台积电终于在今年第一季的法人说明会里，透露了其3纳米将采取的技术架构，而出乎大家意料的，他们将继续采取目前的「FinFET」晶体管技术。而这代表了台积电的制程微缩能力远超乎市场想像，3纳米仍不是其极限所在。
当制程下探，电路无可避免的会遭遇到控制的困难，产生如漏电、电压不稳定等的短通道效应（Short-channel Effects）。而为了有效抑制短通道效应，尽可能的增加电路的面积，提高电子流动的稳定性，就是半导体制造业者重要的考量，而鳍式晶体管（FinFET）架构就因此而生。
FinFET运用立体的结构，增加了电路闸极的接触面积，进而让电路更加稳定，同时也达成了半导体制程持续微缩的目标。但这个立体结构的微缩也非无极限，一但走到了更低的制程之后，必定要转采其他的技术，否则摩尔定律就会就此打住。
也因此，三星电子（Samsung）在2019年就宣布，将在3纳米制程世代，改采闸极全环（Gate-All-Around，GAA）的技术，作为他们FinFET之后的接班制程；无独有偶，目前的半导体龙头英特尔（Intel），也在不久前宣布，将投入GAA技术的开发，并预计在2023年推出采用GAA制程技术的5纳米芯片。
由于世界前两大的半导体厂都相继宣布投入GAA的怀抱，因此更让人笃定，也许3纳米将会是GAA的时代了，因为至3纳米制程，FinFET晶体管就可能面临瓶颈，必须被迫进入下个世代。
续用FinFET架构带来双赢局面
但唯独台积电，仍将在3纳米世代延续FinFET晶体管的技术。而就如同所有的业者，台积电的选择考量也是商业决策下的结果。而他们能做下这个决定，多少也意味着他们确认了3纳米并非FinFET技术的瓶颈，甚至还非常有自信能够在相同的FinFET技术下，在3纳米制程里取得水准以上的良率。这也代表着台积电的微缩技术远超过其他的芯片制造商。所以台积电将会在相同的制程技术与制造流程下，进入3纳米世代，也因此他们不用变动太多的生产工具，也能有较具优势的成本结构。而对客户来说，也将不用有太多的设计变更，也有助于客户降低生产的成本。若最终的产品性能还能与竞争对手平起平坐，那台积电可能又将在3纳米产品世代再胜一筹。尤其是对客户来说，在先进制程的开发里变更设计，无论是改变设计工具或者是验证和测试的流程，都会是庞大的成本，时间和金钱都是。因此若能维持当前的设计体系，对台积电和客户来说，都会是个双赢局面。芯片效能决定市场价值FinFET还能走多远？
剩下的问题，就是谁的效能表现比较好，而这个答案只有在2022年3纳米芯片量产之后才会知道。由于最先进制程的产品，都是运用在最高阶的产品上，这些产品的价格高，因此成本相对较不明显，一旦效能优势无法凸显，就会失去消费者的支持，进而失去订单。过往的三星电子就数次面临此一局面。尽管他们的价格较低，但是产品的效能始终无法超越台积电，因此一流的大厂都转往台积电投单，让他们在高阶晶圆代工的市场上频频失利。因此进入3纳米世代后，若三星的GAA制程在效能上可以胜过台积的FinFET，即使价格较高，都可能反转当前的先进芯片代工的市场局面。
FinFET技术的片状结构成功延续了摩尔定律，但还能走多远？。
另外一个问题，就是FinFET技术还能延续多久？如果3纳米不是瓶颈，那会是哪里？
所幸，目前的可能的答案也只剩下两个，如果不是2纳米，就是1纳米。但无论是哪一个，都要很多年以后才会知道。但我们可从过去台积电的发言来看，他们对于微缩技术相当有信心，认为做到1纳米也不是问题，0.1纳米都可以挑战看看。
再对照他们在3纳米世代所采取的策略，我们更可以大胆预测，也许要走到1纳米世代，才能摸清楚台积电的能耐，但那已经是一个完全无法想像的超级先进芯片制造技术。
新架构接连问世布局2纳米制程
然而，FinFET制程终究会步入它的物理极限，接班技术的布局也应该要开始策动，而目前看起来，采用加大闸极电路面积的GAA技术会是最可能选项，其中Nanosheet FET又会是最适合的制程，目前三星也是采用此一结构，作为其3纳米世代的核心技术。当然Nanosheet FET也不是唯一的选项，目前仍有许多的研究机构针对3纳米之后的芯片制程技术进行研究。例如爱美科（imec）日前也宣布了一个名为「Forksheet FET」的技术，用以在2纳米的芯片制造。依据爱美科的资料，在「Forksheet FET」结构中，nFET和pFET被整合在同一个结构中，其中有一个介电墙把nFET和pFET分开。它也跟目前的GAA制程完全不同，也将使用不同的装置来生产nFETs和pFETs。这个技术的优势就在于它有更紧密的n到p的间距，并减少面积缩放。与Nanosheet FET相比，在相同的制程下，Forksheet FET的电路更加紧凑（42nm vs 45nm）。
与Nanosheet FET相比，在相同的制程下，Forksheet FET的电路更加紧凑。（Source：imec）
除此之外，爱美科也在研发一种称为CFET（Complementary FETs）的技术，它是另外一种GAA的架构，为针对2纳米以下制程所开发。该技术由两个分开的Nanowire FET所组成（n型和p型），是一种把p型纳米线叠在n型纳米线上的结构。
透过这种叠加的形式，CFET等于是实现了一种「折叠（folding）」的概念，借此消除了n到p分开的瓶颈，同时也减少了运作单元活动区域（cell active area）面积达到2倍之多。
目前这些仍在研发中的技术都有更自的挑战待突破，包含散热的控制和制造成本等，但可以确定的就是，对于2纳米之后的芯片制造，现在已有数项技术正在进行中，同时也不会是遥不可及。
结 语
从现在分歧的制程技术采用决策来看，显然半导体制造商在3纳米之后的芯片制造，已经面临了需要转进新架构的挑战，而且目前仍未有主宰的技术出现。当此之时，除了制造商需要各显本事之外，如何从技术与成本中取得最大的利基，将是竞争的关键所在。特别是先进半导体制造的成本十分高昂，若不能在生产技术与制造成本中取得较佳的平衡，未来的发展也将会非常艰辛，再加上半导体的制造供应链牵连体大，不仅是制造设备，也包含设计工具和检验测试的部分，若不能有一致性的解决方案，想要一枝独秀也将是非常困难。
*博客内容为网友个人发布，仅代表博主个人观点，如有侵权请联系工作人员删除。
发布文章
