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英特尔10nm、格芯7nm工艺深度对照,鳍片外形、功函数金属、密度等技术参数大起底!
公布人:客服   宣布日期:2018-03-13 05-00-29

克日,正在一次手艺会议上,英特尔展现了他们的10nm手艺,格芯展现了他们的7nm手艺,只管它们的节点称号有所不同,但这两种工艺的密度邻近。正在本文中,我将联合之前泄漏的新闻、访谈和论文,对这两种抢先手艺停止具体的对照。

1.1 英特尔10nm

鳍片 - 接纳自我校准四重图形手艺(SAQP),间距为34nm,鳍片的高度和宽度离别为46nm和7nm,那是英特尔公司的第三代FinFET工艺。正在此次会议上,英特尔提出了一个有意思的看法,就是鳍片高度能够凭据差别的产物停止优化,高度局限约莫正在几十nm阁下,此次援用的46nm是这个区间内的中位数。

栅极 - 打仗栅极间距(大概栅极节距CPP)为54nm,能够是接纳自瞄准两重暴光工艺(SADP)手艺实现的。消弭尺度单位界限上的假性闸极,从而使得邻近尺度单位之间能够以单个闸极宽度的间距实现断绝,这类体式格局能够低落20%阁下的面积。最小的闸极长度为18nm。

距离物 - 运用第二代低相对介电常数值的距离物,能够低落7-8%的闸极到打仗散的容值。

源极漏极 - 原位搀杂的突出型源极漏极。

应变 - 第七代应变手艺,正在原位搀杂的突出型源极/漏极上,运用新的NMOS对漏极发生正交应变,这类新奇的NMOS应变手艺将驱动电流增添了5%。

功函数金属 - 那是英特尔的第五代high-k绝缘层金属栅极工艺(HKMG)(英特尔正在45nm时,抢先别的敌手率先推出了HKMG)。正在HKMG工艺中,所有阈值电压都是经由过程运用差别的功函数金属停止设定的。基准版本的HKMG工艺运用了4个差别的功函数金属发生2个阈值电压,借能够挑选6个功函数金属供应3个阈值电压。

触点 - 该工艺接纳钴添补触点,取钨比拟,将触点线电阻低落了60%,并且,取绝缘层上触点计划比拟,栅极上触点这类体式格局能够将晶体管密度进步10%。栅极上触点是运用自瞄准栅极触点建立的。栅极添补是凸起的,堆积一个基于碳化硅的蚀刻停止层,以防备栅极上触点和散布层触点短路。自瞄准栅极触点是对正在14nm工艺中便曾经运用的基于氮化硅层实现的自瞄准散布层触点的一个增补。打仗金属叠层还包孕盘绕突出的源极/漏极的钛层,和一个能够低落PMOS打仗电阻的NiSi层,其打仗电阻比14nm削减了1.5倍。

互连层 - 表1总结了互连层。正在本文的形貌中,英特尔的10nm工艺含有12个互连层,然则若是把M0层和两个顶层金属也包罗在内,则具有13个互连层。层间电介质取14nm手艺雷同。

SRAM单位尺寸 - 高密度SRAM单位尺寸为0.0312平方微米,下机能SRAM单位尺寸为0.0441平方微米。低功耗SRAM的最低供电电压为0.56伏。

逻辑单位尺寸 - 最小金属间距(MMP)为36nm,高度为272nm的逻辑单位包罗了7.56个轨道单位(272/36)。鉴于打仗散间距为54纳米,以是

逻辑单位的尺寸为14,697平方纳米(那是最小值)。

密度 - 和上一代14nm比拟,该工艺实现了2.7倍的密度增进,凌驾了英特尔典范的2倍密度提拔,以是此次英特尔将之称为超等缩放。

环形振荡器 - 取14nm比拟,正在雷同的功耗下环形振荡器的速度进步了20%。

TDDB - 取14nm比拟有所改进。

EUV - 英特尔正在此次演讲中没有议论EUV,然则正在会议上提交了关于EUV的论文。英特尔有4个用于开辟的EUV东西,他们曾经示意他们有7nm工艺的光学解决方案,若是预备停当的话将运用EUV。

1.2 格芯7nm

该工艺的要害特性为:

鳍片 - 自我校准四重图形手艺(SAQP,间距为30nm。7nm被列为格芯的第三代FinFET工艺,我晓得他们的第一代FinFET是14nm工艺,然则不确定第二代是什么,或许是14nm的加强版。

栅极 - 栅极节距(或称为CPP)为56纳米,能够是接纳自瞄准两重暴光工艺(SADP)手艺实现的。

距离物 - 格芯没有泄漏,但我信赖它能够是第二代低k质料,如SiOC。

源极/漏极 - 突出型的源极/漏极,epi造程进止了优化,能够带来15%的机能改进。

应变 - 突出型的源极/漏极。

功函数金属 - 运用多个功函数去设置阈值电压的第二代金属材料。格芯正在他们为IBM的14HP打造的14nm FinFET工艺上运用了多种功函金属。 此次运用了8个功函数金属,供应4个阈值电压。该手艺的所有阈值电压都是经由过程运用差别的功函数金属去设定的。

触点 - 该工艺具有钴添补触点,接纳沟槽注入手艺,用于优化NMOS和PMOS触点。植入物和硅化物的优化使打仗电阻低落了39%。钴沟槽打仗使得垂直电阻削减了40%,当用于部分互连时,电阻削减了80%。

互连层 - 表2总结了互连层。正在本文的形貌中,格芯的7nm工艺具有13个互连层,但若是包罗M0在内,便有14个互连层。正在M0到M3层上增加钴衬里,能够将电迁徙机能进步了100倍。若是没有这类革新,7nm的电源轨会比14nm宽3倍,但实际上是窄了4倍。经由过程将最小金属间距限定为40nm,能够运用SADP。SADP许可正在统一芯片上运用宽而窄的金属线,<40nm的节距则需求更严厉的SAQP。

SRAM单位尺寸 - 高密度SRAM尺寸为0.0269平方微米,下机能SRAM尺寸为0.0353平方微米。低功耗SRAM的写操纵电压低至0.5伏特。

逻辑单位尺寸--最小金属间距为40nm,一个逻辑单位有6个轨道单位,因而其单位高度为240nm。鉴于栅极节距是56nm,单位尺寸为240nm *56nm,即13,440平方nm。更大的9轨单位借能进一步进步10%的机能。

密度 - 和格芯本身的14nm比拟,该工艺的密度提拔为2.8倍,能够将一般的SoC模块的尺寸低落为本来的0.36倍。为了实现这一点,格芯花了很少的工夫优化设想划定规矩。

本钱 - 取14nm比拟,双鳍片、6个轨道单位的挪动版本的本钱低落幅度凌驾30%,凭据SRAM混淆度,本钱最高可低落凌驾45%。

MIM电容器 - MIM电容器的密度是14nm MIM电容器的两倍。

ASIC - 曾经公布了FX7。

EUV - 当EUV手艺预备停当时,格芯将正在该工艺的触点和过孔制程上运用EUV手艺。只正在触点和过孔上运用EUV固然不克不及实现尺寸缩减,然则也不需求从新设想,并且掩膜数目能够从15个低落到5个,根据如今每层掩膜需求耗时1.5天盘算,EUV手艺可以或许资助勤俭半个月工夫。格芯的这个说法意味着他们将5个三重图案光学掩模层酿成了5个零丁图案EUV掩模层,有一件事变让我对格芯的这个说法感应疑心,由于那他们正在此次会议上提到了4色触点,我想格芯说的能够是两个四重图案打仗层、一个三重图案通孔层和两个两重图案通孔层,我要求格芯廓清这一点,然则他们谢绝供应细节。正在金属层上运用EUV手艺,能够低落尺寸,然则需求从新设想。格芯曾经在在CNSE运用EUV东西停止开辟,他们在位于马耳他的Fab 8工场中曾经安装了1个EUV东西,另有1个正在12月晚些时刻托付,2个正在2018年托付。

 2.0议论

正在本节中,我将对照一下英特尔10nm和格芯7nm工艺的一些要害特性。

2.1 鳍片外形

当英特尔初次正在22纳米上推出FinFET工艺时,事先的鳍片底部比顶部宽很多。事先许多人撰文议论这类外形对机能的影响。一个幻想的鳍片应该是矩形的,上角有一些圆角,以防备泛起热点。若是鳍片从上到下的宽度差别,差别的宽度将会致使差别的电气特性。我曾听说过,若是您丈量英特尔晚期的22纳米鳍片的话,他们看起来更像两个晶体管而不是一个。 图1对照了英特尔10nm鳍片(左边)与格芯的7nm鳍片(右边)。 和2011年英特尔推出的22nm造程的鳍片比拟,如今的鳍片更像一个矩形了,格芯的鳍片看起来比英特尔的鳍片更像矩形。

2.2 用于阈值调解的功函数金属

英特尔运用4个或6个功函数金属,供应2或3个阈值电压,格芯则运用8个功函数金属,供应4个阈值电压。阈值电压的数目能够代表差别的工艺目的。格芯面向代工场客户,他们期望有多个阈值电压以实现种种低功耗运用,而英特尔能够对准下机能微处理器运用。运用功函数金属设置阈值电压使得通道不会被搀杂,这类计划有两个长处。起首,已搀杂的信道具有更高的载波移动性,因而具有更高的机能。其次,已搀杂的沟道也消弭了随机搀杂颠簸(RDF),并使阈值电压散布更严密。

2.3 钴互连取铜互连

之前有许多文章,道英特尔运用了钴而格罗方德没有运用钴,实在那是一种毛病天说法。格芯接纳钴添补触点,只是没有把它用正在互连层上(只管能够运用钴沟槽触点停止当地互连),而英特尔的工艺则包孕钴添补触点、2个钴互连层和1层钴添补通孔。

铜的体电阻率为1.664微欧·厘米,而铝的体电阻率为2.733微欧·厘米,因而正在130nm时,铜庖代了用于互连感化的铝。而钴的体电阻率为6.247微欧·厘米,以是您一定不会以为钴会正在互连运用中成为庖代铜的一个有吸引力的候选者,但是,正在异常小的尺寸下,铜的电阻率会因为电子散射而增添,钴的电子平均自由程约莫是铜的三分之一,因而它比铜更不容易受电子散射的影响。并且,铜需求较薄的下电阻率阻挠层,其厚度不会缩小,以是正在小的工艺尺寸上,该阻挠层将大大增添互连的横截面积。钴自己有很好的阻挠特性,因而钴能够以充足小的线宽实现低电阻互连。作为低电阻互连解决方案的钴的详细线宽取决于多少身分,然则恰好位于10nm工艺区间。我认为,英特尔之所以运用钴,是由于他们的10nm工艺的最小金属间距为36纳米,以是能够这么做。格芯正在2016年的IEDM大会上宣布了一篇关于取IBM和三星共同开发的7nm工艺的论文,文中提到的最小金属间距为36nm,运用钴实现了一级互联。我的看法是,格芯的7nm工艺的最小金属间距为40nm,它不需要用钴,它比铜更高贵,以是格芯不运用它。钴也供应比铜更高的抗电迁移性,格芯运用钴衬垫和正在铜线四周加cap的体式格局去知足其电迁徙目的。

总之,英特尔之所以正在互连上运用钴是由于做获得并且有意义,格芯不在互联上运用钴是由于本钱更高出有意义,当工艺尺寸进一步下探到5nm以下时,我估计钴的运用会更多,终究会运用钌庖代钴。

2.4 密度

正在对照工艺密度时,有许多度量衡可供挑选。

单个晶体管的尺寸是鳍片间距(FP)乘以栅极节距(CPP)。 表3列出了这两种工艺的晶体管尺寸。

 用这个尺度权衡,格芯的FP更激进,以是晶体管尺寸更小。以晶体管尺寸作为器量尺度的问题是它没有考虑到布线,不克不及反应现实的设想地区。

现实的逻辑设计是运用尺度单位完成的,以是以尺度单位尺寸做度量衡更适宜。图4显现了一个类似于Intel 7.56轨道单位的7.5轨道单位。

几年前对照工艺密度时,一般运用CPP x MMP作为单位尺寸。表4给出了那两个工艺的盘算效果。

根据这个尺度,英特尔的单位尺寸好像更小。这个尺度的题目在于近年来设想手艺协同优化(DTCO)曾经成为制造技术发展的一个主要理论,轨道高度曾经成为另一个尺寸缩减的重要指标。从图4我们能够看到现实的单位巨细是轨道高度x MMP x CPP。表5列出了那两个工艺的盘算效果

根据这个尺度,格芯的单位尺寸更小。然则,借必需考虑到,英特尔经由过程消弭尺度单位边沿处的假性栅极,实现了更严密的单位封装。

英特尔近来试图从新制订一个权衡目标,NAND单位面积占60%权重,扫描触发器单位面积占40%权重,图5是英特尔的计算方法阐明。

正在英特尔的这个要领中,这些单元和权重和典范的逻辑器件设想相符合。英特尔泄漏,根据这个尺度,他们的7纳米工艺能够每平方毫米存储一亿零八十万个晶体管。这个器量要领有两个题目,第一,英特尔是独一一家基于这个尺度拿出讲演的公司,第二,代工场以为这个器量尺度没有考虑到布线的纤细之处。只管有这些题目,我仍旧试图在此基础上作出我本身的预计。关于英特尔,我盘算得出的密度为每平方毫米1.03亿个晶体管(他们讲演的是1.008亿个),关于格芯,我盘算得出的是每平方毫米9050万个晶体管。它们二者最大的区分在于格罗方德正在尺度单位的边沿需求假性栅极,而英特尔消弭了假性栅极,这类处置惩罚计划使得英特尔正在扫描触发器单位上得到了很大上风。

GF的高密度SRAM单位尺寸为0.0269平方微米,英特尔为0.0312平方微米,以是格芯工艺正在SRAM重型设想中更具上风。

幻想状况下,需求有人正在那两个工艺上设想一个ARM内核,并表露怎样停止对照。正在评价完所有这些目标后,能够得出结论,那两个工艺供应了类似的密度,而芯片的巨细取决于设想规格和工艺特性的婚配度。

2.5 上市工夫

格芯的7nm工艺估计将正在2018年下半年完成。英特尔的10nm工艺曾经提早了很长时间了,并且我据说该工艺可能会正在2018岁尾以至可能会正在2019年进入消费阶段。那给半导体行业带来了一个诱人的转变。英特尔正在2007年、2009年、2011年和2014年分别推出了45nm、32nm、22nm和14nm工艺。之前的很多工艺世代,英特尔根基连结了为期两年晋级一次制造工艺的节拍,现如今间隔它推出14nm工艺曾经有三四4年的工夫了,前次推出14纳米用了三年工夫,如今此次则推延到了4年以上,这类转变也激发了人们关于英特尔什么时候推出7nm的议论,如今看来,是2022年照样2023年?

与此同时,台积电则加速了进度,他们正在2016/2017年推出10纳米,2017/18年度推出7纳米,企图将于2019年推出5纳米,其3纳米也正在开辟中。三星正在2017年推出了10nm的产物,它的工艺路线图是2017/2018推出8nm,2018/2019推出7nm,2019年推出6nm和5nm,和2020年推出4nm。格芯正在2018年推出7nm版本,并将正在2019年前后推出7nm的晋级版,它还没有议论过5nm,然则我估计会是正在2020年之前拿出企图。因为代工场的7nm工艺正在密度上取英特尔的10nm工艺相称,并且能够正在英特尔推出7nm工艺的时刻拿出更低尺寸的几代工艺,以是我估计,正在将来几年内,晶圆代工场将得到显着的密度上风

2.6 机能

我期望可以或许对照一下这两种工艺的机能,然则迄今为止的表露信息有限,我没法给出结论。英特尔专注于微处理器机能,而格芯和别的代工场则更偏重于挪动装备范畴和功耗,除此之外,我没法给出任何明白的结论。

3.0 结论

对照英特尔的10nm工艺和格罗方德的7nm工艺,会发明和不同之处比拟,他们的类似之处更多。因为它们面临和正在处理的都是雷同的物理题目,以是那其实不使人感应惊奇。

我感应受惊的是格芯的速度,他们正在14nm上失利后不能不从三星那边得到允许,如今他们开辟的7nm工艺竟然能够取英特尔最新的10nm工艺半斤八两。

英特尔曾正在制造工艺上抢先环球,看看如今他们曾经落伍了若干,那也是使人惊奇的。他们正在HKMG上抢先代工场几年工夫,正在FinFET上也一度抢先数年,如今固然它们仍旧起首接纳钴互连手艺,然则代工场正在工艺密度方面曾经追逐上来,而且好像正在将来几年中获得实质性的抢先。

如今英特尔、格芯、三星和台积电都能供应抢先的制造工艺,业界如今有四个可行的先辈造程可选了。







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