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三星為追臺(tái)積電改Roadmap:跳過4nm,直接上3nm

發(fā)布人:旺材芯片 時(shí)間:2020-07-05 來源:工程師 發(fā)布文章
在半導(dǎo)體代工領(lǐng)域,兩大巨頭臺(tái)積電和三星電子目前都已進(jìn)入5nm工藝:臺(tái)積電5nm已大規(guī)模量產(chǎn),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(chǎn)線于今年開始建設(shè),最快明年投產(chǎn)。


3nm方面臺(tái)積電在多年前就已開始謀劃,2020年為其產(chǎn)線獲得了200億美元的投資,并計(jì)劃2021年風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn),2022年上半年大規(guī)模量產(chǎn)。在6月初,甚至有外媒稱臺(tái)積電已經(jīng)開始安裝3nm工藝的生產(chǎn)線,早于此前的預(yù)期。
看起來,無論三星如何追趕,進(jìn)度都比臺(tái)積電差了那么1年左右,但7月2日,三星決定在工藝上大躍進(jìn)。
據(jù)新浪科技報(bào)道,因與其競爭對(duì)手臺(tái)積電在工藝路線上的計(jì)劃不同,三星電子將跳過4nm工藝,直接由5nm躍升至3nm環(huán)繞柵極晶體管(GAAFET)。不過,報(bào)道中并未提及3nm工藝會(huì)在何時(shí)大規(guī)模量產(chǎn)。

計(jì)劃趕不上變化


曾為蘋果代工A系列芯片的三星電子,近幾年在芯片工藝方面雖然不及臺(tái)積電,獲得的芯片代工訂單也不及臺(tái)積電,但仍是唯一能在工藝上跟上臺(tái)積電節(jié)奏的廠商。臺(tái)積電在芯片工藝方面近幾年一直走在行業(yè)前列,7nm和5nm工藝都是率先投產(chǎn),良品率也相當(dāng)可觀。

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三星的 4nm 原定于 2021 年量產(chǎn),可其真實(shí)身份無非 5nm 改良。對(duì)于三星取消的原因,一方面是 3nm 推進(jìn)順利,另一方面則是市場競爭需要,如果能搶在臺(tái)積電之前搞定技術(shù)難度更高的 3nm GAAFET,無疑將為自己爭得可觀的機(jī)會(huì)。

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三星如今的掌門人李在镕非??粗匦酒I(yè)務(wù),這一切或也得到了他的授意。此前,三星曾透露,3nm 芯片相較于 7nm FinFET,可以減少 50% 的能耗,增加 30% 的性能。
三星代工業(yè)務(wù)高級(jí)副總裁肖恩·漢日前曾對(duì)外表示,該公司5nm芯片的大規(guī)模生產(chǎn)預(yù)計(jì)將于2020年第二季度開始。
據(jù)三星電子此前發(fā)布的2020年一季度財(cái)報(bào)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(yè)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%。
有分析人士預(yù)測表示,三星電子二季度芯片營業(yè)利潤或?qū)⒊^5萬億韓元,折合人民幣約為294.2億元。

三星為什么要用 GAA?


Gate-All-Around ,也就是環(huán)繞式柵極技術(shù),簡稱為 GAA 橫向晶體管技術(shù),也可以被稱為 GAAFET。這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了柵極對(duì)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(gè)源極和漏極橫向垂直于柵極分布后,實(shí)現(xiàn) MOSFET 的基本結(jié)構(gòu)和功能。這樣設(shè)計(jì)在很大程度上解決了柵極間距尺寸減小后帶來的各種問題,包括電容效應(yīng)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(yīng)用了 GAA 技術(shù)后,業(yè)內(nèi)估計(jì)基本上可以解決 3nm 乃至以下尺寸的半導(dǎo)體制造問題。
作為一款新技術(shù),各家廠商都有自己的方案。目前已知的幾種不同形態(tài)的 GAA 鰭片結(jié)構(gòu)分別包括:
● 比較常見的納米線技術(shù),也就是穿透柵極的鰭片采用圓柱或者方形截面;● 板片狀結(jié)構(gòu)多路橋接鰭片,穿透柵極的鰭片被設(shè)計(jì)成水平板狀或者水平橢圓柱狀(長軸和基地平行)截面;● 六角形截面納米線技術(shù),顧名思義,納米線的截面是六邊形;● 納米環(huán)技術(shù),穿透柵極的鰭片采用環(huán)形方案。
而三星對(duì)外宣稱的 GAA 技術(shù)英文名為 Multi-Bridge ChannelFET,縮寫為 MBCFET,實(shí)際上就是板片狀結(jié)構(gòu)多路橋接鰭片。三星對(duì)此作出的解釋是,目前主流的納米線 GAA 技術(shù),溝道寬度較小,因此往往只能用于低功率設(shè)計(jì),并且制造難度比較高,因此三星沒有采用這種方案。并且三星認(rèn)為 FinFET 在 5nm 和 4nm 工藝節(jié)點(diǎn)上都依舊有效,因此在 3nm 時(shí)代三星才開始使用新的 MBCFET 技術(shù)。

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三星指出,預(yù)計(jì) 2021 年透過這項(xiàng)技術(shù)所推出的 3 nm工藝技術(shù),將能使得三星在先進(jìn)工藝方面與臺(tái)積電及英特爾進(jìn)行抗衡,甚至超越。而且,能夠解決芯片制造縮小過程中所帶來的工程難題,以延續(xù)摩爾定律的持續(xù)發(fā)展。
國際商業(yè)戰(zhàn)略咨詢公司(International Business Strategies)首席執(zhí)行官 Handel Jones 表示,目前三星正透過強(qiáng)大的材料研究讓晶圓制造技術(shù)獲得發(fā)展。而在 GAA 的技術(shù)發(fā)展,三星大約領(lǐng)先臺(tái)積電一年,英特爾封面則落后三星 2~3 年。三星也強(qiáng)調(diào),GAA 技術(shù)的發(fā)展能夠期待未來有更好的圖形技術(shù),人工智能及其他計(jì)算的進(jìn)步,以確保未來包括智能手機(jī)、手表、汽車、以及智能家庭產(chǎn)品都能夠有更好的效能。
而從三星的介紹來看,GAA 技術(shù)有可能根據(jù)鰭片尺寸和形態(tài)的不同,面向不同的客戶。三星指出,垂直于柵極的納米線或者納米片的形態(tài)將是影響最終產(chǎn)品功率和性能特征的關(guān)鍵指標(biāo),納米片和納米線的寬度越寬,那么溝道尺寸和面積就越大,相應(yīng)的性能越好,功率表現(xiàn)就越出色。三星在其 PDK 設(shè)計(jì)中提供了四種不同的方案,可以在一個(gè)芯片中不同地區(qū)使用,也可以直接使用于制造整個(gè)芯片。

臺(tái)積電與三星的下一個(gè)戰(zhàn)場:1.5納米


2019 年,摩根大通的報(bào)告表示,半導(dǎo)體設(shè)備廠阿斯麥爾(ASML)確認(rèn) 1.5nm 工藝的發(fā)展性,支撐摩爾定律延續(xù)至 2030 年。重量級(jí)分析師一致預(yù)期,臺(tái)積電與三星新一輪軍備競賽將開打,并以工藝領(lǐng)先的臺(tái)積電勝算較大。
此外,ASML將在 3nm 與更先進(jìn)工藝采用高數(shù)值孔徑(NA)光學(xué)系統(tǒng);過去ASML為發(fā)展 NA 系統(tǒng),收購德國卡爾蔡司子公司蔡司半導(dǎo)體。如今外資圈消息進(jìn)一步證實(shí),ASML將拓展 3nm 以下技術(shù)。
異康集團(tuán)暨青興資本首席顧問楊應(yīng)超解讀,ASML技術(shù)進(jìn)展是半導(dǎo)體業(yè)一大突破,有利整個(gè)大產(chǎn)業(yè)。而在 7nm 已開打軍備競賽的臺(tái)積電和三星,戰(zhàn)況將更激烈。
Substance Capital 合伙人暨基金經(jīng)理人陳慧明指出,臺(tái)積電能維持產(chǎn)業(yè)龍頭地位,靠的是工藝不斷進(jìn)步,因此艾斯摩爾開展 1.5nm 工藝,不僅有利臺(tái)積電鞏固優(yōu)勢,“對(duì)第一名最有利”。


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