​台积电5nm的更多细节披露

2020-03-23 14:00:07 来源: 半导体行业观察
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来源:内容由半导体行业观察(icbank) 编译自「 wikichip 」, 谢谢。

在过去的十年中,台积电的运作节奏相当稳定。该公司于2019年 3 月开始生产其最新节点 5 纳米的风险产品。只要 COVID-19 不会中断运营,预计 5 纳米将在第二季度(可能在 4 月或 5 月)左右逐渐增加。本文从包括 Arm Techcon 2019 、第 65 届 IEEE IEDM 会议和 ISSCC 2020 在内的许多地方获取其信息。但让我们也有些失望的是,尽管该论文具有重要意义,但台积电的 IEDM 论文缺乏实质性内容,这并不符合我们对 IEDM 会议质量的期望。
台积电尚未透露 N5 节点的确切设备尺寸,因此我们将坚持自己的估计。我们目前的估计仍然是 48 nm 的多晶硅节距( poly pitch )和 30 nm 的金属节距( metal pitch )。这些尺寸得出的器件密度估计为 171.3 MTr /mm ²。而根据台积电在 IEDM 上的报告, 5nm 的密度比该公司自己的 N7 节点提高了 1.84 倍,但根据我们的估算,这个数字为 1.87 倍,两者相当接近。自台积电( TSMC )逐步扩展其 7 纳米节点以来,正好在 4 月份就标志着这一增长。令人印象深刻的是,这距离该公司在 1 6 nm 推出其首款 FinFET 器件还不到 5 年。从 N16 到 N5 ,台积电目前正以摩尔定律 2x / 2 年的速度推出生产节点,这实际上快于历史趋势线。

在 IEDM 论文的其中一张图中, TSMC 展示了图案化 EUV 的保真度( patterning fidelity )。很难说我们能在多大程度上依靠他们在 IEDM 的介绍,但是如果我们假设此处的最小金属间距约为 30 nm ,则单元高度约为 〜 6T (与 N7 相同),这是可行的达到约 180 nm 的 cell 高度,高密度的 cell 很可能是 2 + 2 yielding 的 8 F in C ell ,但是如果 COAG 表示单鳍隔离,则 N5 可能是 7 Fin 的高度。换句话说,鳍间距( fin pitch )可能为 25-26 nm 。台积电确实提到有一个使用 3 F in 的 HPC C ell 。如果我们假设 25 nm FP ,则 HPC C ell 的高度为 225 nm 或 7.5T (也与 N7 相同)。

以下是我们根据现有数据得出的当前假设。

P PA


总体而言,台积电N5是一种高密度,高性能 FinFET 工艺,专为移动 SoC 和 HPC 应用而设计。 Fab 18 在台湾南部科学园区的公司新的 12 英寸 GigaFab 工厂中, Fab 广泛使用了 EUV 工艺。台积电表示,其 5 纳米工艺比其 7 纳米节点的密度高 1.84 倍。台积电还优化了模拟器件,实现了大约 1.2 倍的扩展。在 IEDM 上, Geoffrey Yeap 报告说,对于由 60 %逻辑, 30 % SRAM 和 10 %模拟 / IO 组成的典型移动 SoC ,他们预计将采用 5 nm 技术,能够将 die 的尺寸减少 35 %到 40 %。

从设备功率和性能的角度来看,TSMC表示,在等功率情况下,设备的速度提高了 15 %,或者在相同速度下,其功耗降低了 30 %。这些数字与先前报告的一致。

N7 随附的超 LVT ( uLVT )之外,还有一个新的极限 LVT ( eLVT ),这可以将速度提高 15 %到 25 %。此外,与标准 N5 C ell 相比,我们上面提到的 HP C ell 变体可以以密度代价,将性能再提高 10 %。

E UV


台积电强调在此过程中广泛使用EUV。值得指出的是,这实际上是台积电第一个基于“主要” EUV 的节点。台积电 N7 和 N7P 节点是基于 DUV 的。台积电的第一个生产 EUV 流程是 N7 + ,但该节点实际上是一个孤立节点,与先前的节点不兼容,除了返回该节点之外,没有明确的迁移路径。另一方面,对于大多数客户而言, N5 被设计为从 N7 迁移的主要途径。台积电表示,在切割,接触,过孔和金属线步骤中,使用了 10 层以上的 EUV 层来替代至少 4 倍的浸没层。这是将其基于 EUV 的 N5 节点与利用多重模式的假设 N5 节点进行比较得出的结果。
台积电在IEDM上展示了一张图表,报告说,与以前的工艺相比, N5 首次使用更少的掩模。与基线的 1 倍 N16 相比,测量出图中条形的高度, N10 使用的 mask 增加了 1.31 倍, N7 使用的 mask 增加了 1.45 倍,而 N5 使用的 mask 增加了 1.35 倍。如果 N5 是基于多图案 DUV 的工艺,则掩模数量将激增至 1.91 倍。换句话说,在使用约 60 个掩模的 14 / 16nm 时, 10 nm 约需要 78 个掩模, 7 nm 约需要 87 个掩模,而 5 nm 则返回到 81 个掩模。如果没有 EUV ,则在 5nm 的时候需要 115 个掩模。他们没有给出与 N7 + 的比较,但我们估计它与 10 nm 的掩模数量相当。

HMC


为了改善驱动电流,台积电为其5纳米 FinFET 器件引入了高迁移率通道( HMC )。台积电( TSMC )尽一切努力避免详细说明该通道的实际属性(每个相关的问题都被重言式所使用:“那些知道,知道”的人)。但试图隐藏这样的通用信息是徒劳的,我们希望 TechInsights 在产品开始发货后的几个月内发布该信息。我们相信台积电正在为 pMOS 器件采用 SiGe 通道。据我们所知,这大约由 37 %的 Ge 组成。台积电表示,与同等的 Si finFET 相比, HMC 的性能提高了 18 %。下面显示了全应变 HMC 晶格的 TEM 。

微缩助推器


台积电表示,它已在其 N5 工艺中加入了许多定标助推器。有趣的是,台积电称它们为“智能超扩展功能”( smart hyper scaling features ),这是英特尔以前使用的营销术语。台积电称之为 “唯一扩散终止”(“ unique diffusion termination )的第一个助推器。我们认为,这是指 cell 边界处某种形式的单个扩散破坏。此外, TSMC 还增加了在有源区( COAG )上降低栅极接触的能力。而英特尔先前在其 10 纳米节点上引入了这两项功能,并将其作为“超扩展功能”的一部分。

互连线

台积电(TSMC)表示,尽管间距趋于严峻,但金属线 RC 和通孔电阻与 N7 保持相对相似。台积电表示,这是通过“使用 EUV 图案,创新的按比例缩放的势垒 / 衬垫, ESL / ELK 电介质和铜 reflow 来实现的。” 改进意味着互连 RC 相对于 N7 不会像 N7 相对于 N16 那样恶化。


SRAM


台积电公布了两个 6T SRAM 变体:一个高性能单元和一个高密度单元。高性能 C ell 为 0.025 µm ²,而高密度 Cell 为 0.021 µm ²。在绝对占位面积和它们各自类别中,这两个单元都是迄今为止最密集的 SRAM 单元。换句话说,即使是高性能 SRAM 单元,其密度也比迄今为止报道的所有其他正在生产的 SRAM cell 都要高。

以前,我们假设辅助电路的占比约为 30 %,这估计约有 32 Mib /mm ²的缓存。与 N7 的 24.7 Mib /mm ²相比,增加了 30 %。在 ISSCC 2020 上,台积电展示了带有 135 Mib HD SRAM 和附加 IP 的测试装置。他们报告的 H D C ell 密度确实与我们的估计相符。显示了 HD SRAM 阵列的 Shmoo 图,其中将其用作高性能 L1 高速缓存。他们能够在 0.85 V 的电压下达到 4.1 GHz 。仔细观察该图可以发现,如果将电压提高至 0.9 V ,则可以超过 4.2 GHz 。

最后的思考


在最近的两个节点中,TSMC的执行非常出色。自从其 16 nm 节点以来,每个过程节点的扩展速度都比其前身更快。 N7 是该公司最快的斜坡节点,有史以来最快的缺陷密度降低。台积电表示,它希望其 N5 节点的速度更快。 5 纳米工艺于 2019 年 3 月进入风险生产。该工艺有望在今年第二季度(可能在 4 月或 5 月)加速进行。如果增加速度,这将是晶体管密度和 SRAM 密度方面最密集的节点——超越三星和英特尔。三星 5 纳米仅比其 7 纳米稍密集,与台积电的 5 纳米相比没有竞争力。三星的下一个飞跃是其 3 纳米节点。英特尔很可能会凭借其 7 纳米节点获得密度领先优势,但是,该节点要到明年下半年才会推出 - 落后 1.5 年。
台积电(TSMC) 5 纳米节点将在 Fab 18 上投入生产,新的 12 英寸 EUV GigaFab 将分三期建设。第一阶段于 2018 年初完成,这是 5 纳米工艺的开始。第二阶段在稍晚些时候开始,预计也将在 2020 年投入量产。第三阶段的最后阶段于 2019 年开始,计划于 2021 年投入量产。 Fab18 还将成为其 3 纳米工艺的未来工厂,该工艺计划于 2022 年进行。
除了制程技术本身,台积电还在封装方面开展工作。CoWoS是公司当前的主要 2.5D 技术。台积电最近宣布推出 2 倍标线( reticle ) CoWoS ,其 HBM 带宽高达 2.7 TB / s ,特别针对 5 纳米节点进行了优化。将来,它将扩展到 3x 光罩和最多 8 个 HBM 堆栈。台积电还宣布了 SoIC 封装,这是该公司的 3D 堆叠封装技术。


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责任编辑:Sophie