微縮實力驚人 臺積3納米續沿用FinFET電晶體製程

臺積電終於在今年第一季的法人說明會裡，透露了其3納米將採取的技術架構，而出乎大家意料的，他們將繼續採取目前的「FinFET」電晶體技術。而這代表了臺積電的製程微縮能力遠超乎市場想像，3納米仍不是其極限所在。
當製程下探，電路無可避免的會遭遇到控制的困難，產生如漏電、電壓不穩定等的短通道效應（Short-channel Effects）。而為了有效抑制短通道效應，儘可能的增加電路的面積，提高電子流動的穩定性，就是半導體製造業者重要的考慮，而鰭式電晶體（FinFET）架構就因此而生。
FinFET運用立體的結構，增加了電路閘極的接觸面積，進而讓電路更加穩定，同時也達成了半導體製程持續微縮的目標。但這個立體結構的微縮也非無極限，一但走到了更低的製程之後，必定要轉採其他的技術，否則摩爾定律就會就此打住。
也因此，三星電子（Samsung）在2019年就宣布，將在3納米製程世代，改採閘極全環（Gate-All-Around，GAA）的技術，作為他們FinFET之後的接班製程；無獨有偶，目前的半導體龍頭英特爾（Intel），也在不久前宣布，將投入GAA技術的開發，並預計在2023年推出採用GAA製程技術的5納米晶片。
由於世界前兩大的半導體廠都相繼宣布投入GAA的懷抱，因此更讓人篤定，也許3納米將會是GAA的時代了，因為至3納米製程，FinFET電晶體就可能面臨瓶頸，必須被迫進入下個世代。

續用FinFET架構 帶來雙贏局面

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202006/413904.htm

但唯獨臺積電，仍將在3納米世代延續FinFET電晶體的技術。
而就如同所有的業者，臺積電的選擇考慮也是商業決策下的結果。而他們能做下這個決定，多少也意味著他們確認了3納米並非FinFET技術的瓶頸，甚至還非常有自信能夠在相同的FinFET技術下，在3納米製程裡取得水平以上的良率。這也代表著臺積電的微縮技術遠超過其他的晶片製造商。
所以臺積電將會在相同的製程技術與製造流程下，進入3納米世代，也因此他們不用變動太多的生產工具，也能有較具優勢的成本結構。而對客戶來說，也將不用有太多的設計變更，也有助於客戶降低生產的成本。若最終的產品性能還能與競爭對手平起平坐，那臺積電可能又將在3納米產品世代再勝一籌。
尤其是對客戶來說，在先進位程的開發裡變更設計，無論是改變設計工具或者是驗證和測試的流程，都會是龐大的成本，時間和金錢都是。因此若能維持當前的設計體系，對臺積電和客戶來說，都會是個雙贏局面。

晶片效能決定市場價值 FinFET還能走多遠？

剩下的問題，就是誰的效能表現比較好，而這個答案只有在2022年3納米晶片量產之後才會知道。由於最先進位程的產品，都是運用在最高階的產品上，這些產品的價格高，因此成本相對較不明顯，一旦效能優勢無法凸顯，就會失去消費者的支持，進而失去訂單。
過往的三星電子就數次面臨此一局面。儘管他們的價格較低，但是產品的效能始終無法超越臺積電，因此一流的大廠都轉往臺積電投單，讓他們在高階晶圓代工的市場上頻頻失利。
因此進入3納米世代後，若三星的GAA製程在效能上可以勝過臺積的FinFET，即使價格較高，都可能反轉當前的先進晶片代工的市場局面。


 
圖1 : FinFET技術的片狀結構成功延續了摩爾定律，但還能走多遠？。

另外一個問題，就是FinFET技術還能延續多久？如果3納米不是瓶頸，那會是哪裡？
所幸，目前的可能的答案也只剩下兩個，如果不是2納米，就是1納米。但無論是哪一個，都要很多年以後才會知道。但我們可從過去臺積電的發言來看，他們對於微縮技術相當有信心，認為做到1納米也不是問題，0.1納米都可以挑戰看看。
再對照他們在3納米世代所採取的策略，我們更可以大膽預測，也許要走到1納米世代，才能摸清楚臺積電的能耐，但那已經是一個完全無法想像的超級先進晶片製造技術。

新架構接連問世 布局2納米製程

然而，FinFET製程終究會步入它的物理極限，接班技術的布局也應該要開始策動，而目前看起來，採用加大閘極電路面積的GAA技術會是最可能選項，其中Nanosheet FET又會是最適合的製程，目前三星也是採用此一結構，作為其3納米世代的核心技術。
當然Nanosheet FET也不是唯一的選項，目前仍有許多的研究機構針對3納米之後的晶片製程技術進行研究。例如愛美科（imec）日前也宣布了一個名為「Forksheet FET」的技術，用以在2納米的晶片製造。
依據愛美科的數據，在「Forksheet FET」結構中，nFET和pFET被整合在同一個結構中，其中有一個介電牆把nFET和pFET分開。它也跟目前的GAA製程完全不同，也將使用不同的裝置來生產nFETs和pFETs。這個技術的優勢就在於它有更緊密的n到p的間距，並減少面積縮放。與Nanosheet FET相比，在相同的製程下，Forksheet FET的電路更加緊湊（42nm vs 45nm）。

 
圖2 : 與Nanosheet FET相比，在相同的製程下，Forksheet FET的電路更加緊湊。（Source：imec）

除此之外，愛美科也在研發一種稱為CFET（Complementary FETs）的技術，它是另外一種GAA的架構，為針對2納米以下製程所開發。該技術由兩個分開的Nanowire FET所組成（n型和p型），是一種把p型納米線迭在n型納米在線的結構。
透過這種迭加的形式，CFET等於是實現了一種「折迭（folding）」的概念，藉此消除了n到p分開的瓶頸，同時也減少了運作單元活動區域（cell active area）面積達到2倍之多。
目前這些仍在研發中的技術都有更自的挑戰待突破，包含散熱的控制和製造成本等，但可以確定的就是，對於2納米之後的晶片製造，現在已有數項技術正在進行中，同時也不會是遙不可及。

結語

從現在分歧的製程技術採用決策來看，顯然半導體製造商在3納米之後的晶片製造，已經面臨了需要轉進新架構的挑戰，而且目前仍未有主宰的技術出現。
當此之時，除了製造商需要各顯本事之外，如何從技術與成本中取得最大的利基，將是競爭的關鍵所在。特別是先進半導體製造的成本十分高昂，若不能在生產技術與製造成本中取得較佳的平衡，未來的發展也將會非常艱辛，再加上半導體的製造供應鏈牽連體大，不僅是製造設備，也包含設計工具和檢驗測試的部分，若不能有一致性的解決方案，想要一枝獨秀也將是非常困難。