5 nm 공정

반도체 제조에서 장치 및 시스템을 위한 국제 로드맵은 5 nm 공정을 7 nm 노드를 따르는 MOSFET 기술 노드로 정의한다. 2020년 삼성과 TSMC가 애플, 마벨, 화웨이 및 퀄컴을 포함한 고객사를 위해 5 nm 칩의 양산을 시작하였다.^[1][2]

"5 nm"라는 용어는 크기가 5 나노미터인 트랜지스터의 실제 물리적 특징(예: 게이트 길이, 금속 피치 또는 게이트 피치)과 관련이 없다. IEEE Standards Association Industry Connection에서 발표한 장치 및 시스템에 대한 국제 로드맵의 2021년 업데이트에 포함된 예측에 따르면 "5 nm 노드는 51 nm의 접촉 게이트 피치와 30 nm의 가장 조밀한 금속 피치를 가질 것으로 예상된다."^[3] 그러나 실제 상업적인 관행에서 "5 nm"는 증가된 트랜지스터 밀도(즉, 더 높은 수준의 소형화), 이전 7 nm 공정와 비교하여 속도 증가 및 전력 소비감소 측면에서 실리콘 반도체 칩의 새로운 세대를 지칭하기 위해 개별 마이크로칩 제조업체의 마케팅 용어로 주로 사용된다.^[4][5]

역사

배경

7 nm 및 5 nm 트랜지스터의 게이트 산화막을 통한 양자 터널링 효과는 기존 반도체 공정을 사용하여 관리하기가 점점 더 어려워졌다.^[6] 7 nm 미만의 단일 트랜지스터 장치는 2000년대 초반에 연구원들에 의해 처음 시연되었다. 2002년에 Bruce Doris, Omer Dokumaci, Meikei Ieong 및 Anda Mocuta를 포함한 IBM 연구 팀은 6나노미터 SOI(silicon-on-insulator) MOSFET를 제조했다.^[7]

2003년 와카바야시 히토시와 야마가미 시게하루가 이끄는 NEC의 일본 연구팀은 최초의 5 nm MOSFET을 제조하였다.^[8]

2015년에 IMEC와 Cadence는 5 nm 테스트 칩을 제작했다. 제작된 테스트 칩은 완전한 기능을 갖춘 장치가 아니라 인터커넥트 레이어의 패터닝을 평가하기 위한 것이다.^[9][10]

2015년 인텔은 5 nm 노드를 위한 측면 나노와이어(또는 게이트 올어라운드) FET 개념을 기술하였다.^[11]

2017년에 IBM은 일반적인 FinFET 설계에서 벗어난 GAAFET(gate-all-around configuration)의 실리콘 나노시트를 사용한 5 nm 실리콘 칩을 만들었다고 밝혔다.^[12] 사용된 GAAFET 트랜지스터는 적층된 3개의 나노시트를 가지고 있으며, FinFET이 일반적으로 전기적으로 단일 단위인 여러 개의 물리적 핀(Fin)을 나란히 가지고 있이고 전체가 동일한 게이트로 덮여 있다. IBM의 칩은 50 mm²이며 mm² 당 6억 개의 트랜지스터를 갖고 있어, 총 300억 개의 트랜지스터를 가지고 있다. (트랜지스터 당 1,667nm² 또는 41nm 트랜지스터 간격).^[13][14]

상용화

2019년 4월 삼성전자는 2018년 4분기부터 고객에게 5 nm 공정(5LPE) 도구를 제공했다고 발표했다.^[15] 2019년 4월 TSMC는 5 nm 프로세스(CLN5FF, N5)가 위험 생산을 시작했으며 이제 전체 칩 설계 사양이 잠재 고객에게 제공된다고 발표했다. N6 및 N7++에서는 5개 또는 4개 레이어만 사용할 수 있는 것에 비해, N5 프로세스는 최대 14개 레이어에서 EUVL을 사용할 수 있다.^[16] 예상되는 28 nm 최소 금속 피치에 대하여, SALELE은 제안된 최상의 패터닝 방법이다.^[17]

삼성전자는 금속 및 비아 레이어에서 발생하는 확률적(랜덤) 결함으로 인해, 자동화된 확인 및 수정을 통한 공정 결함 완화 5 nm 공정에 적용하기 시작하였다.

2019년 10월 TSMC는 애플 A14 프로세서의 5 nm 샘플링을 시작한 것으로 알려졌다.^[18]

2019년 12월 TSMC는 다이 크기가 17.92 mm²칩인 5 nm 테스트 칩에 대하여 평균 수율 약 80%, 웨이퍼 당 최대 수율 90% 이상을 기록했다고 발표했다.^[19] 2020년 중반 TSMC는 그들의 N5 (5 nm) 공정이 7 nm N7 공정보다 1.8배의 밀도를 가지며, 15%의 속도 향상과 30%의 전력 소모 감소를 기록했다고 주장하였다. 또한 개선된 하위 버전 (N5P 또는 N4)는 +5% 속도 또는 -10% 전력으로 N5를 개선한다고 주장했다.^[20]

2020년 10월 13일, 애플은 A14를 사용하는 새로운 iPhone 12 라인업을 발표했다. 하이실리콘 Kirin 9000을 사용하는 화웨이 메이트 40 라인업과 함께 A14 및 Kirin 9000은 TSMC의 5 nm 노드에서 최초로 상용화된 기기였다. 나중에 2020년 11월 10일에 애플은 Apple M1을 사용하는 3개의 새로운 Mac 모델도 공개했다. Semianalysis에 따르면 A14 프로세서의 트랜지스터 밀도는 mm² 당 1억 3,400만 트랜지스터이다.^[21]

2021년 10월 TSMC는 5 nm 공정 제품군의 새로운 제품 N4P를 소개했다. N4P는 N5에 비해 11% 더 높은 성능 (N4보다 6% 더 높음), 22% 더 높은 전력 효율, 6% 더 높은 트랜지스터 밀도, 더 낮은 마스크 수를 갖는다. TSMC는 2022년 하반기까지 첫 번째 테이프아웃을 예상한다.^[22]

2021년 12월 TSMC는 HPC 애플리케이션용으로 설계된 5 nm 제품군의 새 제품 N4X를 발표했다. .이 공정은 최적화된 트랜지스터 설계 및 구조, 대상 금속층 및 고밀도 MiM 커패시터의 저항 및 커패시턴스 감소 등을 특징으로 한다. 이 공정은 1.2V에서 N5에 비해 최대 15% 더 높은 성능(또는 N4P에 비해 최대 4%)을 제공한다. TSMC는 N4X가 2023년 상반기까지 위험 생산에 들어갈 것으로 예상한다.^[23][24][25]

2022년 6월 인텔은 인텔 4 공정(2021년에 이름을 바꾸기 전에 7nm로 알려짐)에 대한 몇 가지 세부 정보를 발표했는데, 이는 인텔이 EUV를 사용하는 첫 번째 공정이며, 인텔 7(명칭 변경 이전에 10nm ESF(Enhanced Super Fin)로 알려짐)보다 트랜지스터 밀도가 2배 더 높으며, 상호 연결의 가장 미세한 5개 레이어에 코발트 클래드 구리를 사용하였고, Intel 7 등과 비교하여 iso 전력에서 21.5% 더 높은 성능 또는 0.65V에서 iso 주파수에서 40% 더 낮은 전력 등을 특징으로 한다. Intel 4를 사용한 Intel의 첫 번째 제품은 메테오르레이크로, 2022년 2분기에 가동되고 2023년에 배송될 예정이다.^[26] Intel 4는 접촉 게이트 피치가 50 nm이고 핀과 최소 금속 피치가 모두 30 nm이며 라이브러리 높이가 240 nm이다. 금속-절연체-금속 정전용량이 Intel 7에 비해 약 2배인 376fF/μm²로 증가했다.^[27] 이 공정은 HPC 애플리케이션에 최적화되어 있으며 <0.65V ~ >1.3V의 전압을 지원한다. Intel 4에 대한 WikiChip의 트랜지스터 밀도 추정치는 123.4Mtr./mm²이며 Intel 7의 경우 60.5Mtr./mm²에서 2.04배이다. 그러나 고밀도 SRAM 셀은 Intel 7에 비해 0.77배(0.0312에서 0.024μm²), 고성능 셀은 0.68배(0.0441에서 0.03μm²) 감소에 그쳤다.^[28]

2022년 9월 27일 AMD는 TSMC 5 nm 공정 및 Zen 4 마이크로아키텍처를 기반으로 하는 Ryzen 7000 시리즈 중앙 처리 장치를 공식 출시했다.^[29] Zen 4는 x86 기반 데스크탑 프로세서를 위한 5 nm 공정의 첫 번째 활용이다. AMD는 또한 TSMC 5 nm 공정을 사용하는 RDNA 3 기반 그래픽 처리 장치인 Radeon 7000 시리즈를 출시했다.^[30]

5&nbsp;nm 이후

3 nm (3나노미터)는 5 nm 이후의 다음 노드에 대한 일반적인 용어이다. 2021년 기준^[update], TSMC는 3 nm 노드를 상용화 할 계획이다. 2022년, 삼성전자와 인텔은 2023년 계획이 있다.^{[31][32][33][34]}

3.5 nm는 또한 5 nm를 넘어선 첫 번째 노드의 이름으로 지정되기도 하였다.^[35]