微縮實(shí)力驚人 臺(tái)積3納米續(xù)沿用FinFET晶體管制程

臺(tái)積電終于在今年第一季的法人說(shuō)明會(huì)里，透露了其3納米將采取的技術(shù)架構(gòu)，而出乎大家意料的，他們將繼續(xù)采取目前的「FinFET」晶體管技術(shù)。而這代表了臺(tái)積電的制程微縮能力遠(yuǎn)超乎市場(chǎng)想象，3納米仍不是其極限所在。
當(dāng)制程下探，電路無(wú)可避免的會(huì)遭遇到控制的困難，產(chǎn)生如漏電、電壓不穩(wěn)定等的短通道效應(yīng)（Short-channel Effects）。而為了有效抑制短通道效應(yīng)，盡可能的增加電路的面積，提高電子流動(dòng)的穩(wěn)定性，就是半導(dǎo)體制造業(yè)者重要的考慮，而鰭式晶體管（FinFET）架構(gòu)就因此而生。
FinFET運(yùn)用立體的結(jié)構(gòu)，增加了電路閘極的接觸面積，進(jìn)而讓電路更加穩(wěn)定，同時(shí)也達(dá)成了半導(dǎo)體制程持續(xù)微縮的目標(biāo)。但這個(gè)立體結(jié)構(gòu)的微縮也非無(wú)極限，一但走到了更低的制程之后，必定要轉(zhuǎn)采其他的技術(shù)，否則摩爾定律就會(huì)就此打住。
也因此，三星電子（Samsung）在2019年就宣布，將在3納米制程世代，改采閘極全環(huán)（Gate-All-Around，GAA）的技術(shù)，作為他們FinFET之后的接班制程；無(wú)獨(dú)有偶，目前的半導(dǎo)體龍頭英特爾（Intel），也在不久前宣布，將投入GAA技術(shù)的開發(fā)，并預(yù)計(jì)在2023年推出采用GAA制程技術(shù)的5納米芯片。
由于世界前兩大的半導(dǎo)體廠都相繼宣布投入GAA的懷抱，因此更讓人篤定，也許3納米將會(huì)是GAA的時(shí)代了，因?yàn)橹?納米制程，F(xiàn)inFET晶體管就可能面臨瓶頸，必須被迫進(jìn)入下個(gè)世代。

續(xù)用FinFET架構(gòu) 帶來(lái)雙贏局面

但唯獨(dú)臺(tái)積電，仍將在3納米世代延續(xù)FinFET晶體管的技術(shù)。
而就如同所有的業(yè)者，臺(tái)積電的選擇考慮也是商業(yè)決策下的結(jié)果。而他們能做下這個(gè)決定，多少也意味著他們確認(rèn)了3納米并非FinFET技術(shù)的瓶頸，甚至還非常有自信能夠在相同的FinFET技術(shù)下，在3納米制程里取得水平以上的良率。這也代表著臺(tái)積電的微縮技術(shù)遠(yuǎn)超過(guò)其他的芯片制造商。
所以臺(tái)積電將會(huì)在相同的制程技術(shù)與制造流程下，進(jìn)入3納米世代，也因此他們不用變動(dòng)太多的生產(chǎn)工具，也能有較具優(yōu)勢(shì)的成本結(jié)構(gòu)。而對(duì)客戶來(lái)說(shuō)，也將不用有太多的設(shè)計(jì)變更，也有助于客戶降低生產(chǎn)的成本。若最終的產(chǎn)品性能還能與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手平起平坐，那臺(tái)積電可能又將在3納米產(chǎn)品世代再勝一籌。
尤其是對(duì)客戶來(lái)說(shuō)，在先進(jìn)制程的開發(fā)里變更設(shè)計(jì)，無(wú)論是改變?cè)O(shè)計(jì)工具或者是驗(yàn)證和測(cè)試的流程，都會(huì)是龐大的成本，時(shí)間和金錢都是。因此若能維持當(dāng)前的設(shè)計(jì)體系，對(duì)臺(tái)積電和客戶來(lái)說(shuō)，都會(huì)是個(gè)雙贏局面。

芯片效能決定市場(chǎng)價(jià)值 FinFET還能走多遠(yuǎn)？

剩下的問(wèn)題，就是誰(shuí)的效能表現(xiàn)比較好，而這個(gè)答案只有在2022年3納米芯片量產(chǎn)之后才會(huì)知道。由于最先進(jìn)制程的產(chǎn)品，都是運(yùn)用在最高階的產(chǎn)品上，這些產(chǎn)品的價(jià)格高，因此成本相對(duì)較不明顯，一旦效能優(yōu)勢(shì)無(wú)法凸顯，就會(huì)失去消費(fèi)者的支持，進(jìn)而失去訂單。
過(guò)往的三星電子就數(shù)次面臨此一局面。盡管他們的價(jià)格較低，但是產(chǎn)品的效能始終無(wú)法超越臺(tái)積電，因此一流的大廠都轉(zhuǎn)往臺(tái)積電投單，讓他們?cè)诟唠A晶圓代工的市場(chǎng)上頻頻失利。
因此進(jìn)入3納米世代后，若三星的GAA制程在效能上可以勝過(guò)臺(tái)積的FinFET，即使價(jià)格較高，都可能反轉(zhuǎn)當(dāng)前的先進(jìn)芯片代工的市場(chǎng)局面。


 
圖1 : FinFET技術(shù)的片狀結(jié)構(gòu)成功延續(xù)了摩爾定律，但還能走多遠(yuǎn)？。

另外一個(gè)問(wèn)題，就是FinFET技術(shù)還能延續(xù)多久？如果3納米不是瓶頸，那會(huì)是哪里？
所幸，目前的可能的答案也只剩下兩個(gè)，如果不是2納米，就是1納米。但無(wú)論是哪一個(gè)，都要很多年以后才會(huì)知道。但我們可從過(guò)去臺(tái)積電的發(fā)言來(lái)看，他們對(duì)于微縮技術(shù)相當(dāng)有信心，認(rèn)為做到1納米也不是問(wèn)題，0.1納米都可以挑戰(zhàn)看看。
再對(duì)照他們?cè)?納米世代所采取的策略，我們更可以大膽預(yù)測(cè)，也許要走到1納米世代，才能摸清楚臺(tái)積電的能耐，但那已經(jīng)是一個(gè)完全無(wú)法想象的超級(jí)先進(jìn)芯片制造技術(shù)。

新架構(gòu)接連問(wèn)世 布局2納米制程

然而，F(xiàn)inFET制程終究會(huì)步入它的物理極限，接班技術(shù)的布局也應(yīng)該要開始策動(dòng)，而目前看起來(lái)，采用加大閘極電路面積的GAA技術(shù)會(huì)是最可能選項(xiàng)，其中Nanosheet FET又會(huì)是最適合的制程，目前三星也是采用此一結(jié)構(gòu)，作為其3納米世代的核心技術(shù)。
當(dāng)然Nanosheet FET也不是唯一的選項(xiàng)，目前仍有許多的研究機(jī)構(gòu)針對(duì)3納米之后的芯片制程技術(shù)進(jìn)行研究。例如愛美科（imec）日前也宣布了一個(gè)名為「Forksheet FET」的技術(shù)，用以在2納米的芯片制造。
依據(jù)愛美科的數(shù)據(jù)，在「Forksheet FET」結(jié)構(gòu)中，nFET和pFET被整合在同一個(gè)結(jié)構(gòu)中，其中有一個(gè)介電墻把nFET和pFET分開。它也跟目前的GAA制程完全不同，也將使用不同的裝置來(lái)生產(chǎn)nFETs和pFETs。這個(gè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就在于它有更緊密的n到p的間距，并減少面積縮放。與Nanosheet FET相比，在相同的制程下，F(xiàn)orksheet FET的電路更加緊湊（42nm vs 45nm）。

 
圖2 : 與Nanosheet FET相比，在相同的制程下，F(xiàn)orksheet FET的電路更加緊湊。（Source：imec）

除此之外，愛美科也在研發(fā)一種稱為CFET（Complementary FETs）的技術(shù)，它是另外一種GAA的架構(gòu)，為針對(duì)2納米以下制程所開發(fā)。該技術(shù)由兩個(gè)分開的Nanowire FET所組成（n型和p型），是一種把p型納米線迭在n型納米在線的結(jié)構(gòu)。
透過(guò)這種迭加的形式，CFET等于是實(shí)現(xiàn)了一種「折迭（folding）」的概念，藉此消除了n到p分開的瓶頸，同時(shí)也減少了運(yùn)作單元活動(dòng)區(qū)域（cell active area）面積達(dá)到2倍之多。
目前這些仍在研發(fā)中的技術(shù)都有更自的挑戰(zhàn)待突破，包含散熱的控制和制造成本等，但可以確定的就是，對(duì)于2納米之后的芯片制造，現(xiàn)在已有數(shù)項(xiàng)技術(shù)正在進(jìn)行中，同時(shí)也不會(huì)是遙不可及。

結(jié)語(yǔ)

從現(xiàn)在分歧的制程技術(shù)采用決策來(lái)看，顯然半導(dǎo)體制造商在3納米之后的芯片制造，已經(jīng)面臨了需要轉(zhuǎn)進(jìn)新架構(gòu)的挑戰(zhàn)，而且目前仍未有主宰的技術(shù)出現(xiàn)。
當(dāng)此之時(shí)，除了制造商需要各顯本事之外，如何從技術(shù)與成本中取得最大的利基，將是競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵所在。特別是先進(jìn)半導(dǎo)體制造的成本十分高昂，若不能在生產(chǎn)技術(shù)與制造成本中取得較佳的平衡，未來(lái)的發(fā)展也將會(huì)非常艱辛，再加上半導(dǎo)體的制造供應(yīng)鏈牽連體大，不僅是制造設(shè)備，也包含設(shè)計(jì)工具和檢驗(yàn)測(cè)試的部分，若不能有一致性的解決方案，想要一枝獨(dú)秀也將是非常困難。