台积电3纳米成功量产，稳了吗？

　　原标题：台积电3纳米成功量产：未来与三星仍将决战鳍式场效晶体管（FinFET）
　　来源：曲博科技教室
　　作者：曲博
　　台积电在2022Q4高调宣布量产3纳米鳍式场效晶体管制程 ，是由原本的N3改良为N3B 制程良率较低的大约60~70%，较高的大约70~80%，表现相当亮眼，而计划在2023Q2或Q3量产的3纳米（N3E）制程良率更达80%以上， 而且价格更低更有竞争力。 反观三星早在2022Q2就宣布量产3纳米 环绕闸极场效晶体管（GAAFET），但是被韩国媒体爆料良率只有20%，使得台积电3纳米制程大胜三星，到底FinFET 与G AAFET有什么不同？ 未来三星又会如何应对呢？ 什么是集成电路（IC：Integrated Circuit）？
　　将电的主动元件（二极管、晶体管）与被动元件（电阻、电容、电感）缩小以后，制作在硅晶圆或砷化镓晶圆上，称为＂集成电路（IC：Integrated Circuit）＂，其中＂集成（Integrated）＂与＂电路（Circuit）＂是指将许多电子元件堆积起来的意思。
　　将电子产品打开以后可以看到印刷电路板（PCB：Printed Circuit Board）如图一所示，上面有许多长得很像＂蜈蚣＂的集成电路（IC），集成电路的尺寸有大有小，我们以处理器为例边长大约20 毫米（mm），上面一小块正方形称为＂芯片（Chip）＂或＂晶粒（Die）＂，晶片边长大约10毫米（mm）， 晶片上面密密麻麻的组件称为＂电晶体（Transistor）＂，电晶体边长大约100纳米（nm），而晶体管上面尺寸最小的结构称为＂闸极长度（Gate length）＂大约10纳米（nm），这个就是我们常听到的台积电＂10纳米制程＂。
　　图一 由晶体管（Transistor）组成芯片（Chip）再封装成集成电路（IC）。 资料来源：曲博科技教室。什么是场效晶体管（FET：Field Effect Transistor）？
　　晶体管的种类很多，先从大家耳熟能详的＂MOS＂来说明。 MOS的全名是＂金属氧化物半导体场效电晶体（MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）＂， 构造如图二所示，左边灰色的区域叫做＂源极（Source ）＂，右边灰色的区域叫做＂汲极（Drain）＂，中间有块金属（红色）突出来叫做＂闸极（Gate）＂，闸极下方有一层厚度很薄的氧化物 （黄色），因为中间由上而下依序为金属（Metal）、氧化物（Oxide）、半导体（Semiconductor）， 因此称为＂MOS＂。
　　图二 金属氧化物半导体场效晶体管（MOSFET）的结构与工作原理。 资料来源：曲博科技教室。
　　MOSFET的工作原理很简单，电子由左边的源极流入，经过闸极下方的电子通道，由右边的汲极流出，中间的闸极则可以决定是否让电子由下方通过，有点像是水龙头的开关一样，因此称为＂闸＂; 电子是由源极流入，也就是电子的来源，因此称为＂源＂; 电子是由汲极流出，看看说文解字里的介绍：汲者，引水于井也，也就是由这里取出电子，因此称为＂汲＂。
　　➩当闸极不加电压，电子无法导通，代表这个组件处于＂关（OFF）＂的状态，我们可以想像成这个位是0，如图二（a）所示;
　　➩当闸极加正电压，电子可以导通，代表这个组件处于＂开（ON）＂的状态，我们可以想像成这个位是1，如图二（b）所示。
　　MOSFET是目前半导体产业最常使用的一种＂电晶体（Transistor）＂，科学家将它制作在硅晶圆上，是数码讯号的最小单位，我们可以想像一个 MOSFET代表一个0或一个1，就是电脑里的一个＂位（bit）＂。 电脑是以0与1两种数字讯号来运算，我们可以想象在硅芯片上有数十亿个MOSFET，就代表数十亿个0与1， 再用金属导线将这数十亿个MOSFET的源极、汲极、闸极连结起来，电子讯号在这数十亿个0与1之间流通就可以交互运算，最后得到我们想要的加、减、乘、除运算结果， 这就是电子计算机或电脑的基本工作原理。 晶圆厂像台积电、联电，就是在硅晶圆上制作数十亿个MOSFET的工厂。闸极长度： 半导体制程进步的关键
　　在图二的MOSFET 中，＂闸极长度（Gate length）＂大约10纳米，是所有构造中最细小也最难制作的，因此我们常常以闸极长度来代表半导体制程的进步程度，这就是所谓的＂制程节点（Node） ＂。
　　闸极长度会随制程技术的进步而变小，从早期的0.18、0.13微米，进步到90、65、45、22、 14纳米，到目前最新的制程10、7、5、3纳米，甚至未来的2纳米。 当闸极长度愈小，则整个MOSFET就愈小，而同样含有数十亿个MOSFET的芯片就愈小，封装以后的集成电路（IC）就愈小，最后做出来的手机就愈小罗！
　　但是要特别留意，并不是所有的晶体管都必须便用先进制程，而是要看不同元件需要的特性来决定 ，目前集成电路（IC）依照特性主要分为三大类：
　　➩数字集成电路（Digital IC）：可以进行运算或储存，例如：处理器（CPU）或内存（DDR），只要承受很小的电压或电流，闸极长度愈小愈好 ，可以做到10nm（纳米）以下。
　　➩模拟集成电路（Analog IC）：可以进行讯号放大与调变，例如：功率放大器（Power amplifier）、音频放大器（A udio amplifier），必须承受较大的电压或电流，闸极长度较大，可以做到100nm（奈米）以下。
　　➩功率集成电路（Power IC）：可以进行电源转换，例如：功率晶体管可以将220V的交流电转换成1 10V的直流电，必须承受更大的电压或电流（功率），可以做到1μm（微米）=100 0nm（纳米）以下。鳍式场效晶体管（FinFET）：将半导体制程带入新境界
　　MOSFET的结构发明以来到现在已使用超过四十年，当闸极长度缩小到20奈米以下的时候遇到了许多问题，其中最麻烦的就是当闸极长度愈小，源极和汲极的距离就愈近，闸极下方的氧化物也愈薄，电子有可能偷偷溜过去产生＂漏电（Leakage） ＂； 另外一个更麻烦的问题，原本电子是否能由源极流到汲极是由闸极电压来控制的，但是闸极长度愈小，则闸极与通道之间的接触面积愈小，如图三（a）绿色箭头所示，也就是闸极对通道的影响力愈小，要如何才能保持闸极对通道的影响力（接触面积） 呢？
　　因此美国加州大学伯克莱分校胡正明、Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor等三位教授发明了＂鳍式场效晶体管（FinFET：Fin Field Effect Transistor）＂，把原本 2D构造的MOSFET改为3D的FinFET，如图三（b）绿色箭头所示，因为构造很像鱼鳍 ，因此称为＂鳍式 (Fin)＂。 由图中可以看出原本的源极和汲极拉高变成立体板状结构，让源极和汲极之间的通道变成板状，则闸极与通道之间的接触面积变大了！
　　这样一来即使栅极长度缩小到20奈米以下，仍然保留很大的接触面积，可以控制电子是否能由源极流到汲极，因此可以更妥善的控制电流，同时降低漏电和动态功率耗损，所谓动态功率耗损就是这个FinFET由状态0变1 或由1变0时所消耗的电能，降低漏电和动态功率耗损就是可以更省电的意思啰！
　　图三 晶体管的演进过程。
　　资料来源：wccftech.com/samsung-makes-the-first-3nm-gaafet-semiconductor。
　　值得注意的是，在成熟制程MOSFET里＂闸极长度＂代表＂制程节点＂，但是到了先进制程FinFET上指的其实是概念上的＂平均长度＂，只能当作是＂商品名称＂，而不是真的闸极长度， 因此＂几奈米＂是厂商自己定义的，厂商说是几奈米它就是几纳米，而在台积电3纳米制程里比较＂接近＂3纳米的结构其实是图三里的＂鳍片宽度＂，因为这是  所有构造中最细小也最难制作的 。环绕闸极场效晶体管（GAAFET）：未来先进制程的发展方向
　　大家猜猜，当栅极长度缩小到3纳米以下的时候，还有什么办法可以增加闸极与通道之间的接触面积？ 就是闸极把电子通道完全包围起来，如图三（c）所示，称为环绕闸极场效晶体管（GAAFET：Gate All Around Field Effect Transistor），原理其实很简单，就是增加闸极与电子通道的接触面积，可以增加闸极控制效果。
　　由图四可以看出，台积电与三星同时在2018年量产7纳米，英特尔在2021年量产落后三年; 台积电与三星同时在2020年量产4纳米，英特尔在2022年量产落后二年; 台积电与三星同时在2022年量产3纳米，英特尔计划在2023年量产落后一年，因此英特尔并没有大家想象的落后很多，当然宣布量产是一回事，良率多高又是另一回事， 目前进度与良率都领先的只有台积电一家，这也是台积电最大的优势。
　　图四 台积电与竞争对手的制程节点时间表。 资料来源：英特尔（Intel）。
　　值得注意的是，三家公司都把2纳米的时程压在2025年，而且都是使用GAAFET，里面有两个重要的含义，以前每一代制程大约只需要2年，但是先进制程困难度愈来愈高， 因此必须3年才行，这代表未来台积电进步将更困难，而竞争对手追上来相对比较容易，这是台积电未来必须面对的问题。
　　此外，三星在2022Q2量产3纳米使用新型的GAAFET，但是台积电到2022Q4才量产3纳米使用旧型的F inFET，乍看之下是确实是三星弯道超车，但是三家公司2纳米都必须使用GAAFET，因此三星比台积电与英特尔多了3年的量产经验，这是三星冒险在 3纳米使用GAAFET的主要原因，未来是不是有机会弯道超车？台积电与三星仍将决战鳍式场效晶体管（FinFET）
　　环绕闸极场效晶体管（GAAFET）的制程非常复杂，比鳍式场效晶体管（FinFET）困难许多，因此国外媒体报导三星3纳米GAAFET制程良率仅20%， 这个其实并不令人惊讶，但是三星高层指出，三星3纳米制程良率已达＂完美水平＂且毫不迟疑开发第二代3纳米制程，事实如何就让我们拭目以待吧！
　　其实GAAFET良率根本很难提高，因此三星未来可能的做法就是回头使用FinFET制做3纳米，反正厂商说这个是几奈米它就是几纳米，因此我大胆预言：台积电与三星仍将决战FinFET。 为什么GAAFET良率根本很难提高，这个用文章说不清楚，有兴趣的人可以关注我们观看视频。(三星宣布量产3纳米！ 是真的超车台积电？ 还是真正的苦难才刚开始？ )
　　根据国外媒体的报导，高通（Qualcomm）与联发科（MediaTek）还不确定是否会在2023年使用台积电3纳米制程代工手机芯片，因此苹果有可能是2023年唯一采用台积电3纳米制成技术的厂商。 而高通与联发科之所以犹豫是否采用台积电3纳米制程的关键在于3纳米的成本极高，台积电从10纳米制程开始，每片晶圆销售价格持续上涨，7奈米一片12寸晶圆大约10，000美元 ，到3纳米一片12寸晶圆大约20，000美元，用的还是FinFET，那么到  2025年2纳米一片12吋晶圆要不要接近30，000美元？ 这么贵的东西客户接受吗？
　　图五 台积电不同制程节点的价格预估。 资料来源：Digitimes整理。未来三年台积电3纳米制程仍然领先全球
　　台积电3纳米制程（N3）改良后的 N3B已经顺利在2022Q4量产，但是未来还有下面几个衍生的 制程节点，如图六所示：
　　➩N3E：牺牲尺寸成全良率、效能、功耗，2023Q2或Q3量产。
　　➩N3P：制造工艺的性能增强版本，量产时间未定。
　　➩N3S：缩小尺寸的密度增加版本，量产时间未定。
　　➩N3X：超高性能的超频版本，量产时间未定。
　　由于GAAFET困难度高，成本更高，大家是否能顺利在2025年量产还是未知数，因此可以预期3纳米制程仍然是未来三年各家厂商竞争的主要标的，会使用很长一段时间， 台积电利用3纳米 衍生的制程节点，仍然能够领先全球，比较令人忧心的还是美国补助英特尔、台积电、三星到美国设厂，大约都是在  2024或2025年量产，可能对先进制程产生供过于求的问题，这是比较有风险的地方，值得大家留意。
　　图六 台积电先进制程路线图。 资料来源：台积电（TSMC）。
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