[转帖]台积电3nm工艺细节曝光

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​​2023年1月3日消息，据Semiwiki报道，台积电在 2022 年 IEDM 上发表了两篇关于 3nm 的论文：“关键工艺特性可实现3nm CMOS及更高技术的激进接触栅极间距缩放”和“3nm CMOS FinFlex为移动SOC和高性能计算应用提供增强的能效和性能的平台技术”。

Semiwiki的编辑表示，第一篇论文描述了台积电的 N3 工艺，第二篇论文描述了台积电 N3E 工艺，这在第二次演讲中得到了演讲者的证实。

另据Business Next的报道，目前台积电的3nm良率可能高达75%至80%。

台积电N3

在第一篇论文中，台积电公开了45nm的接触栅极间距（Contacted Gate Pitch，CPP）。CPP 由栅极长度 （Lg）、接触间隔厚度 （Tsp） 和接触宽度 （Wc） 组成，如图 1 所示。

△图1，CPP

从图 1 中，我们可以看到台积电通过减少构成 CPP 的所有三个元素来减少每个新节点的 CPP。逻辑设计是通过使用标准单元完成的，CPP 是标准单元宽度的主要驱动因素，因此缩小 CPP 是提高新节点密度的关键部分。

最小 Lg 是通道栅极控制的函数，例如，从通道厚度不受约束的单栅极平面器件转变为具有 3 个栅极围绕薄通道的 FinFET，从而实现较短的 Lg。图 2 说明了多个台积电节点的 DIBL 与 Lg 对比，以及优化鳍片如何降低当前工作的 DIBL。

△图2，DIBL 与 Lg。

收缩CPP的第二个因素是Tsp厚度。降低Tsp会增加寄生电容，除非对垫片进行优化以降低k值。图3显示了台积电对低k间隔物与气隙间隔物的研究。台积电发现，低k间隔物是扩大CPP的最佳解决方案。

△图 3，与栅极间隔物的接触。

CPP的最后一个要素是接触宽度。在这项工作中，台积电开发了一种优化的自对准接触（SAC）方案，该方案提供了较低的接触电阻。图4的左侧显示了SAC，右侧显示了电阻的改善。

△图4，自对准触点

这项工作使N3工艺具有0.0199μm²的高密度SRAM尺寸。随着台积电推进其2nm工艺，这项工作也很重要。在2nm处，台积电将转向一种称为水平纳米片（HNS）的环绕栅极（GAA）架构，HNS可实现更短的Lg（4个栅极，而不是围绕薄栅极的3个栅极），但Wc和Tsp仍需要优化。

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台积电N3E

台积电将N3E工艺描述为N3的增强版本，有趣的是，N3E被认为实现了与N3相比更宽松的间距，例如CPP，M0和M1都被认为出于性能和良率的原因而被放松。关于台积电N3以及是否准时，有不同的故事。Semiwiki的编辑认为，N5在2019年开始进入风险，到2020年圣诞节，苹果iPhone已经配备了N5芯片。N3 在 2021 年进入风险开始，iPhone 要到明年才会推出 N3 芯片。这个过程至少晚了 6 个月。在本文中，高密度SRAM单元尺寸为0.021μm²被披露。大于 0.0199 μm² 的 N3 SRAM 单元。N3的良率通常被描述为良好，其中提到了良率在60%至80%。

本文讨论此过程有两个主要特征：

• FinFlex

• 最小金属间距为 23 纳米，铜互连采用“创新”衬里以实现低电阻

FinFlex 是一种混合和匹配策略，具有双高度cell，可以是顶部 2 鳍cell，底部 1 鳍cell以获得最大密度，2 鳍cell超过 2 鳍cell作为中等性能和密度，以及 3 鳍超过 2 个鳍状的cell可实现最佳性能。这为设计人员提供了很大的灵活性来优化他们的电路。

图 5 说明了各种 FinFlex 配置，图 6 将每种配置的规格与 5nm 的标准 2 over 2 鳍式cell进行了比较。

△图 5，FinFlex cell

△图6，3nm FinFlex性能与 5nm的比较。

上图是大约 550 欧姆的 15 级金属堆栈的通孔电阻分布。在当前的工艺中，电源通过金属堆栈的顶部进入，并且必须通过通孔链向下到达设备，电源线中的电阻为550欧姆。这就是为什么英特尔、三星和台积电都宣布了其 2nm 级工艺采用背面供电。通过极端的晶圆减薄，从背面引入电源的过孔应该会使通孔电阻提高>10倍。

比较

作为读者，您可能会遇到的一个问题是，台积电3nm工艺与三星的3nm工艺相比如何。台积电仍在使用FinFET技术，而三星已经过渡到GAA——他们称之为多桥HNS。

根据计算，在5nm工艺节点，台积电最密集的逻辑单元密度是三星最密集逻辑单元密度的1.30倍。如果您查看图 6 中的台积电密度值，2-2 鳍式单元的密度比 5nm 中的 2-2 个鳍式单元密度高 1.39 倍，而 2-1 单元的密度提高了 1.56 倍。三星有两个版本的3nm，SF3E（3GAE）版本比5nm密度高1.19倍，SF3（3GAP）版本密度比5nm高1.35倍，进一步落后于台积电行业领先的密度。我也相信台积电在3nm上具有更好的性能和稍好的功率，尽管三星可能由于HNS工艺而缩小了功率差距。

编辑：芯智讯-浪客剑 ​​​​