三星為追臺積電改Roadmap:跳過4nm,直接上3nm

2020-12-12 電子工程專輯

在半導體代工領域，兩大巨頭臺積電和三星電子目前都已進入5nm工藝：臺積電5nm已大規模量產，4nm的N4工藝有望在2023年完成；而三星投資81億美元的新5nm產線於今年開始建設，最快明年投產。rL6EETC-電子工程專輯

3nm方面臺積電在多年前就已開始謀劃，2020年為其產線獲得了200億美元的投資，並計劃2021年風險試產，2022年上半年大規模量產。在6月初，甚至有外媒稱臺積電已經開始安裝3nm工藝的生產線，早於此前的預期。rL6EETC-電子工程專輯

看起來，無論三星如何追趕，進度都比臺積電差了那麼1年左右，但7月2日，三星決定在工藝上大躍進。rL6EETC-電子工程專輯

據新浪科技報導，因與其競爭對手臺積電在工藝路線上的計劃不同，三星電子將跳過4nm工藝，直接由5nm躍升至3nm環繞柵極電晶體(GAAFET)。不過，報導中並未提及3nm工藝會在何時大規模量產。rL6EETC-電子工程專輯

計劃趕不上變化

曾為蘋果代工A系列晶片的三星電子，近幾年在晶片工藝方面雖然不及臺積電，獲得的晶片代工訂單也不及臺積電，但仍是唯一能在工藝上跟上臺積電節奏的廠商。臺積電在晶片工藝方面近幾年一直走在行業前列，7nm和5nm工藝都是率先投產，良品率也相當可觀。rL6EETC-電子工程專輯

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三星的 4nm 原定於 2021 年量產，可其真實身份無非 5nm 改良。對於三星取消的原因，一方面是 3nm 推進順利，另一方面則是市場競爭需要，如果能搶在臺積電之前搞定技術難度更高的 3nm GAAFET，無疑將為自己爭得可觀的機會。rL6EETC-電子工程專輯

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三星如今的掌門人李在鎔非常看重晶片代工業務，這一切或也得到了他的授意。此前，三星曾透露，3nm 晶片相較於 7nm FinFET，可以減少 50% 的能耗，增加 30% 的性能。rL6EETC-電子工程專輯

三星代工業務高級副總裁肖恩·漢日前曾對外表示，該公司5nm晶片的大規模生產預計將於2020年第二季度開始。rL6EETC-電子工程專輯

據三星電子此前發布的2020年一季度財報顯示，該公司一季度營收為55萬億韓元，折合人民幣約為3236.2億元，同比增長5%；營業利潤為6.4萬億韓元，折合人民幣約為376.6億元，同比增長2.7%。rL6EETC-電子工程專輯

有分析人士預測表示，三星電子二季度晶片營業利潤或將超過5萬億韓元，折合人民幣約為294.2億元。rL6EETC-電子工程專輯

三星為什麼要用 GAA？

Gate-All-Around ，也就是環繞式柵極技術，簡稱為 GAA 橫向電晶體技術，也可以被稱為 GAAFET。這項技術的特點是實現了柵極對溝道的四面包裹，源極和漏極不再和基底接觸，而是利用線狀（可以理解為棍狀）或者平板狀、片狀等多個源極和漏極橫向垂直於柵極分布後，實現 MOSFET 的基本結構和功能。這樣設計在很大程度上解決了柵極間距尺寸減小後帶來的各種問題，包括電容效應等，再加上溝道被柵極四面包裹，因此溝道電流也比 FinFET 的三面包裹更為順暢。在應用了 GAA 技術後，業內估計基本上可以解決 3nm 乃至以下尺寸的半導體製造問題。rL6EETC-電子工程專輯

作為一款新技術，各家廠商都有自己的方案。目前已知的幾種不同形態的 GAA 鰭片結構分別包括：rL6EETC-電子工程專輯

● 比較常見的納米線技術，也就是穿透柵極的鰭片採用圓柱或者方形截面；rL6EETC-電子工程專輯

● 板片狀結構多路橋接鰭片，穿透柵極的鰭片被設計成水平板狀或者水平橢圓柱狀（長軸和基地平行）截面；rL6EETC-電子工程專輯

● 六角形截面納米線技術，顧名思義，納米線的截面是六邊形；rL6EETC-電子工程專輯

● 納米環技術，穿透柵極的鰭片採用環形方案。rL6EETC-電子工程專輯

而三星對外宣稱的 GAA 技術英文名為 Multi-Bridge ChannelFET，縮寫為 MBCFET，實際上就是板片狀結構多路橋接鰭片。三星對此作出的解釋是，目前主流的納米線 GAA 技術，溝道寬度較小，因此往往只能用於低功率設計，並且製造難度比較高，因此三星沒有採用這種方案。並且三星認為 FinFET 在 5nm 和 4nm 工藝節點上都依舊有效，因此在 3nm 時代三星才開始使用新的 MBCFET 技術。rL6EETC-電子工程專輯

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三星指出，預計 2021 年透過這項技術所推出的 3 nm工藝技術，將能使得三星在先進工藝方面與臺積電及英特爾進行抗衡，甚至超越。而且，能夠解決晶片製造縮小過程中所帶來的工程難題，以延續摩爾定律的持續發展。rL6EETC-電子工程專輯

國際商業戰略諮詢公司（International Business Strategies）執行長 Handel Jones 表示，目前三星正透過強大的材料研究讓晶圓製造技術獲得發展。而在 GAA 的技術發展，三星大約領先臺積電一年，英特爾封面則落後三星 2~3 年。三星也強調，GAA 技術的發展能夠期待未來有更好的圖形技術，人工智慧及其他計算的進步，以確保未來包括智慧型手機、手錶、汽車、以及智能家庭產品都能夠有更好的效能。rL6EETC-電子工程專輯

而從三星的介紹來看，GAA 技術有可能根據鰭片尺寸和形態的不同，面向不同的客戶。三星指出，垂直於柵極的納米線或者納米片的形態將是影響最終產品功率和性能特徵的關鍵指標，納米片和納米線的寬度越寬，那麼溝道尺寸和面積就越大，相應的性能越好，功率表現就越出色。三星在其 PDK 設計中提供了四種不同的方案，可以在一個晶片中不同地區使用，也可以直接使用於製造整個晶片。rL6EETC-電子工程專輯

臺積電與三星的下一個戰場：1.5納米

2019 年，摩根大通的報告表示，半導體設備廠阿斯麥爾（ASML）確認 1.5nm 工藝的發展性，支撐摩爾定律延續至 2030 年。重量級分析師一致預期，臺積電與三星新一輪軍備競賽將開打，並以工藝領先的臺積電勝算較大。rL6EETC-電子工程專輯

此外，ASML將在 3nm 與更先進工藝採用高數值孔徑（NA）光學系統；過去ASML為發展 NA 系統，收購德國卡爾蔡司子公司蔡司半導體。如今外資圈消息進一步證實，ASML將拓展 3nm 以下技術。rL6EETC-電子工程專輯

異康集團暨青興資本首席顧問楊應超解讀，ASML技術進展是半導體業一大突破，有利整個大產業。而在 7nm 已開打軍備競賽的臺積電和三星，戰況將更激烈。rL6EETC-電子工程專輯

Substance Capital 合伙人暨基金經理人陳慧明指出，臺積電能維持產業龍頭地位，靠的是工藝不斷進步，因此艾斯摩爾開展 1.5nm 工藝，不僅有利臺積電鞏固優勢，「對第一名最有利」。rL6EETC-電子工程專輯

責編：Luffy LiurL6EETC-電子工程專輯

本文綜合自新浪科技、DIGITIMES、中國科技新聞網報導rL6EETC-電子工程專輯

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