和提高時(shí)鐘頻率的時(shí)候，雖然電路性能呈指數(shù)級(jí)提升，其功耗卻不會(huì)上升，這也稱為Dennard Scaling。

然而，Dennard Scaling在特征尺寸進(jìn)入深亞微米（90nm）后開始失效，因?yàn)槁╇娏髯兊迷絹碓絿?yán)重，因此閾值電壓無法隨著特征尺寸下降而同步下降，這一方面導(dǎo)致器件的性能隨著特征尺寸縮小的增長速度在變慢，另一方面意味著電源電壓沒法快速下降因此功耗指標(biāo)隨著特征尺寸縮小的收益也變小。

舉例來說，當(dāng)年摩爾定律的黃金年代0.18um工藝的額定電壓是1.8V，當(dāng)特征尺寸縮小到0.13um時(shí)額定電壓也縮小到了1.2V，其特征尺寸和額定電壓都以接近相同的比例（0.7倍）在縮小。到了28nm工藝時(shí)其額定電壓是0.9V，而在特征尺寸縮小接近一半的16nm FinFET其額定電壓為0.7V，特征尺寸縮小了接近一半但是額定電壓的減小卻沒有那么顯著。

到了10nm以下的節(jié)點(diǎn)，晶體管性能提升更是緩慢。雖然單個(gè)晶體管的速度還是隨著特征尺寸縮小而提升的，但是芯片上的金屬互聯(lián)卻在漸漸成為瓶頸。如之前的討論，隨著特征尺寸縮小我們同時(shí)也希望金屬最小線寬也能同步縮小以增加集成度降低成本，然而隨著金屬線寬縮小它的阻抗卻在上升，這就導(dǎo)致了金屬線帶來的RC延遲成為了芯片性能的瓶頸。結(jié)果就是在10nm以后的節(jié)點(diǎn)芯片性能隨著特征尺寸縮小提升非常有限。根據(jù)高通的分析，10nm節(jié)點(diǎn)的芯片速度比上一代節(jié)點(diǎn)能提升16%，而到了7nm芯片速度相比10nm幾乎不會(huì)有提升——你看到的7nm芯片比起上一代10nm芯片的性能提高幾乎完全來自于芯片架構(gòu)和電路設(shè)計(jì)而非特征尺寸縮小。此外，功耗的減小也變慢，10nm節(jié)點(diǎn)比起上一代半導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)功耗可以減小30%，到了7nm節(jié)點(diǎn)相比10nm節(jié)點(diǎn)的功耗降低久只有10-25%了。

除了GAA的其他技術(shù)

雖然摩爾定律在接近物理極限的今天繼續(xù)縮小特征尺寸的代價(jià)越來越大收益越來越小，但是半導(dǎo)體工藝和器件的更新卻還是要繼續(xù)，因?yàn)檫@類更新是半導(dǎo)體行業(yè)前進(jìn)的源動(dòng)力之一。然而，我們會(huì)看到一條與原來摩爾定律不盡相同的半導(dǎo)體演進(jìn)路線：特征尺寸的縮小的重要性可能略有減弱，而新半導(dǎo)體器件的專用性會(huì)加強(qiáng)，即未來可能會(huì)針對(duì)不同的應(yīng)用開發(fā)更多專門的半導(dǎo)體晶體管器件，而不是用一種CMOS包打天下，從而實(shí)現(xiàn)功耗、性能等指標(biāo)的改善。這種使用新半導(dǎo)體器件針對(duì)專用應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的性能提升可以看作是摩爾定律的最新延續(xù)。

上圖是歐洲頂級(jí)半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)IMEC的半導(dǎo)體器件隨著特征尺寸變化的路線圖。可以看到在FinFET到5nm左右之后，橫向納米線（Horitontal Nanowire），即之前討論的的三星GAA將在5nm-3nm節(jié)點(diǎn)得到使用。之后的技術(shù)路線中，IMEC建議使用垂直生長技術(shù)，例如垂直納米線GAA Vertical FET。與橫向GAA不同，垂直GAA的納米線的方向是垂直于芯片的，因此可以實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的特征尺寸縮小。近日，IMEC剛剛聯(lián)合Unisantis發(fā)表了使用垂直GAA工藝的SRAM單元，相比于今年二月三星發(fā)布的7nm工藝節(jié)點(diǎn)SRAM單元（0.026mm2），使用垂直GAA的SRAM可以把尺寸進(jìn)一步縮小20%至0.0205mm2。同時(shí)，IMEC表示垂直GAA是一種特別適合SRAM的器件，而在未來的芯片中IMEC預(yù)期會(huì)使用不同的半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)不同的模組，例如橫向GAA實(shí)現(xiàn)邏輯單元，使用垂直GAA實(shí)現(xiàn)SRAM等。

橫向和垂直GAA比較

除了垂直GAA之外，IMEC路線圖上還包括了互補(bǔ)FET（complementary FET, CFET）。互補(bǔ)FET的原理是，使用一根納米線作為n型FET，而使用與其相鄰的另一個(gè)納米線作為p型FET，即nFET和pFET在垂直于芯片的方向做堆疊，從而實(shí)現(xiàn)更高的面積利用效率。

IMEC器件進(jìn)化路線圖

由IMEC的路線圖可以看出，研究人員正在逐漸把二維的半導(dǎo)體器件三維化，向垂直方向堆疊器件以實(shí)現(xiàn)更高的面積利用效率。除了半導(dǎo)體器件之外，封裝技術(shù)也在向2.5D和3D堆疊方向演進(jìn)。這種向垂直維度演進(jìn)的勢(shì)頭，也可以看作是摩爾定律未來的發(fā)展方向。

結(jié)語

三星等巨頭使用新器件以延續(xù)特征尺寸繼續(xù)縮小可以看作是摩爾定律的下一步。然而，隨著逼近物理極限，我們看到特征尺寸縮小對(duì)芯片帶來的經(jīng)濟(jì)和性能提升都越來越有限。未來我們可望看到半導(dǎo)體行業(yè)往專業(yè)細(xì)分化方向發(fā)展。與過去一種器件工藝一種芯片平臺(tái)覆蓋絕大多數(shù)應(yīng)用不同，專業(yè)細(xì)分化的半導(dǎo)體行業(yè)將會(huì)針對(duì)不同的應(yīng)用開發(fā)針對(duì)性的專用器件（例如垂直GAA之于SRAM）、封裝（例如3DIC之于高端FPGA）和芯片，從而實(shí)現(xiàn)芯片性能、成本的進(jìn)一步演進(jìn)。這可以看作是摩爾定律的延續(xù)，而在這樣的延續(xù)過程中芯片設(shè)計(jì)人員將變得更為重要。