英特尔10nm难产的深层原因解析

 

近日，SIA发了个耸人听闻的新闻，说intel放弃了10nm工艺的研发，当然这肯定是假消息就是了，今天intel也出面辟谣。不过相信很多人也会觉得奇怪，那边TSMC 7nm都量产了，三星也宣布风险试产了还上了EUV，为什么intel的10nm如此举步维艰？

去解释intel的10nm和TSMC/SAMSUNG 7nm之间实际上谁更先进其实也没什么太大的意义，毕竟横竖intel的工艺又不会拿来代工对不……用不到的东西再好也和自己没啥关系，而且其实结论之前我在微博里也说过好几次。但intel在10nm上陷入这么大的困境，有着比较深远的技术考虑。

10nm其实是一个比较重要的节点，因为如果按照正统（就是每一代全面缩减0.7x的工艺，只线宽的不算）工艺路线来看，在10nm前后需要做很多比较重要的决定，挑我们外行人能理解的有两个，第一个是是否引入EUV，第二个是如何处理高密度下第0层和第1层金属互联层（M0和M1）。一个一个来说。

EUV是目前很重要的技术，大家也经常会在各种新闻里看到EUV，但EUV其实并没有绝大部分人想象的那么重要，这主要是两方面的原因。第一方面，当初为什么要引入EUV，是因为193nm光源传统上在90nm就会开始接近衍射极限，无法直接曝光，因此需要引入波长更短的EUV，用来制造更精细的电路。但是大家也看到了，EUV一直到现在的14nm，都没有成功导入到芯片制造工艺中，业界已经用193nm光源采用各种多次曝光的方式一路曝到了10nm甚至最新的TSMC 7nm。而公认的硅基半导体的物理极限大约在5nm左右，最乐观的到3nm也结束了，那么现在再导入EUV，其实你也只能用来用一代到两代，实质上EUV已经从“没有不行”的东西变成了“有了能省钱”的东西，重要性已经大大下降。第二方面，EUV只是光源，半导体工艺流程是非常复杂的，曝光只是其中——当然非常重要——的一环，简单来说，光有EUV并不能解决问题，并不是你能造出大功率EUV光刻机，就能去做7nm的芯片图样，就像你光有了镜头并不能拍出照片一样。

那么现在的EUV到底发展到什么阶段了，是不是可以在10nm或者10nm之后的节点真正的以更省钱的方式大批量制造芯片，是一个需要评估且非常影响技术路线选择的东西。三星比较头铁，为了EUV甚至放弃了7nm DUV的研发；TSMC则是两头下注，既做7DUV，又同步推进7EUV，intel这边的态度就比较神奇：看起来intel根本对EUV毫无信心，因为10nm上intel率先在业界使用了SAQP曝光技术，既自对准四重曝光。

SAQP是从SADP发展而来的技术，D自然就是二重。这是为了解决193nm工艺无法直接对短于波长一半图样进行掩膜曝光而发展的技术，此外还有被称之为Litho-Etch的多重曝光技术，目前主要是三星在使用。一般来说，芯片制造工艺上每一层图案，都需要一个掩膜，二重曝光下，一层图案需要两张，四重曝光自然就是四张，因此SADP和SAQP显然是非常影响成本的东西，当时EUV也正是希望可以通过降低波长从而避免多重曝光。目前TSMC的7nm工艺依然还在使用SADP，intel应该是第一个真正采用SAQP方式制造芯片的半导体厂商。SAQP一旦怼出来了，实际上193nm光源就已经可以用到半导体工艺的尽头，EUV就没有什么实际意义了，这隐藏着一个非常重大的猜测：intel可能打算彻底放弃EUV，因为也许在intel看来，EUV永远都不可能成熟到成本比SAQP都低。

结合之前一个新闻，intel减持了ASML的股票来看，也许真的是有这个可能。

第二个问题没有EUV这么好懂，需要对芯片有更加深入的一点点了解，那就是M0和M1的问题。在这个之前我想先提一提线宽的问题。所谓线宽就是你在工艺名字上看到的那个几nm的数字，这代表着这一代半导体工艺所制造的最细的线条的宽度。但是一个重大误区是线宽代表着密度，这是完全不对的：低线宽的技术的确意味着更小的晶体管，但并不意味着更小的晶体管间距，事实上intel 14nm工艺的间距就要比TSMC 10nm更小，而间距才是衡量密度的更直接的参数。谈到间距就不得不谈到接触孔，制作在硅片上的一个一个的晶体管，需要靠金属互联层才能组合成电路，而金属互联层需要通过接触孔，才能和晶体管产生电气上的连接，直接和晶体管连接的通常是第0层和第1层金属互联层。越密的晶体管，不仅需要更细的M0和M1走线，还需要更小的接触孔。当年业界在180～130nm时代将互联金属材料从铝改为铜时，原因之一也是铝金属无法兼容更小的接触孔。但铜和铝不一样，如果让铜直接和芯片接触，我记得是因为金属电位问题，会导致绝缘层被离子扩散导致污染的情况，因此对于铜互联的芯片，接触孔内部还需增加一层其他的金属作为保护层，这个保护层曾经一度相当复杂，但是目前大体上是以钽为主。然而到了10nm的时候，因为接触孔的宽深比进一步提升，钽的机械性能已经不足以保证良率，为此需要更换金属材质，其中一个解决方案是使用钌代替钽。

但钌的极限也不高，在7nm时，更小的接触孔甚至已经让制作保护层都非常困难，因此需要再次更换金属，甚至直接更换互联层金属，而这正是intel在做的事情：intel 10nm工艺的M0和M1已经彻底更换成了钴，完全放弃了铜。钴的硬度会带来各种各样的问题，是货真价实的“硬骨头”，但如果你需要进一步推进工艺线宽，用钴替代铜是必须要走的一步，且基本不存在绕过的可能。不仅如此，10nm工艺上intel还引入了COAG，即Contact On Active Gate，直接把接触孔打在了Gate的正上方，而不是传统上远离沟道的外侧，这个技术目前也是业界首家。

在10nm上intel还有其他奇奇怪怪的东西，比如在沟道底部打入小块SiGe来做局部应变硅。但基本上已经可以看出为何别家7nm做的风生水起，intel 10nm走的举步维艰，总结下来就是，intel看不到EUV的希望，打算靠传统工艺一路走到半导体的尽头，而10nm则是这个计划的实验平台，intel在10nm节点上一次性引入了诸多一直可以用到5nm甚至3nm的技术，打算通过放弃一代工艺量产时间作为代价，一次性打通通往末日的尽头。步子太大，以至于intel也扯到了蛋，但一旦10nm成功量产，原则上说intel就直接具备了制造5nm芯片的所有技术，而其他的几个制造商，目前还没开始真正的啃硬骨头，虽然看起来顺风顺水，线宽数字一路推进，但未来会不会遇到难以逾越的大坑就天知道了。

但intel表示10nm进展顺利，预计在2019年可以实现量产上市。现在再来看，是不是有不一样的感觉？当然我并不是半导体业内，上面的东西完全有可能出现本质上的错误，这只是我目前为止对于看到的信息的个人理解，如有错误实属正常，莫怪。

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