這些年來,臺積電和三星這兩位老對手一直在芯片工藝制程方面你追我趕,都想搶占3nm芯片的市場高地。

但可惜的是,這次他們似乎不約而同的困在了“瓶頸期”。近日,據外媒報道,臺積電和三星在3nm制程工藝方面的研發均遇到了挑戰,陷入了不同的關鍵技術難題,研發進度也不得不推遲。

3nm成為競爭關鍵點 據臺積電CEO魏哲家此前透露,臺積電的3nm工藝仍將采用成熟的鰭式場效應晶體管技術(FinFET)。而三星卻打算另辟蹊徑,將采用環繞柵極晶體管技術(GAA)進行3nm工藝制程的研發,3nm儼然已經成為兩者決勝的主戰場。

那么,他們為什么要選擇3nm一決勝負?還需要從去年說起。

2019年,三星7nm EUV技術得到了改善,隨后借此壓低價格,搶走了原屬于臺積電的部分訂單和客戶(包括英偉達和IBM)。盡管如此,三星還是無法在7nm上超越臺積電。無奈之下,三星只能將目光放在下一代先進制程。

但是,它選擇的卻不是5nm。 原因也不難分析,臺積電從去年中上旬開始大批量產5nm芯片,而三星在去年中旬才完成韓國華城5nm生產工廠V1的建設工作,目前尚未實現大規模生產。由此可以看出,三星在5nm進度上暫時落后臺積電一些,并且三星還將錯過首批5nm工藝的芯片訂單大潮,損失巨大。 因此,目前臺積電在各方面都位于制高點,步步落后的三星只能寄希望于下個制程工藝——3nm。

三星憑什么“彎道超車”? 

5nm之爭中落后的三星竟然有底氣在3nm戰場中超越臺積電,原來早已準備好了“殺手锏“。

此前,三星曾宣稱3nm工藝時代不再使用FinFET晶體管,而是使用全新的晶體管結構——GAA(Gate-All-Around環繞柵極)晶體管,通過使用納米片設備制造出了MBCFET(Multi-Bridge-Channel FET,多橋-通道場效應管),該技術可以顯著增強晶體管性能,主要取代FinFET晶體管技術。

現在,各廠商的芯片先進制程大多采用立體結構,也就是鰭式場效應晶體管技術(FinFET)。該結構的通道是豎立的,被閘級重重包圍,看起來形狀很像魚的鰭部。并且該結構可以在閘極偏壓時有效調控通道電位,開關特性也因此得到改良。

但是,FinFET在經歷7nm后,深寬比(aspectratio)不斷拉高,已經讓前段制程逼近物理極限。如果再繼續用FinFET技術進行微縮,芯片的內部結構會出現一些問題,并且電性的有效提升效果很可能大不如前。

為了解決上述問題,環繞柵極晶體管技術(GAA)才由此誕生。GAA調整了晶體管的尺寸,以確保柵極也位于通道下方,而不僅僅在頂部和側面。這允許GAA設計垂直堆疊晶體管,而不是橫向堆疊晶體管。據悉,GAA架構可更精準地控制信道電流,同時還能縮小芯片面積、降低耗電量。

根據三星給出的數據,下一代GAA晶體管可以提高30%性能、減少45%面積、降低50%的能耗,堪稱三星決勝3nm的殺手锏。

決勝3nm面臨的挑戰 對于芯片來說,縮小制程會讓晶體管柵極變窄,可以大大降低功耗,但同時也會成倍增加集成難度和研發成本。

3nm是一個逼近物理極限的節點,將芯片制程微縮至3nm以下后,如何讓芯片內部信號有效傳遞是一大關鍵;設計完成后,如何確保驗證和仿真流程的時間成本不會大幅增加,也是芯片設計的一大挑戰;此外,在做出更小的線寬線距之后,量產和良率拉抬也是非常困難的事。以上問題都需要制程技術的不斷優化,3nm以后可能會出現多種新型互連技術,用以解決上述問題。

與此同時,芯片制程工藝縮小到3nm后,所采用的新型晶體管也是新的挑戰。進入3nm時代后,意味著電子元器件將開始更新換代,代工廠也將對新型晶體管展開大幅度投入。盡管目前三星、英特爾等巨頭都將GAA納入計算范圍,但是想要在在3nm初期階段就采用新型晶體管,還需要考慮市場能否接納這種大批量的更新換代。

不止是新型晶體管,甚至原材料也將發生劇變。

此前,臺積電曾表示,在材料方面,III-V族材料可以提升晶體管的速度,也有可能會代替傳統的硅作為晶體管的通道材料。并且據相關報道稱,III-V化合物還可以取代FinFET上的硅鰭片。這是因為III-V族化合物半導體沒有明顯的物理缺陷,而且跟目前的硅芯片工藝相似,很多現有的技術都可以應用到新材料上。此外,GAA工藝還需要導入新材料InAsGe nanowire and Siliconnanowire,這會導致制程技術難度大大增加,尤其是在蝕刻部分。 與以上內容相比,設備上的挑戰似乎看起來就沒那么難了,但也不容忽視。

當芯片工藝進入3nm后,與之相關的EUV技術也將隨之改變。據悉,3nm EUV也許會采用多重曝光的方式,或將分為三個方向:第一、把單次曝光的工程系數維持為0．29;第二、聯合兩次曝光(LELE技術)和把工程系數改為0．39的曝光技術;第三、利用三次曝光(LELELE)技術),EUV曝光設備(EUV scanner)需要再次改良。因此,EUV曝光技術的研發必不可少。

與此同時,當前EUV的產業鏈也不夠完善,而Pellicle薄膜、EUV掩膜、光源功率以及檢測掩膜的缺陷等都將影響EUV技術在先進工藝上的使用。

編輯寄語: 在科技行業,得芯片者,得“天下”。先進制程競爭的背后,更是各大芯片公司之間的競爭。

盡管三星聲稱將在3nm超越臺積電,但是實際情況如何還需靜候局勢發展。臺積電2021年計劃拿下ASML超過三分之一的供貨,EUV光刻機臺數預計將達55臺,而三星2021年計劃購入的EUV光刻機還不到25臺。因此,從初步產量上來說,三星想要反超臺積電還是有一定難度。但是三星壕擲7900億元用于彌補此差距后,勝負依然難料。

并且3nm也不是先進制程的終點,臺積電對于下一步的2nm工藝制程也早有部署。據報道,臺積電計劃采用多橋通道場效應晶體管技術(MBCFET)用于2nm工藝。 道高一尺,魔高一丈。想要真正實現“彎道超車”,三星還需經歷多重挑戰。