深入GlobalFoundries的芯片前沿领域探索之路

世界上只有少数几家公司设计使用尖端技术的处理器，制造这些芯片的配备更少。英特尔自己制造芯片，台湾台积电和GlobalFoundries是为其他公司生产芯片的纯代工厂，而三星两者都稍有涉及。竞争也是颇为激烈，晶圆厂的成本高达数十亿美元，开发新工艺并投入批量生产需要花费数年的时间。这些芯片制造商通常谨慎小心，所以当GlobalFoundries最近在纽约州北部邀请少数几家媒体记者参观其晶圆厂时，这成为了看看领先晶圆厂眼下正在做什么的一个难得机会。

如此一个先进的大型工厂坐落在纽约马耳他、奥尔巴尼以北一个小镇的树林里，这多少让人觉得有些新奇。但这并不是一条轻松的道路。GlobalFoundries是芯片制造商AMD在2009年剥离其制造业务时创建的，当年他们在一个占地250英亩、通用电气科学家冷战期间测试火箭的地方上破土动工。该州为GlobalFoundries提供了12亿美元的奖励，作为交换， GlobalFoundries同意投资32亿美元建设一个工厂，雇用1200名员工，工资总额约为7200万美元。

GlobalFoundries当时计划在2011年之前开始32纳米工艺生产，每月生产60000片晶圆，并在此之上进行额外扩展。但32纳米和28纳米节点的制造收益率都很低——这要求有新的材料——而且其关键客户AMD正在努力跟上英特尔的发展脚步。20纳米节点对整个行业来说是一个颠覆，因为所谓的平面晶体管架构已经失去了动力（英特尔已经转向3D晶体管，称为FinFET，始于22纳米）。GlobalFoundries突然面临开发一种全新架构的问题，同时还要让晶圆厂加速生产。

“马耳他工厂挣扎着发展，因为我们一直在努力尝试提升晶圆厂，同时开发新工艺，” GlobalFoundries首席技术官Gary Patton说。“这不是成功的秘诀所在。”

相反，GlobalFoundries授权三星的14纳米FinFET技术加快上市的速度。与此同时，AMD重新调整产品阵容以提高竞争力，如今GlobalFoundries全力推出所有Ryzen处理器、Epyc服务器芯片和Radeon Vega图形处理器。此外GlobalFoundries还生产用于主流游戏平台的AMD半定制处理器，以及IBM 14纳米的Power9服务器和z14大型机芯片。十年时间过去，马耳他工厂显然已经迈出了一大步。GlobalFoundries高级副总裁兼总经理Tom Caulfield（刚刚被任命为首席执行官）表示，GlobalFoundries如今拥有120亿美元的“地面”资产，雇用了3300人，工资总额约为3.45亿美元。

作为一名半导体分析师，笔者对先进芯片制造的规模和复杂性有一定的了解，但亲自看到却是另外一回事。马耳他工厂的规模非常大，最初的建筑一直在扩大，位于二楼的洁净室现在占地30万平方英尺。GlobalFoundries在隔壁建造了第二座工厂，通过一座“洁净桥”连接起来，使得连续洁净面积达到了46万平方英尺，相当于八个足球场。在这么大的空间内空气每小时回收循环10到15次，因为即使是最微小的粒子所造成的污染也会破坏价值数十万美元的晶圆。

总的来看，洁净室包含1400个位于RMF（Raised Modular Flooring）上的工具，让气流可以去除微小颗粒，控制静电放电，并通向下层的次洁净区。这些工具通过CMP（化学和机械抛光）、沉积、扩散退火、蚀刻和最终光刻这一系列从前到后的功能进行分组。在整个过程中都会用到测量芯片功能的计量工具。RMF建在由大块混凝土乐高一样块状构成的地板上（每块重达22至24吨），能够抑制即使是最微小的振动，并且由厚厚的混凝土走道环绕，让工人可以在洁净室周围移动，在安装时支持重型工具。对振动不敏感的一些步骤（如离子注入）则位于侧面。

另一个让笔者惊喜是工厂的自动化水平。工厂的天花板上覆盖着14英里的轨道，有多达550个小车围绕着装载了从一个工具加载到另一个工具的晶圆盒飞快移动。被称为FOUP（Front Opening Universal Pod）的盒子可容纳25片晶片，每片晶片的直径约为1英尺。一些FOUP还提供光掩模或掩模版，用于将图形投影到晶圆上，在光刻工具之间移动——GlobalFoundries说，目前世界上没有其他晶圆厂能够做到这一点。复杂的编排全部由软件管理，FOUP通常保存在高架集结区，而不是集中的“储存区”，以便在下面的工具空闲时即可装载。

设备工程师Stephen Miller解释说：“这就像是你正在尽可能多地将煤块铲到炉中，以保持发动机运转。”

这并不是说洁净室就没有人了。几位员工经常会走来走去，GlobalFoundries员工穿着白色像兔子一样的制服，外部供应商穿着的是灰色制服，以便区分——但他们实际上并不操作这些工具。相反，他们要做的是安装或维护工具，监控处理步骤或解决问题。

大多数人只关注洁净室，但正如设备高级总监John Painter所说的那样，这个晶圆厂就像冰山一样，冰山下面还有很多很多东西确保这些工具全天候地运转。每1平方英尺的洁净室空间，就有在一层次洁净室以及周边Central Utility Buildings（即“CUB”）的6平方英尺空间，为该工厂提供80兆瓦的电力、化学制品、气体和超纯净水，水是通过数英里的线路和管道输送的。

但这次参观中最有趣的部分就是在生产环境中看到下一代光刻工具了。光刻技术被认为是最关键的一步，因为它决定了芯片的最小特性——这一指标已经让摩尔定律持续了50年之久。今天，GlobalFoundries像其他领先的芯片制造商一样，依靠使用波长为193纳米的 Deep UV光工具来打造最关键的层。

浸入式光刻技术——用具有更高折射率的水取代透镜和晶片之间的气隙——的引入有助于扩展193纳米工具，但这些工具已经达到了最基本的局限。为了构建最小的层，芯片制造商现在需要采取多个步骤，这是一个复杂的过程，称为多重构图，不仅会降低生产力，还会增加可变性，导致产量降低。

解决方案就是使用波长为13.5纳米的Extreme UV (EUV)光的新型光刻技术。波长越小，特征越精细。这听起来很简单，但事实证明这是非常复杂的，因为EUV光很难产生；几乎任何材料包括空气都能被完全吸收，这意味着得在真空中使用；并且不能使用镜头或传统镜子聚焦。自20世纪90年代后期以来，作为世界唯一EUV工具供应商的荷兰公司ASML一直致力于此项工作，现在才刚刚开始商业化生产。

在主洁净室后面的Phase 2，GlobalFoundries安装了一个EUV工具，第二个正在开发中，此外还有两个工具。每个工具和一辆巴士一样大小，成本大约是1.3亿美元。为了让这些工具运进Fab 8，GlobalFoundries不得不在大楼的一侧挖出一个洞，然后在天花板上安装一个10吨的起重机，将它们提升到位，同时还要保持洁净室的环境和气闸。

更具挑战的是，EUV需要一个强大的激光系统在次洁净室内产生紫外线辐射。27千瓦的二氧化碳激光器通过光束传输，将两组脉冲发射到上方的洁净室，在那里被引导到等离子体容器中，并撞击微小锡液滴（直径约20微米）。预脉冲使锡液滴变平，并且主脉冲将其蒸发，产生发射EUV光子的激光产生的等离子体（LPP）。这些由一个特殊的镜子收集，该镜子将辐射导入扫描仪，在那里它被掩模反射到硅晶片上。该系统非常复杂，以至于承包商Total Facility Solutions（隶属于该晶圆厂建筑商M+W）花了数月的时间在现场使用3D激光扫描仪和BIM（建筑信息模型）工作站绘制出每个组件的确切位置。

经过多年试错之后，EUV已经为大批量生产做好了准备。“我们正处在临界点上，我们全身心投入其中，我非常有信心EUV将成为7纳米的一部分，但眼下它还没有准备好，”Caulfield这样说道。

GlobalFoundries计划在下个季度启动7纳米的“风险生产”（意味着将在2019年上半年的某个时候开始商业化生产），不使用EUV，而是依靠193纳米浸入式四重阵列。这个7LP工艺可以使晶体管性能提高40％（功耗降低55％），并降低30％的成本。高性能版本将使得速度有10％的额外提升。但GlobalFoundries表示，随后将有7纳米版本的EUV用于接触和通孔，最终还有一些金属层，将关键层数减少20％，从而缩短周期时间和成本，并降低可变性。台积电也在研究类似的策略，但三星已选择等到EUV就绪的时候推出7纳米，英特尔的计划尚不清楚。

过去一年中，GlobalFoundries走过了很长一段路，但是要与这些竞争对手针锋相对，它需要在两个领域不断取得进展。

首先，需要使其客户群多样化。GlobalFoundries在2010年对新加坡Chartered和2015年对IBM Microelectronics的收购能起到一定的帮助作用。GlobalFoundries现在拥有5个晶圆厂，第6个晶圆厂正在中国成都建设中，所有这些晶圆厂每月可生产超过80万片晶圆（200毫米当量），供大约250家客户使用。但它需要更多业务在前沿领域超越AMD和IBM。

GlobalFoundries表示，GlobalFoundries在14纳米工艺上有82个设计，并且已经发布了FX-14 ASIC工艺，该工艺将竞争不断增长的AI加速器业务。虽然GlobalFoundries高端移动SoC方面运气不佳，但也一直推动以另一种晶圆衬底生产的替代品，即FD-SOI（Fully-Depleted Silicon-On-Insulator），这种替代品非常适合低成本移动应用，如中端手机、可穿戴设备或物联网设备。

其次，GlobalFoundries需要很好地执行其技术路线图。GlobalFoundries刚刚开始为AMD量产12纳米晶圆，但7纳米才是真正的考验，这是由大约400名工程师组成的团队开发的。

目前的路线图大约截止于2020年，但Patton表示研发团队有很多不错的想法。GlobalFoundries大约有700名技术专家专注于未来解决方案，在Fab 8特定领域，以及通过与IBM和三星的Albany NanoTech联盟、设备和材料供应商、以及SUNY Polytechnic Institute展开合作。未来还有很多选择，包括新材料，例如III-V化合物，或垂直纳米线或水平纳米片等全栅结构。去年，Albany NanoTech联盟宣布已经开发出首批使用EUV制造纳米片的5纳米芯片，有朝一日可以使处理器拥有多达300亿个晶体管。

这些都是十分艰巨的挑战。但是，近距离看到这样一个先进，不仅让人对这个行业已经克服的诸多挑战赞赏不已，更加确信他们将继续寻找创新的方式，实现更小、更快、更高效。