台積電與三星的3nm之爭

來源：內容由 公眾號 半導體行業觀察 （ID：icbank）原創，謝謝！

4月18日，在台積電召開第一季度財報會議中，台積電指出3nm技術已經進入全面開發的階段。5月15日，三星在Foundry Forum活動中，發布了公司第一款3nm工藝的產品設計套件。由此看來，在英特爾還在糾結10nm如何向前發展之際。先進工藝的戰火已經在台積電和三星的推動下，燃燒到了3nm。

去年，三星的Foundry Forum活動中強調了先進封裝的重要性；今年，三星的Foundry Forum則將重點放在了先進位程的進度上。就此，我們也能夠很明顯地感受到，三星與台積電之間的競爭越發激烈。

戰略部署：3nm何時到來？

在先進位程方面，台積電和三星的關係可以說是針尖對麥芒，兩者之間的龍爭虎鬥也著實精彩。2015~2016年，三星Foundry先進位程能力的逐步成熟，從台積電那裡奪得了不少大客戶訂單。2016~2017年，台積電先進位程的進一步成熟，並憑藉InFO技術獨攬蘋果大單。2017年，三星又宣布將晶圓代工部分獨立，擴大純晶圓代工業務份額，直接對標台積電。至此以後，兩者之間關於先進位程的搶灘戰越來越激烈。

就目前公開的消息來看，台積電和三星都已經透露了一些關於3nm工藝節點上的進展。目前來看，5nm、3nm節點主要面向FPGA等高性能計算領域，智能處理器和5G晶元。而2019年被視為是5G商用元年，在接下來的兩三年中，5G將會被大規模使用。或許，這也是兩大晶圓代工龍頭紛紛選擇透露3nm進程的誘因之一。

2018年12月，據台灣媒體報道稱，台積電的3nm晶圓廠方案已經獲得台灣主管部門批准，選址台灣南部科技園區。據悉，台積電3nm工廠建設預計會花費超過200億美元，同時有望帶動相關供應商跟進建廠。依照台積電規劃藍圖，3nm應可在2021年試產、2022年量產，成為全球第一家提供晶圓代工服務，同時解決很多AI人工智慧晶元功效更強大的晶圓代工廠。

前不久，三星也公布了未來的製程工藝路線圖，公司計劃今年推出7nm EUV工藝，明年有5/4nm EUV工藝，2020年則會推出3nm EUV工藝，同時晶體管類型也會從FinFET轉向GAA結構。據悉，三星3GAE工藝中還在開發當中，不過他們4月份就發布了3GAE工藝的PDK 1.0工藝設計套件，旨在幫助客戶儘早開始設計工作，提高設計競爭力，同時縮短周轉時間（TAT）。

基於GAA的工藝節點有望在下一代應用中廣泛採用，例如移動、網路通訊、汽車電子、人工智慧（AI）和IoT物聯網等。三星還透露，通過使用全新的晶體管結構可使性能提升35%、功耗降低50%，晶元面積縮小45%。不過，三星官方沒有明確3GAE工藝量產時間，但根據市場猜測，三星3nm在2021年實現量產是大概率事件。

而就以上消息來看，三星將早於台積電一年推出3nm工藝。誰能更快地推出可靠的新工藝，誰就有可能掌握在該製程上的最大話語權。為了能夠贏得3nm這場搶灘戰的勝利，都需要哪些技術來助攻？

助攻一：晶體管結構

目前，先進位程多數採用立體結構，即"FinFET"（鰭式場效晶體管），此結構的通道是豎起來而被閘極給包圍起來的，因為形狀像魚類的鰭而得名，如此一來閘極偏壓便能有效調控通道電位，因而改良開關特性。但是FinFET在經歷14/16nm、7/10nm階段後，不斷拉高的深寬比(aspect ratio)讓前段製程已逼近物理極限，再繼續微縮的話，先不提電性是否還能有效提升，就結構而言就已有許多問題。

為了擴展，通道和柵極之間的接觸面積需要增加，Gate-All-Around（GAA）設計被提了出來。GAA調整了晶體管的尺寸，以確保柵極也位於通道下方，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。

三星方面，據公開消息整理，三星與IBM合作開發了GAAFET（Gate-All-Around）工藝節點，同時，三星也已宣布對早期工藝進行定製。三星Foundry市場副總裁Ryan Sanghyun Lee稱，自2002年以來，三星一直在開發其GAA技術的專有實現，稱為多橋通道FET（MBCFET）。該公司指出，其MBCFET技術使用納米片器件來增強柵極控制，這可以顯著改善晶體管的性能。據悉，它可以通過用納米片代替Gate All Around的納米線來實現每堆更大的電流。取代增加了傳導面積，允許增加更多的柵極而不增加橫向足跡。三星聲稱MBCFET的設計將改善工藝的開關行為，並允許處理器將工作電壓降至0.75V以下。MBCFET的關鍵點在於該工藝與FinFET設計完全兼容，不需要任何新的製造工具。

在前不久三星舉行的Foundry Forum上，三星稱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製造出了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。

在台積電方面，官方公布有關於3nm技術方面的消息較少。據芯科技消息稱，台積電3nm製程技術已進入實驗階段，業內人士更透露，3nm製程在"Gate All Around(GAA) "、環繞式閘極技術上已有新突破。業內人士進一步表示，台積電已經做出環繞式閘極的結構，外型就像類圓形般，但因為尺寸比前一代縮小30%，也必須導入新材料InAsGe nanowire and Silicon nanowire，因此製程技術上相當困難，尤其是在蝕刻部分是大挑戰，不過以優勢來說，環繞式閘極的結構將可以改善ESD靜電放電、且優化尖端放電的問題，材料廠的高管也認為，環繞式閘極的結構得以繼續微縮柵長尺寸。

由此可見，GAA架構將成為3nm工藝上不可缺少的技術。

助攻二：EUV

在上文三星所提到的先進位程路線圖時，我們不止一次看到了EUV的身影。同時，我們也通過台積電在今年來的動作上，發現了EUV對於先進位程能夠得到進一步發展的重要性——前不久，台積電宣布已完成其5納米工藝節點的基礎設施設計，該節點將利用該公司的第二代極紫外（EUV）以及深紫外（DUV）光刻技術。

據Techshop消息稱，從3月底開始，台積電準備開始使用極紫外光刻技術批量生產7nm晶圓。ASML已經為台積電在2019年計劃的30個系統中分配了18個。接下來，台積電的7nm EUV產量將全面運行，該公司的5nm工藝將轉向風險生產狀態。EUV將繼續用於5nm，預計可行至3nm。到2019年底，台積電將在5nm節點上進行晶元設計，預計到2020年初量產。據悉，2018年，7nm EUV僅佔台積電銷售額的9％。今年，新工藝有望占其總銷售額的四分之一。

在三星方面，去年 10 月，三星就宣布了準備初步生產 7nm 工藝，這是三星首個採用 EUV 光刻技術的工藝節點。據悉，三星已提供業界首批基於EUV的新產品的商業樣品，並於今年年初開始量產 7nm 工藝。與其前身的10nm FinFET相比，三星的7LPP技術不僅大大降低了工藝複雜性，而且層數更少，產量更高，而且面積效率提高了40％，性能提高了20％，功耗降低了50％。到2020年，三星希望通過新的EUV系列為需要大批量生產下一代晶元設計的客戶提供額外的容量。作為EUV的先驅，三星還開發了專有功能，例如獨特的掩模檢測工具，可在EUV掩模中執行早期缺陷檢測，從而可以在製造周期的早期消除這些缺陷。據悉，三星位於韓國華成的S3生產線正在生產基於EUV的工藝的晶元產品。此外，三星還在華城部署了新的EUV生產線，該生產線預計將在2019年下半年完成，並從明年開始增產。

助攻三：封裝

除此之外，先進封裝也是各大代工廠的主攻方向。

此前有媒體報道稱，台積電完成全球首顆3D IC封裝，預計將於2021年量產。台積電此次揭露3D IC封裝技術成功，正揭開半導體製程的新世代。目前業界認為，此技術主要為是為了應用在 5 納米以下先進位程，並為客制化異質晶元鋪路，當然也更加鞏固蘋果訂單。Digitimes的研究也指出，為了搭配先進位程微縮及異質晶元整合趨勢，台積電研發整合的10nm邏輯晶元及DRAM的整合扇出層疊封裝(InFO-PoP)，以及12nm系統單晶元與8層HBM2存儲器的CoWoS封裝等均進入量產，並推出整合多顆單晶元的整合扇出型基板封裝(InFO-oS)、整合扇出存儲器基板封裝(InFO-MS)、整合扇出天線封裝(InFO-AIP)等新技術。

三星推出了可與台積電晶圓級扇出型封裝（InFO）抗衡的FOPLP-PoP封裝，其目標2019年前為新製程建立量產系統，藉此贏回蘋果供應訂單。但DIGITIMES認為，FOPLP 仍面臨不小的挑戰，以目前 FOPLP 剛起步的狀況來看，經濟規模將是技術普及的最大挑戰，在初期良率還不夠好的狀態下，FOPLP 產能要達到理想的成本優勢，短期內恐不易達成。在其他先進封裝上，針對2.5D封裝，三星推出了可與台積電CoWoS封裝製程相抗衡的I-Cube封裝製程，在2019年三星晶圓代工論壇上，該公司的FD-SOI（FDS）流程和eMRAM的擴展以及一系列最先進的封裝解決方案也在今年的Foundry論壇上亮相。據悉，三星今年將完成28FDS工藝，18FDS和1Gb容量eMRAM的繼任者的開發。

投資規模

無論是晶體管架構，還是EUV，亦或是先進封裝，都是先進位程在向前發展的過程中不可缺少的技術。但每一項技術，都需要大量的資金來做支持。

國際商業戰略（IBS）首席執行官漢德爾?瓊斯（Handel Jones）曾表示，「該行業需要大幅增加功能，並小幅增加晶體管成本，以證明使用3納米。3nm工藝開發成本將達到40億至50億美元，而每月40,000片晶圓的晶圓廠成本將達到150億至200億美元。」

為此，三星電子於4月24日宣布，三星電子將在2030年投資1150億美元用於系統半導體領域的研發和生產技術。根據已批准的未來12年計劃，這1150億美元中，將投資73萬億韓元（634億美元）用於韓國的研發（這可能意味著晶元研發和工藝技術的研發），60萬億韓元（521億美元）將投資於用於製造邏輯晶元的生產設施和基礎設施為各種客戶。

台積電方面，根據台積電14日董事會消息稱，台積電通過了1,217.81億元資本預算，除升級先進位程產能外，也用於轉換部分邏輯製程產能為特殊製程產能。台積電預定今年度資本支出金額約100億美元至110億美元，其中80%經費將用於3 納米、5納米及7納米先進位程技術。台積電預期，今年7納米與第二代7納米製程將貢獻約25%業績。另外有10%經費用於先進封裝與光罩，10%用於特殊製程。

三星與台積電除了在3nm製程上爭奪激烈，在其他先進位程方面的碰撞也不少。自2019年以來，台積電接連發布了6nm、5nm、5nm+的發展路線。三星方面，雖在7nm的進度上稍顯遜色，但其EUV技術卻不容小覷。另外，從本次三星積極布局3nm的動作上來看，也許，三星正在企圖利用3nm技術來反超台積電。

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