台积电分享2nm工艺深入细节:功耗降低35%或性能提升15%!

EETOP 2024-12-15 11:10

台积电在本月早些时候于IEEE国际电子器件会议(IEDM)上公布了其N2(2nm级)制程的更多细节。该新一代工艺节点承诺实现24%至35%的功耗降低或15%的性能提升(在相同电压下),同时其晶体管密度上一代3nm制程1.15倍。这些显著优势主要得益于台积电的全栅极(Gate-All-Around, GAA)纳米片晶体管、N2 NanoFlex设计技术协同优化(DTCO)能力,以及IEDM会上详述的其他创新。

全栅极纳米片晶体管允许设计师调整通道宽度,以在性能和功耗效率之间实现平衡。此外,台积电的N2制程引入了N2 NanoFlex DTCO,使设计师能够开发面积最小且功耗效率优化的短单元,或者性能优化的高单元。这项技术还包括六种阈值电压级别(6-Vt),覆盖200mV范围,通过台积电第三代基于偶极子的整合技术实现,涵盖n型和p型偶极子。

N2的技术亮点:

N2在工艺和器件层面引入的创新不仅通过优化片厚、结、掺杂激活和应力工程提高了晶体管驱动电流,还通过降低有效电容(Ceff)实现了业界领先的能效。这些优化共同带来了N型和P型纳米片晶体管分别约70%和110%的I/CV速度提升。

FinFET相比,N2纳米片晶体管在0.5V至0.6V的低电压范围内提供了显著更高的每瓦性能。工艺和器件优化使时钟速度提升约20%,同时在0.5V运行时待机功耗降低约75%。此外,结合N2 NanoFlex和多种阈值电压选项(Multi-Vt),进一步增强了高逻辑密度下设计节能处理器的灵活性。

在静态随机存取存储器(SRAM)方面,由于GAA纳米片晶体管的阈值电压波动(Vt-sigma)更小,N2实现了大约38Mb/mm²的2nm SRAM密度,创下新纪录。相较于基于FinFET的设计,N2的最低运行电压(Vmin)对于高电流(HC)宏单元降低了约20mV,而高密度(HD)宏单元降低了30-35mV。这些改进使SRAM在约0.4V的电压下仍能够稳定地进行读写操作,同时保持高良率和可靠性。

导线和电路优化:

除了新型晶体管外,N2制程采用全新的中间层(MoL)、后端层(BEOL)和远后端层(Far-BEOL)导线,电阻降低了20%,性能效率进一步提升。N2的MoL引入了无阻挡层的钨导线设计,垂直栅极接触电阻减少55%,振荡器频率提高约6.2%。此外,第一金属层(M1)采用一次EUV曝光和单次蚀刻工艺(1P1E),减少了复杂性、掩模数量,并提高了整体工艺效率。台积电表示,M1的1P1E工艺将标准单元电容降低了近10%,节省了多个EUV掩模。

N2还将金属(My)和通孔(Vy)电阻降低了10%,并为高性能计算(HPC)应用提供了超高性能MiM(SHP-MiM)电容器,其电容密度约为200fF/mm²,通过减少瞬态电压下降(Voltage Droop),帮助实现更高的最大运行频率(Fmax)。

3D堆叠支持:

N2技术还引入了一种全新的铜RDL选项,配备平整钝化层和贯穿硅通孔(TSV),优化用于正面对正面或正面对背面3D堆叠,SoIC键合间距为4.5μm,适用于人工智能(AI)、高性能计算(HPC)甚至移动设备设计。

投产时间:

台积电计划于2025年下半年开始N2制程技术的量产。

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