576
这些年来，台积电和三星这两位老对手一直在芯片工艺制程方面你追我赶，都想抢占 3nm 芯片的市场高地。 但可惜的是，这次他们似乎不约而同的困在了“瓶颈期”。
近日，据外媒报道，台积电和三星在 3nm 制程工艺方面的研发均遇到了挑战，陷入了不同的关键技术难题，研发进度也不得不推迟。
3nm 成为竞争关键点 据台积电 CEO 魏哲家此前透露，台积电的 3nm 工艺仍将采用成熟的鳍式场效应晶体管技术（FinFET）。而三星却打算另辟蹊径，将采用环绕栅极晶体管技术（GAA）进行 3nm 工艺制程的研发，3nm 俨然已经成为两者决胜的主战场。
那么，他们为什么要选择 3nm 一决胜负？还需要从去年说起。 2019 年，三星 7nm EUV 技术得到了改善，随后借此压低价格，抢走了原属于台积电的部分订单和客户（包括英伟达和 IBM）。尽管如此，三星还是无法在 7nm 上超越台积电。
无奈之下，三星只能将目光放在下一代先进制程。但是，它选择的却不是 5nm。 原因也不难分析，台积电从去年中上旬开始大批量产 5nm 芯片，而三星在去年中旬才完成韩国华城 5nm 生产工厂 V1 的建设工作，目前尚未实现大规模生产。
由此可以看出，三星在 5nm 进度上暂时落后台积电一些，并且三星还将错过首批 5nm 工艺的芯片订单大潮，损失巨大。 因此，目前台积电在各方面都位于制高点，步步落后的三星只能寄希望于下个制程工艺——3nm。 三星凭什么“弯道超车”？ 5nm 之争中落后的三星竟然有底气在 3nm 战场中超越台积电，原来早已准备好了“杀手锏“。
此前，三星曾宣称 3nm 工艺时代不再使用 FinFET 晶体管，而是使用全新的晶体管结构——GAA（Gate-All-Around 环绕栅极）晶体管，通过使用纳米片设备制造出了 MBCFET（Multi-Bridge-Channel FET，多桥 - 通道场效应管），该技术可以显著增强晶体管性能，主要取代 FinFET 晶体管技术。
现在，各厂商的芯片先进制程大多采用立体结构，也就是鳍式场效应晶体管技术（FinFET）。该结构的通道是竖立的，被闸级重重包围，看起来形状很像鱼的鳍部。并且该结构可以在闸极偏压时有效调控通道电位，开关特性也因此得到改良。 但是，FinFET 在经历 7nm 后，深宽比(aspectratio)不断拉高，已经让前段制程逼近物理极限。如果再继续用 FinFET 技术进行微缩，芯片的内部结构会出现一些问题，并且电性的有效提升效果很可能大不如前。
为了解决上述问题，环绕栅极晶体管技术（GAA）才由此诞生。GAA 调整了晶体管的尺寸，以确保栅极也位于通道下方，而不仅仅在顶部和侧面。这允许 GAA 设计垂直堆叠晶体管，而不是横向堆叠晶体管。据悉，GAA 架构可更精准地控制信道电流，同时还能缩小芯片面积、降低耗电量。 根据三星给出的数据，下一代 GAA 晶体管可以提高 30%性能、减少 45%面积、降低 50%的能耗，堪称三星决胜 3nm 的杀手锏。
决胜 3nm 面临的挑战 对于芯片来说，缩小制程会让晶体管栅极变窄，可以大大降低功耗，但同时也会成倍增加集成难度和研发成本。
3nm 是一个逼近物理极限的节点，将芯片制程微缩至 3nm 以下后，如何让芯片内部信号有效传递是一大关键；设计完成后，如何确保验证和仿真流程的时间成本不会大幅增加，也是芯片设计的一大挑战；此外，在做出更小的线宽线距之后，量产和良率拉抬也是非常困难的事。以上问题都需要制程技术的不断优化，3nm 以后可能会出现多种新型互连技术，用以解决上述问题。
与此同时，芯片制程工艺缩小到 3nm 后，所采用的新型晶体管也是新的挑战。进入 3nm 时代后，意味着电子元器件将开始更新换代，代工厂也将对新型晶体管展开大幅度投入。尽管目前三星、英特尔等巨头都将 GAA 纳入计算范围，但是想要在在 3nm 初期阶段就采用新型晶体管，还需要考虑市场能否接纳这种大批量的更新换代。
不止是新型晶体管，甚至原材料也将发生剧变。 此前，台积电曾表示，在材料方面，III-V 族材料可以提升晶体管的速度，也有可能会代替传统的硅作为晶体管的通道材料。并且据相关报道称，III-V 化合物还可以取代 FinFET 上的硅鳍片。这是因为 III-V 族化合物半导体没有明显的物理缺陷，而且跟目前的硅芯片工艺相似，很多现有的技术都可以应用到新材料上。此外，GAA 工艺还需要导入新材料 InAsGe nanowire and Siliconnanowire，这会导致制程技术难度大大增加，尤其是在蚀刻部分。
与以上内容相比，设备上的挑战似乎看起来就没那么难了，但也不容忽视。 当芯片工艺进入 3nm 后，与之相关的 EUV 技术也将随之改变。
据悉，3nm EUV 也许会采用多重曝光的方式，或将分为三个方向：第一、把单次曝光的工程系数维持为 0.29；第二、联合两次曝光（LELE 技术）和把工程系数改为 0.39 的曝光技术；第三、利用三次曝光（LELELE）技术），EUV 曝光设备（EUV scanner）需要再次改良。因此，EUV 曝光技术的研发必不可少。 与此同时，当前 EUV 的产业链也不够完善，而 Pellicle 薄膜、EUV 掩膜、光源功率以及检测掩膜的缺陷等都将影响 EUV 技术在先进工艺上的使用。 编辑寄语： 在科技行业，得芯片者，得“天下”。先进制程竞争的背后，更是各大芯片公司之间的竞争。
尽管三星声称将在 3nm 超越台积电，但是实际情况如何还需静候局势发展。台积电 2021 年计划拿下 ASML 超过三分之一的供货，EUV 光刻机台数预计将达 55 台，而三星 2021 年计划购入的 EUV 光刻机还不到 25 台。
因此，从初步产量上来说，三星想要反超台积电还是有一定难度。但是三星壕掷 7900 亿元用于弥补此差距后，胜负依然难料。 并且 3nm 也不是先进制程的终点，台积电对于下一步的 2nm 工艺制程也早有部署。据报道，台积电计划采用多桥通道场效应晶体管技术（MBCFET）用于 2nm 工艺。 道高一尺，魔高一丈。想要真正实现“弯道超车”，三星还需经历多重挑战。
下载ECAD模型
