2022年，半導體業(yè)進入了3nm制程量產(chǎn)階段,，上半年,，三星宣布量產(chǎn)3nm芯片,，但客戶和產(chǎn)量很有限，下半年,，臺積電也開始量產(chǎn)3nm芯片,，但也只限于蘋果的一部分新手機處理器,，與三星類似,，臺積電也沒有在第一年實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn),。3nm制程芯片產(chǎn)量如何，就要看三星和臺積電2023年升級版本的性能和良率表現(xiàn)了,。
3nm量產(chǎn)如此艱難，接下來的2nm,、1nm節(jié)點將更具挑戰(zhàn)性,，特別是1nm，它達到了納米級制程節(jié)點的極限,，再向前演進,，就是埃（A，1nm＝10A）了,。因此,，誰能做好1nm制程工藝的研發(fā)和量產(chǎn),，并在業(yè)界首先推出,，將具有很強的象征意義,。
按照IMEC（比利時微電子中心）規(guī)劃的發(fā)展路線圖,，預計2028年可實現(xiàn)1nm制程工藝量產(chǎn)，2030年是A7（0．7nm）,，之后分別是A5,、A3、A2制程,。
不過,，真正決定工藝密度的金屬柵極距指標變化沒有工藝數(shù)字那么大,，甚至A7到A2制程工藝都是在16nm－12nm之間,，密度可能沒太多提升,。而且，到達1nm節(jié)點附近時,，所產(chǎn)生的量子隧穿效應有可能讓傳統(tǒng)的半導體工藝失效。
此外,，要實現(xiàn)1nm及以下制程工藝,，晶體管架構(gòu)也要改變,，三星和臺積電分別在3nm,、2nm節(jié)點放棄了FinFET，轉(zhuǎn)向GAAFET結(jié)構(gòu),，而1nm之后，業(yè)界將普遍轉(zhuǎn)向CFET晶體管結(jié)構(gòu),。不止晶體管,，還有其它相關(guān)技術(shù)也要升級,，例如布線,、光刻機等,，需要一系列技術(shù)突破才有可能實現(xiàn),。
新晶體管架構(gòu)
三星3nm采用的晶體管架構(gòu)是GAAFET,，也被稱為Nanosheet，而1nm制程對晶體管架構(gòu)提出了更高的要求,。IMEC提出了Forksheet,，在這種架構(gòu)中，sheet由叉形柵極結(jié)構(gòu)控制,，在柵極圖案化之前,，通過在PMOS和NMOS之間引入介電層來實現(xiàn)，這個介電層從物理上隔離了P柵溝槽和N柵溝槽,，使得N－to－P間距比FinFET或Nanosheet更緊密,。通過仿真,，IMEC預計Forksheet具有理想的面積和性能微縮性,，以及更低的寄生電容。
此外,，3D“互補FET”（CFET）也是1nm制程的晶體管方案。CFET技術(shù)的一個顯著特征是與納米片拓撲結(jié)構(gòu)具有很強的相似性,。CFET的新穎之處在于PFET和NFET納米片的垂直放置,。CFET拓撲利用了典型的CMOS邏輯應用,，其中將公共輸入信號施加到NFET和PFET的柵極,。
CFET架構(gòu)需要特別注意PFET和NFET的形成。用于PFET源／漏極的SiGe外延生長用于在溝道中引入壓縮應變,，以提高空穴遷移率,，然后執(zhí)行PFET柵極氧化物和金屬柵極沉積,，隨后,，NFET源極／漏極節(jié)點的外延Si生長，隨后的柵極氧化物和金屬柵極沉積必須遵守現(xiàn)有PFET器件施加的材料化學約束,。
新材料工藝
在先進制程芯片的制造過程中,，前道工序負責制造出相應結(jié)構(gòu)的晶體管，而中間工序和后道工序則是將這些獨立的晶體管連接起來,，從而實現(xiàn)相應的芯片功能和性能,，這就需要用到各種半導體材料。
1nm制程需要新的晶體管架構(gòu)支持,，如Forksheet和CFET,，它們對局部互連提出了更高的要求，相應地,，后道工序需要采用新型材料（如釕（Ru）,、鉬（Mo）等），還需要降低中間工序的接觸電阻,。
對于后道工序而言,，金屬線和通孔的電阻和電容仍然是最關(guān)鍵的參數(shù)，解決這個問題的一種方法是采用另一種金屬化結(jié)構(gòu),，稱為“零通孔混合高度”,。這種方案可以根據(jù)金屬線的應用需求，靈活地將電阻換成電容,。
為了滿足新晶體管結(jié)構(gòu)的要求,，同時進一步緩解布線擁擠狀況，中間工序需要進一步創(chuàng)新,，例如，在CFET中,，需要為接觸柵極提供新的解決方案,。此外，高縱橫比的通孔把各種構(gòu)件互連起來,，目前,，這些構(gòu)件已經(jīng)擴展到三維（3D），但是,，需要降低這些深通孔的寄生電阻,，這可以通過引入先進的觸點來實現(xiàn)，例如使用釕,。
過去,，芯片制造多使用三維材料,，近些年，在以臺積電和英特爾為代表的龍頭廠商引領(lǐng)下,，二維（2D）材料逐漸進入主流行列,。
2021年，臺積電與中國臺灣大學和美國麻省理工學院（MIT）合作,，發(fā)現(xiàn)了二維材料結(jié)合半金屬鉍（Bi）能實現(xiàn)極低的電阻,，接近量子極限，可以滿足1nm制程的需求,。二維材料厚度可小于1nm,，更逼近固態(tài)半導體材料厚度的極限，而半金屬鉍的特性,，能消除與二維半導體接面的能量障礙,，且沉積時，不會破壞二維材料的原子結(jié)構(gòu),。這樣,，通過僅1 ～3層原子厚度（小于1nm）的二維材料，電子從源極（source）走以二硫化鉬為材料的電子通道層,，上方有柵極（gate）加電壓來控制,，再從漏極（drain）流出，用鉍作為接觸電極,，可以大幅降低電阻并提高傳輸電流,，使得二維材料在1nm制程工藝實施過程中成為取代硅的新型半導體材料。
最近,，悉尼新南威爾士大學材料與制造研究所（MMFI）的研究人員使用獨立式單晶鈦酸鍶（STO）膜制造了一系列透明場效應晶體管,，其性能與當前的硅半導體場效應晶體管相當。該半導體材料工藝克服了硅在小型化方面的限制,，同時展示了大規(guī)模制造2D場效應晶體管的潛力,，克服了納米級硅半導體生產(chǎn)的挑戰(zhàn)，并提供了可靠的電容和有效的開關(guān)操作,。
據(jù)研發(fā)人員介紹,，這項工作的關(guān)鍵創(chuàng)新是，將傳統(tǒng)的3D散裝材料轉(zhuǎn)變?yōu)闇?D形式,，而不會降低其性能,，這意味著它可以像樂高積木一樣與其它材料自由組裝，為各種新興和未被發(fā)現(xiàn)的應用創(chuàng)建高性能晶體管,。
此外,，在1nm制程芯片中，金屬互連帶來的焦耳熱效應是一個重要考量因素，這方面,，IMEC提出了新的解決方案,。1nm制程需要在后端最關(guān)鍵的層引入新的導體材料，如二元和三元金屬間化合物（Al或Ru化合物）,，其電阻率低于按比例尺寸的常規(guī)元素金屬（例如 Cu,、Co、Mo 或 Ru）,。IMEC通過實驗研究了鋁化物薄膜的電阻率,，包括 AlNi、Al3Sc,、AlCu 和 Al2Cu,，在20nm 及以上厚度時，所有 PVD 沉積膜的電阻率與 Ru 或 Mo 相當或更低,，28nm的AlCu和Al2Cu膜的最低電阻率為9．5 ?ΩcmCu,，低于Cu。
臺積電引領(lǐng)1nm研發(fā)
在先進制程的研發(fā)和商業(yè)化方面,，臺積電一直是行業(yè)先鋒,，1nm自然不會例外。
如上文所述,，臺積電,、中國臺灣大學和MIT聯(lián)合研發(fā)的使用半金屬鉍作為二維材料的接觸電極，不僅降低了電阻,，還增加了電流,，從而大幅提升了能效。不過,，該材料工藝還處于研發(fā)階段,，未用于量產(chǎn)，為了使用半金屬鉍作為晶體管的接觸電極,，不得不使用氦離子束 （HIB） 光刻系統(tǒng)并設(shè)計一種“簡單的沉積工藝”,。這種工藝僅用于研發(fā)生產(chǎn)線，因此還沒有完全準備好進行大規(guī)模生產(chǎn),。
目前,，臺積電的 1nm 制程節(jié)點仍處于探索階段，工廠正在嘗試各種選項,，也不能保證未來量產(chǎn)時確定使用半金屬鉍。
目前,，臺積電先進制程產(chǎn)線使用鎢互連晶體管,，而英特爾使用鈷互連。兩者都有各自優(yōu)點,，并且都需要特定的設(shè)備和工具,。
不久前,，有消息傳出，臺積電在完成3nm制程工藝研發(fā)之后,，已經(jīng)于今年6月把該團隊轉(zhuǎn)向了未來的1．4nm工藝研發(fā),。
除了臺積電，三星和IBM也在進行1nm制程工藝的研發(fā),。
當下的集成電路,，特別是處理器，晶體管是平放在硅表面上的,，電流從一側(cè)流向另一側(cè),。2021年，IBM和三星公布了一種在芯片上垂直堆疊晶體管的設(shè)計方法,，稱為垂直傳輸場效應晶體管 （Vertical Transport Field Effect Transistors,，VTFET）。與常規(guī)設(shè)計相比,，VTFET彼此垂直,，電流垂直流動。該技術(shù)有望突破1nm制程工藝瓶頸,。
IBM和三星表示,，這種設(shè)計有兩個優(yōu)點：首先，它可以繞過許多性能限制,，將摩爾定律擴展到納米片技術(shù)之外,，更重要的是，由于電流更大,，該設(shè)計減少了能源消耗,，估計VTFET將使處理器的速度比采用 FinFET 晶體管設(shè)計的芯片快兩倍或功耗降低 85％。
英特爾也于2021年表示,，計劃在2024年之前跨越1nm,，完成埃級芯片設(shè)計，據(jù)悉,，英特爾將使用其新的“Intel 20A”制程節(jié)點和 RibbonFET 晶體管來實現(xiàn)這一目標,。
光刻機成為關(guān)鍵
除了晶體管架構(gòu)和材料工藝，要實現(xiàn)1nm制程芯片的量產(chǎn),，EUV光刻機依然是成功的關(guān)鍵,。
作為全球唯一一家EUV光刻機供應商，ASML一直是臺積電,、三星和英特爾關(guān)注的焦點,。目前，ASML出貨的先進EUV光刻機是NXE：3400B、3400C和3600D,，這幾款機型的數(shù)值孔徑（NA）均為0．33,。其中，3600D在30mJ／cm2下的晶圓吞吐量達到160片,，比3400C提高了18％,，它將成為臺積電和三星3nm制程產(chǎn)線的主要設(shè)備。
據(jù)悉,，IMEC和ASML合作的EUV設(shè)備研發(fā)工作正在進行,，日本的 TEL也參與其中，預計測試設(shè)備有望在2023年初完成,。
ASML還公布了未來三代光刻機的研發(fā)計劃,，三款機型的型號分別是NEXT：5000、EXE：5000 和EXE：5200,。從EXE：5000開始,，數(shù)值孔徑提高到了0．55。
與0．33NA相比,，0．55NA設(shè)備在多方面都有很大提升,，包括更高的對比度，圖像曝光成本更低等,，是未來發(fā)展的趨勢,。
現(xiàn)在，用于生產(chǎn)5nm／7nm制程芯片的光刻機設(shè)備零件數(shù)量超過10萬個,，運輸時需要40個貨柜,，據(jù)悉，制造1nm芯片的光刻機體積比3nm的多出一倍,。由于光刻機擁有非常多的零件,，需要高精度的裝配，導致光刻機從發(fā)貨到配置／培訓的整個流程需要兩年時間,，這樣算來,，預計0．55NA光刻機的大規(guī)模應用要到2025～2026年，樂觀估計,，那時,，業(yè)界開始試產(chǎn)1nm制程工藝了。
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