Aktuelle Trends bei der Anzahl der Schichten in Halbleiterfertigungsprozessen im Jahr

Samsung Electronics und TSMC haben im Jahr 2024 die Massenproduktion von 3-nm-Prozessen aufgenommen. Die Anzahl der Schichten in den neuesten Halbleiterchips beträgt durchschnittlich mehr als 20 bis 25 Schichten, und einige Hochleistungs-Prozessoren haben eine komplexe Struktur mit mehr als 30 Schichten. Dies ist ein Anstieg von etwa 150 % im Vergleich zu durchschnittlich 12 Schichten bei der 7-nm-Prozesse im Jahr 4, was bedeutet, dass die Komplexität des Prozesses und die Anforderungen an die Präzision zwischen den Schichten deutlich gestiegen sind.

Warum hat sich die Anzahl der Schichten im 3-nm-Prozess so erhöht?

Die Anzahl der Schichten im 3-nm-Prozess beträgt durchschnittlich 20 bis 25, und einige Hochleistungschips erreichen mehr als 30 Schichten. Dies ist eine notwendige Bedingung, um die Transistordichte zu erhöhen. Aufgrund der Notwendigkeit, gleichzeitig Energieeffizienz und Leistung zu gewährleisten, werden die Isolationsschichten zwischen den Schichten, die Metallleitungen und die Verbindungselemente komplex ausgelegt. Beispielsweise besteht die 24-schichtige Struktur des 3-nm-Prozesses von TSMC aus 24 Schichten, was einem Anstieg von 33 % gegenüber dem vorherigen 5-nm-Prozess (18 Schichten) entspricht.

• Der Process Complexity Index betrug im Jahr 2018 bei der 7-nm-Prozesse 4,3, während er im Jahr 2024 bei der 3-nm-Prozesse auf 6,1 gestiegen ist.
• Die Dicke der Isolationsschichten zwischen den Schichten wurde auf unter 10 nm reduziert, wodurch das Risiko von Kurzschlüssen zwischen den Elektroden um das Doppelte gestiegen ist.
• Daher werden Metalllegierungsleitungen aus Kupfer/Nickel und Isoliermaterialien mit einem hohen dielektrischen Koeffizienten (κ = 4,0 oder höher) verstärkt eingesetzt, um die elektrische Interferenz zwischen den Schichten zu reduzieren.

Wie wirkt sich die Zunahme der Anzahl der Schichten auf die Produktivität aus?

Die Zunahme der Anzahl der Schichten erhöht die Produktionskosten um mehr als 30 %. Für jeden Prozessschritt sind durchschnittlich 15 bis 20 Wiederholungen der Lithographie (Fotolackprozess) erforderlich, und für jede Schicht entstehen zusätzliche Herstellungskosten von durchschnittlich 20 bis 30 US-Dollar. Bei einem 3-nm-Chip mit 25 Schichten belaufen sich die Gesamtprozesskosten auf etwa 600 US-Dollar oder mehr.

• Dies ist ein Anstieg von 71 % gegenüber den durchschnittlichen Herstellungskosten eines 7-nm-Chips im Jahr 2018 (350 US-Dollar).
• Während die durchschnittliche Lebensdauer von Halbleiterprozessanlagen 5 Jahre beträgt, müssen Anlagen für den 3-nm-Prozess mehr als 10 Jahre lang gewartet werden.