突破！三星宣布3nm芯片成功流片

三星距离台积电又近了一步！据外媒最新报道，三星宣布3nm制程技术已经正式流片。

报道显示，三星3nm制程采用的是GAA架构，从性能角度来说，要胜于台积电3nm采用的FinFET架构。但由于采用的是GAA架构而非FinFET架构，因此三星需要新的设计和认证工具，从而采用了新思科技的Fusion Design Platform，目的在于加速为GAA架构的生产流程提供高度优化的参考方法。

据三星介绍，3nm与5nm制造工艺相比，3nm GAA技术的逻辑面积效率提高了35％以上，功耗降低了50％，性能提高了约30％。

三星代工设计技术团队副总裁Sangyun Kim表示：“三星代工是推动下一阶段行业创新的核心，我们不断进行基于工艺技术的发展，以满足专业和广泛市场应用不断增长的需求。我们最新的、先进的3nm GAA工艺受益于我们与新思科技的广泛合作，Fusion Design Platform加速准备以有效实现3nm工艺的承诺，证明了这些关键联盟的重要性和好处。”

当然，引起业内广泛关注的不止是3nm制程带来的性能提升，还有三星在GAA架构上的大胆尝试。为什么三星会采用GAA架构，而不跟随台积电走FinFET的道路呢？

众所周知，半导体工艺制程在进入32nm以下的节点后每一步都充满艰辛，科学家和工程师们在过去的数年间也发明了各种各样的增强技术来对抗继续微缩尺度所带来的不确定性，但量子效应始终是拦在先进制程路上的拦路虎。如今已经进入7nm、5nm时代，如果要进一步向更小尺寸的工艺节点前行的话，又有新的麻烦。

现有半导体制造的主流工艺大都采用“鳍片晶体管”也就是FinFET技术进行，它成功地延续了22nm以下数代半导体工艺的发展。从技术发展角度来看，平面晶体管在尺寸缩小至22nm后，漏电流控制将变得很困难。这是因为“势垒隧道效应”导致了电流泄露。

所谓“势垒隧道效应”是指虽然源极和漏极被绝缘的物体隔开无法导通，但是在绝缘层越来越薄之后，源极和漏极之间的距离也越来越近，最终两者过于靠近，稍微施加电压就会使得电子以概率的方式穿透绝缘层到达另外一端，这就带来了漏电流和功耗问题。解决问题的方法就是FinFET，也就是将漏极和源极“立起来”，栅极再垂直构造，形成了经典的FinFET“鳍片”结构。这种经典的结构不但在很大程度上增厚了绝缘层、解决了平面晶体管的隧道效应，还为栅极带来了更多有效的接触面，使得电流阻碍降低，发热也随之下降。

从22nm时代开始，FinFET就成为各家厂商用于缩小晶体管尺寸的法宝。不过再好的法宝也有失效的一天。随着晶体管尺度向5nm甚至3nm迈进，FinFET本身的尺寸已经缩小至极限后，无论是鳍片距离、短沟道效应、还是漏电和材料极限也使得晶体管制造变得岌岌可危，甚至物理结构都无法完成。

一个典型的例子就是，在5nm之后，FinFET几乎已经达到了物理极限，其不断拉高的深度和宽度之比（为了避免短沟道效应，鳍片的宽度应该小于栅极长度的0．7倍），将使得鳍片难以在本身材料内部应力的作用下维持直立形态，尤其是在能量更高的EUV制程导入之后，这样的状况会更为严重，甚至光子在如此小的尺度下将呈现量子效应从而带来大量的曝光噪音，严重影响了产品的质量和性能。另外，栅极距过小将带来不可控的情况。

以英特尔工艺为例，14nm制程下，栅极距是70nm，10nm工艺下栅极距是54nm。栅极距随着工艺演进而不断缩小，IMEC的模拟显示，栅极距在现有FinFET技术下的极限是42nm，制程达到5nm甚至3nm时，栅极距还会缩小，当小于42nm时，人们引以为傲的FinFET将无法继续使用下去。

当FinFET在5nm以下的技术节点包括3nm、1.5nm上出现各种问题，甚至彻底失效的时候，人们应该如何制造晶体管密度更高、单个晶体管典型尺寸更小的芯片呢？这也是为什么此次三星采用了GAA架构推进3nm制程的原因。

所谓的GAA架构，是一个周边环绕着Gate的FinFET架构，依照专家的观点，GAA架构的晶体管能够提供比FinFET更好的静电特性，可满足某些栅极宽度的需求。而这主要表现在同等尺寸结构下，GAA的沟道控制能力得以强化，藉此给予尺寸进一步微缩提供了可能性。相较传统FinFET的沟道仅 3 面被栅极包覆，GAA若以奈米线沟道设计为例，沟道的整个外轮廓都被栅极完全包裹住，这就代表着栅极对沟道的控制性能就更好。在应用了GAA技术后，业内估计基本上可以解决3nm乃至以下尺寸的半导体制造问题。

当然，目前已知的4种不同形态的GAA架构分别包括：

◆ 比较常见的纳米线技术，也就是穿透栅极的鳍片采用圆柱或者方形截面；

◆ 板片状结构多路桥接鳍片，穿透栅极的鳍片被设计成水平板状或者水平椭圆柱状（长轴和基地平行）截面；

◆ 六角形截面纳米线技术，顾名思义，纳米线的截面是六边形；

◆ 纳米环技术，穿透栅极的鳍片采用环形方案。

这四个主流技术是目前GAA研究的主流方向。三星很久之前就在发布会上详细解释了自家的GAA技术方案，说明自家采用的是板片状结构多路桥接鳍片（Multi－Bridge Channel FET，缩写为MBCFET），并根据不同的场合有不同的改变。三星认为，目前主流的纳米线GAA技术，沟道宽度较小，因此往往只能用于低功率设计，并且制造难度比较高，因此三星没有采用这种方案。并且三星认为FinFET在5nm和4nm工艺节点上都依旧有效，因此在3nm时代三星才开始使用新的MBCFET技术。

3nm进展，台积电依然领先一步

三星3nm流片成功，这对芯片行业无疑是一个重磅消息。不仅给了全球半导体更大的市场空间，也让各大巨头们开始加速3nm的研发设计。

但综合来看距离芯片代工霸主台积电还是落后一步，据悉，台积电在多年前就已开始研发并谋划3nm量产事宜。在最近几个季度的财报分析师电话会议上，台积电CEO魏哲家也有谈及这一工艺。从魏哲家透露的信息来看，他们3nm工艺的研发在按计划推进，同5nm工艺相比，3nm工艺将使晶体管的密度提升70％，性能提升15％，能耗最高可降低30％。同时魏哲家还在分析师电话会议上透露过3nm将在今年下半年风险试产，并将在2022年大规模量产的消息。结合外媒报道台积电从先后在美国投资建立5nm、3nm芯片工厂这一点也足以看出苗头，其3nm工艺成熟在望。

不出意外的话，2022年也许会迎来一波3nm芯片上市潮。对此，各位读者又是怎么看呢？