台积电公布其5nm工艺的详细信息

早在2019年4月，台积电宣布其5nm工艺已经开始风险生产。到IEDM 2019，他们对经过1000小时HTOL并将于2020年1H投入量产的工艺进行了详细描述。据介绍，这5nm的技术是在7nm基础上微缩的全节点工艺，它使用智能的微缩主要设计规则（栅极，鳍和MX / Vx的间距）以提高良率，同时他为这个工艺带来了0.021um²的SRAM单元，同时还有一个优于计划的缺陷密度（logic defect density）d 0。

5nm技术平台成功的主要原因是实现了极紫外（EUV）光刻技术。完整的EUV在切割，接触，过孔和金属线掩膜步骤中至少可替代四倍的浸没层，这就能帮助缩短周期时间，提高可靠性和良率。5nm中的总掩模数量比以前的7nm节点少几个掩模。图1显示了一个EUV掩模如何代替五个浸没掩模，又如何产生更好的图案保真度，更短的循环时间和更少的缺陷。

图1. BEOL金属化图，将EUV与浸没光刻法进行了比较，显示了一个EUV掩模如何以更好的图案保真度，更短的循环时间和更少的缺陷取代了五个浸没图案层。

从16nm节点到7nm，FinFET已经使用了四代，但性能一直不受影响。这是因为采用了高移动性沟道（HMC），图2中的TEM显示了与Si晶格常数相接的完全应变HMC晶格常数。衍射图证实了HMC应变。

图2. finFET截面TEM的示意图，显示了与Si晶格常数相接的全应变HMC晶格常数。第二个图显示，硅与HMC晶体管的漏电流与驱动电流的关系更大。第三幅图显示了通道应力（以GPa为单位）与从鳍片顶部到鳍片底部的通道深度之间的关系。所示的衍射图证实了HMC应变。

如图3所示，HMC finFET具有出色的Id-Vg特性，并且其产生的驱动电流比Si finFET高出约18％。品质因数（Figure-of-Merit 、FOM）环形振荡器（ ring oscillator）的待机功耗也与晶体管泄漏密切相关。

图3.图表显示了对于不同的漏极电压，高迁移率沟道（HMC）晶体管的漏极电流与栅极电压（Id与Vg）的关系。第二幅图显示了该技术中可用的七个不同Vt的截止电流范围Ioff-N和Ioff-P以及对待机电流的相对影响。两个图中的电流均为对数刻度，每格十进制。漏极感应势垒降低（DIBL）为45mV和35mV，对于p沟道和n沟道晶体管，摆幅分别为69mV和68mV。

这种5nm CMOS平台技术是IEDM 2016中描述的7nm工艺的完整节点微缩。每种晶体管类型的最高7 Vt的可用性（如图4所示），这就是使产品设计能够满足移动SoC的功耗效率需求以及HPC的峰值速度要求。

图4. N5中最多可提供七个Vt的图表，显示了N5和N5 HPC与N7相比时的待机功耗（uW）与GHz速度的对比，以满足移动设备的最大功耗效率和HPC的峰值速度。eLVT在7nm处的峰值速度提高了25％。硅数据接近匹配的FOM ring速度与待功耗。

HPC的新功能是极低的VT（eLVT）晶体管，且较之7nm，峰值速度提高25％，并因为采用三个Fin的标准单元，从而可以将性能进一步提高10％。该技术可用于使用混合键合的3D芯片堆叠。除了相比于7nm，获得令人印象深刻的密度和性能提升之外，该技术还获得了1000小时HTOL认证，相对于7nm技术而言，它具有改善的应力老化特性。另外，高良率的SRAM和逻辑缺陷密度D 0超出了计划。能够实现这样的提升，主要倚仗于包括完全实施EUV和高迁移率沟道（HMC）finFET等技术。

设计和开发此5nm平台技术是为了满足PPACT的目标（功率，性能，面积，成本和上市时间）。设计技术协同优化（DTCO）强调了智能缩放，避免了粗暴微缩（rute-force scaling ），因为粗暴微缩会导致工艺成本和产量影响急剧增加。栅极-接触-扩散（gate-contact-over-diffusion）和独特的扩散终止（unique diffusion termination ）以及基于EUV的栅极图案等设计功能可降低SRAM的尺寸并提高逻辑密度。与7nm节点相比，5nm在相同功耗下的速度则提高了15％，在相同速度下的功耗降低了30％，且逻辑密度提升了1.84倍，如图5所示。

图5.比较N5技术和以前的N7 的速度（GHz）与核心面积（um²）的比较。5nm技术在7nm节点的逻辑密度为1.84倍的情况下，在相同功耗下的速度提高了15％，在相同速度下的功耗降低了30％。

互连延迟会严重影响产品性能，并且每一代互连延迟都会变得越来越差。从N28到N5的世代，后端金属RC和过孔电阻如图6所示。通过EUV图案化，创新的按比例缩放的 barrier/liner ESL / ELK电介质和Cu回流焊（reflow.），最紧密的间距Mx RC和Vx Rc保持与7nm节点相似。

图6.示出了归一化的BEOL金属化RC产品和过孔电阻与节点（从N28到N5）之间的关系图。对于最紧密的金属间距，通过EUV图案化，创新的按比例缩放的势垒/衬里ESL / ELK电介质和Cu回流焊，MX RC和过孔电阻Vx Rc保持与先前的7nm节点相似。

SRAM的密度和性能/漏电对于移动SoC和HPC AI至关重要。SRAM单元更先进节点的缩放更加困难.  所提供的高电流（HC）和高密度（HD）SRAM单元分别拥有0.025um²和0.021um²的面积，这是业界密度最高的器件（如图7）。同时还实现了始终如一的256 Mb SRAM高良率，逻辑测试芯片的峰值良率大于90％，平均良率约为80％（无需维修）。

图7. 已发布的SRAM单元的尺寸大小与发布年份的关系图。

超低泄漏ULHD可用于减少保留泄漏，以实现更好的电源效率，而高速HSHD SRAM可替代HC SRAM单元，从而使存储区域减少约22％，如图8所示。

图8. ULHD，HSHD和标准HD SRAM单元在0.4V时的pA待机泄漏与uA中的单元电流的关系图。5nm HD SRAM单元的Vout与Vin蝶形曲线图显示在0.75V至0.3V的电压下。

如图所示，具有完整读/写功能的256Mb 0.021 um ² HD SRAM单元的shmoo plot可低至0.4V。

图10显示了高良率逻辑测试芯片中GPU和CPU模块的频率响应shmoo图。

256Mb HD / HC SRAM和逻辑测试芯片通过了1000小时的HTOL认证。SRAM Vmin在168小时时的变化可以忽略不计，并且以约51mV的裕度通过了1000小时的HTOL，如图11所示。

如图12，使用高迁移率沟道FinFET制成的5nm FOM环形振荡器在0.96 V和125C时的应力老化数据（Stress aging data），相对于7nm节点具有更好的表现。

HPC所需的另一个重要功能是在BEOL金属化层的上层中形成的金属-绝缘体-金属（MiM）电容器。5nm节点MiM的电容密度是典型HD-MiM的4倍，并通过最小化瞬态下降电压使Fmax快约4.2％，并在CPU测试芯片中将Vmin降低了约20mV。

HPC严重依赖于高速IO，尤其是SERDES。通过使用特殊的高速设备成功优化finFET驱动强度和电容/电阻。

总而言之，台积电提供了一个极具竞争力的技术平台，确立了其在同类最佳的最高密度逻辑技术领域的领导者地位。2020年上半年的批量生产将使先进的SoC产品在移动设备（尤其是5G）以及用于AI，数据中心和区块链产品的HPC应用中实现领先，这些产品日益需要高性能和最佳能效。

来源：内容由半导体行业观察（icbank）编译自「semiwiki」，作者：Don Draper，谢谢。