3納米儼然成了一個(gè)新的關(guān)卡，誰(shuí)能先突破，誰(shuí)就有希望在202x之后的半導(dǎo)體代工市場(chǎng)，取得領(lǐng)先位置。而目前率先揭露3納米技術(shù)進(jìn)程的則是三星電子（Samsung Electrics），該公司預(yù)計(jì)會(huì)在2021年導(dǎo)入量產(chǎn)，并聲稱領(lǐng)先臺(tái)積電1年的時(shí)間。

放眼市場(chǎng)，目前有能力將半導(dǎo)體制程推進(jìn)到7納米以下的業(yè)者，僅剩下三星電子和臺(tái)積電，因此在先進(jìn)制程的對(duì)抗，也就是這兩家業(yè)者之間的競(jìng)爭(zhēng)，甚至可以說(shuō)，誰(shuí)能勝出，誰(shuí)就有希望取得絕對(duì)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

面對(duì)三星電子的叫戰(zhàn)，臺(tái)積電絲毫聞風(fēng)不動(dòng)，仍持續(xù)穩(wěn)步的推進(jìn)微縮制程，依據(jù)臺(tái)積電的規(guī)劃，將會(huì)在2020年量產(chǎn)5納米制程，至于3納米，目前仍沒(méi)有公布具體的時(shí)程表和技術(shù)細(xì)節(jié)。唯一確定的，就是其3納米的新竹廠房將會(huì)在今年底動(dòng)工，以時(shí)間推估，能夠量產(chǎn)的時(shí)間也會(huì)是在2021年之后。

FinFET將退場(chǎng) 3納米帶起新制程之戰(zhàn)

而為什么3納米制程如此關(guān)鍵，最主要的原因就是當(dāng)前的微縮制程走到3納米，將會(huì)面臨新的物理極限，除非改用新的結(jié)構(gòu)，否則摩爾定律就很難再維持下去。

目前三星和臺(tái)積電的7納米和5納米制程，都是使用鰭式電晶體（FinFET）的立體架構(gòu)。該制程的問(wèn)世就是因?yàn)槠矫娴奈⒖s技術(shù)在25納米以下遇到瓶頸，為了持續(xù)推進(jìn)摩爾定律，同時(shí)改進(jìn)電力損耗的問(wèn)題，因此轉(zhuǎn)采用這種立體的架構(gòu)。

圖二 : 三星電子MBCFET制程技術(shù)的示意圖。（source：三星電子）

但使用突出鰭式設(shè)計(jì)的FinFET架構(gòu)，到了3納米之后也將面臨微縮的問(wèn)題，過(guò)細(xì)的鰭片也將會(huì)遭遇電流控制的問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)失去對(duì)某些電場(chǎng)效應(yīng)的抗性（例如靜電），因此提出新架構(gòu)就成了3納米制程的兵家之地。

目前業(yè)界的共識(shí)是在FinFET架構(gòu)上來(lái)做突破，而兩種分別被名為“Nanowire FET”和“Nanosheet FET”的技術(shù)，則是最有希望的接班人，且兩個(gè)技術(shù)都會(huì)使用一種閘極全環(huán)（Gate-All-Around，GAA）的制程。

GAA制程興起 考驗(yàn)代工廠生產(chǎn)技術(shù)

首先，必須要先理解一下何謂GAA制程。顧名思義，GAA就是整面都是閘極的意思，而這是相對(duì)于FinFET來(lái)說(shuō)，因?yàn)樵贔inFET的架構(gòu)中，金屬閘極只包覆了三面，而GAA則是全面性的包覆，一種環(huán)狀的結(jié)構(gòu)。

而有別于側(cè)邊鰭片式的結(jié)構(gòu)，Nanowire FET改以納米線來(lái)取代，借以增加更多的半導(dǎo)體電路，然后再以閘極來(lái)包覆納米線，以提高對(duì)于電路的控制和穩(wěn)定性；而不同于Nanowire FET，Nanosheet FET是使用更寬更薄的“sheet”來(lái)取代，但同樣也使用閘極來(lái)包覆。這兩者各有優(yōu)勢(shì)，但從量產(chǎn)的設(shè)備相容性以及難度來(lái)說(shuō)，Nanosheet FET似乎多了些青睞。

以三星電子為例，該公司日前公布的3納米技術(shù)內(nèi)容里就特別指出，將使用一種閘極全環(huán)（Gate-All-Around，GAA）制程為基礎(chǔ)的MBCFET架構(gòu)。而MBCFET則是多橋通道場(chǎng)效電晶體（Multi-Bridge Channel Field-Effect Transistor），并透過(guò)所謂的GAA制程來(lái)包覆。從三星的示意圖里，它應(yīng)該是一種Nanosheet FET架構(gòu)的技術(shù)。

依照三星電子的說(shuō)法，使用MBCFET的好處之一，就是它能相容于目前的FinFET制程，因此對(duì)客戶來(lái)說(shuō)，具有能直接升級(jí)的好處，而且所使用的設(shè)計(jì)工具與制程方法也都相同，對(duì)于成本來(lái)說(shuō)，也不會(huì)有太多的提升。

而使用新制程所生產(chǎn)的3納米晶片的效能也相當(dāng)卓越，從三星電子公布的測(cè)試資料顯示，相較于7納米制程，使用其MBCFET的3納米產(chǎn)品效能提升了35%，功耗則大幅下降了50%，同時(shí)面積也縮減了45%。其躍進(jìn)的幅度可說(shuō)是十分驚人。

三星電子也已在今年5月釋出3納米GAA MBCFET的制程設(shè)計(jì)套件（PDK） 0.1版。

而反觀臺(tái)積電，盡管沒(méi)有針對(duì)3納米技術(shù)有太多的說(shuō)明，但臺(tái)積電對(duì)于其制程微縮的能力依然非常有自信，不僅表示3納米的研發(fā)正如期進(jìn)行中，而且1納米的門檻目前看來(lái)也有望跨越。

但在現(xiàn)階段，臺(tái)積電則是全力推進(jìn)5納米的制程，并加重在極紫外光（Extreme Ultraviolet，EUV）的使用。而從其近期的資本投資來(lái)看，全面性的使用EUV來(lái)推進(jìn)其微縮制程已經(jīng)是必然的方向。

圖三 : EUV能減少多重光照的次數(shù)，是臺(tái)積電力推的技術(shù)。（攝影／籃貫銘）

臺(tái)積電也在幾個(gè)技術(shù)論壇上指出，透過(guò)使用EUV，可以大幅減少多重曝光（multi-patterning）所用到的光罩?jǐn)?shù)目，而這對(duì)客戶來(lái)說(shuō)是一大福音；EUV同時(shí)也能讓間距更細(xì)致，讓更小的微縮制程得以實(shí)現(xiàn)，是目前晶圓代工的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備。

EDA也備戰(zhàn)3納米 精確驗(yàn)證是挑戰(zhàn)

然而，要實(shí)現(xiàn)3納米制程光靠晶圓廠自己努力是不夠的，尤其是現(xiàn)在晶片生產(chǎn)的流程非常倚重EDA工具，因此勢(shì)必要在EDA工具端也有所應(yīng)對(duì)才能算是真正完成量產(chǎn)的準(zhǔn)備。

目前主要的EDA工具商也正在準(zhǔn)備3納米制造的相關(guān)解決方案，尤其是解決更復(fù)雜的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)所衍生的驗(yàn)證問(wèn)題。

針對(duì)3納米制程可能衍生的制程挑戰(zhàn)，Mentor IC EDA執(zhí)行副總裁Joseph Sawicki

在臺(tái)灣的年度技術(shù)論壇上指出，要達(dá)到3納米制程，就必須透過(guò)EUV多重曝光的方式來(lái)達(dá)到更高的解析度。另外，GAA制程也會(huì)帶來(lái)新的取樣需求和物性錯(cuò)誤模式（Physical Failure mode）。

圖四 : 目前EDA工具商也正在準(zhǔn)備3納米制造的相關(guān)解決方案，圖為Mentor IC EDA執(zhí)行副總裁Joseph Sawicki正講述相關(guān)的挑戰(zhàn)。（攝影／籃貫銘）

再者，PPA指標(biāo)也會(huì)推動(dòng)3納米光刻制程的精準(zhǔn)度要求，多電子束光罩（Multi Beam Mask）寫入技術(shù)也會(huì)被用來(lái)開(kāi)發(fā)曲線光罩的功能，以達(dá)成更先進(jìn)的光刻制程。而上述這些新的制程與技術(shù)也會(huì)需要透過(guò)EDA來(lái)進(jìn)行模擬與驗(yàn)證，因此EDA供應(yīng)商就需要與設(shè)備和晶圓代廠商緊密的合作來(lái)發(fā)展相對(duì)應(yīng)的工具。

Joseph Sawicki表示，目前最大的挑戰(zhàn)就是新的更多層堆疊的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在驗(yàn)證上非常復(fù)雜，如何精確的對(duì)每一層進(jìn)行模擬和驗(yàn)證將是一大難題。他也預(yù)計(jì)大約到明年中之后，相關(guān)的工具才會(huì)比較成熟。

結(jié)語(yǔ)

從制程結(jié)構(gòu)來(lái)看，3納米將是一個(gè)全新的世代，而作為新時(shí)代的開(kāi)創(chuàng)者，它的優(yōu)勢(shì)也完全反應(yīng)在效能上。從目前的進(jìn)展來(lái)看，3納米的實(shí)作和量產(chǎn)都已有了解決方案，剩下的只是時(shí)間和生產(chǎn)設(shè)備到位的時(shí)程問(wèn)題。

至于市場(chǎng)會(huì)不會(huì)有人買單？答案應(yīng)該是非?？隙?，當(dāng)然是有，而且可能還會(huì)引起搶購(gòu)，畢竟5G和AI應(yīng)用的想像空間實(shí)在太大了，3納米晶片也只是剛剛好彌補(bǔ)了他們的需要。

最后，臺(tái)積電與三星電子的兩虎相爭(zhēng)誰(shuí)會(huì)勝出，目前真的很不好說(shuō)，只能說(shuō)三星電子的好勝心和企圖心，不得不讓人尊敬。