三星3nm大批量生产:GAAFET晶体管时代到来

三星3nm大批量生产:GAAFET晶体管时代到来

[导读] 2022年6月30日,三星旗下的三星电子早上发布消息,该公司已经开始3nm芯片的大批量生产。三星电子宣告,公司名为“3GAE”的3nm环绕式闸极制程技术进展顺利,并于今年的4月份推出该0.1版制程套件(PDK)。三星现在正在其3nm制程节点上导入GAA架构,专门用来克服FinFET架构的实体微缩和性能限制。

2022年6月30日,旗下的三星电子早上发布消息,该公司已经开始3nm芯片的大批量生产。三星电子宣告,公司名为“3GAE”的3nm环绕式闸极制程技术进展顺利,并于今年的4月份推出该0.1版制程套件(PDK)。三星现在正在其3nm制程节点上导入GAA架构,专门用来克服FinFET架构的实体微缩和性能限制。

三星3nm工艺情况

3nm和5nm工艺相比,进行优化过后的3nm工艺的功耗可以降低45%,性能比直接提高了23%,表面积也已经减小16%。3nm的的制程流片的技术操作的进度是与新思科技一起合作的,加速GAA架构的生产流程用来方便提供了高度优化的参考放大,三星的制程流片工艺和台积电或Intel的FinFET架构完全不一样,它应用的是GAA 架构,所以三星必须要区别与其他的新设计和认证工具,正因为这样所以其选择采用新思科技的FusionDesignPlatform。制程流片的技术的PDK早就已经在2019年的5 月份发布,直到在2020 年通过制程技术的认证。现今预计这个流程会让三星3纳米GAA 结构的制程技术用于高性能运算(HPC),例如像5G,高阶人工智能(AI)应用芯片生产等一样。

三星晶圆厂的高层曾经说过,基于纳米线的传统GAA(GAAFET),是由于其有效通道宽度过小,所以才会需要更多的堆叠。除此之外,三星的多桥通道FET(MBCFET)技术采用纳米片架构用来增加强化闸极的控制,并且这又使得每个堆叠可以获得更大的电流。

GAA架构是周边环绕着Gate的FinFET 架构。按照一些专家的观点来看,GAA架构的晶体管拥有比FinFET更好的静电特性,以及也更加可以满足于某些栅极宽度的需求。这些主要表现在尺寸一致的结构下,GAA对于沟道的掌控能力可以更加漂亮。他的尺寸同时可以进一步微缩的可能性非常大。相比于传统FinFET 沟道仅仅只有三面被栅极包围,GAA有着更好的控制沟道的能力。

这种新型的纳米片设计已被研究机构IMEC当作FinFET架构后续的产品来进行大量研究观察,还要由IBM与三星和格罗方德一起来合作发展。三星指出,这项技术是拥有很多的高度可制造性,因此只需要利用约90%FinFET 制造技术与设备,要修改少量的光罩。除此之外,出色的栅极可控性比三星原本的FinFET技术的可控性要高31%,而且纳米片通道的宽度可以直接改变图像化,让设计变得更有灵活性。

台积电(TSMC)、英特尔Intel、中芯国际近期工艺情况

英特尔,今年的计划是量产7nm,不过英特尔的7nm工艺叫做intel 4,从晶体管密度来看,大约与台积电的5nm和三星3nm的水平相当。也就是说明,台积电、三星、英特尔都在向先进工艺冲击。

三星的劲敌-台积电也表示过今年会生产3nm,然后在2023年会大规模生产,也就是说今年肯定会进入3nm。值得遗憾的是,台积电的3nm制程节点采用的是FinFET晶体管结构,这意味着半导体公司将不需要采用新的EDA工具以及开发新IP。

在此之前台积电在5nm和4nm一代之中一直站着主导地位,台积电的业务开发副总张晓强之前有在技术论坛上发表透露,台积电那边认为继续采用FinFET的架构来开发3纳米制程流片,是最能帮助客户取得成功的方案。台积电方的预期,3纳米功效相较5纳米提升10%至15%,功耗可以减少25%至30%,逻辑密度增加了1.7倍,SRAM密度提升了1.2倍,类比密度则提升1.1倍等。目标3纳米量产初期,客户产品量能达到5纳米的两倍以上,大量运用于智慧机与高速运算(HPC)平台。

对台积电而言,GAAFET依旧是未来发展路线。不仅仅只是N3的技术节点,更甚至有N2 节点使用的GAA 架构。现如今正在进行的先进材料与晶体管结构的先导研究模式,还有CMOS研究,台积电3纳米技术和2纳米技术的CMOS节点顺利进行研发中。台积电还在加强先导性的研发工作,把重点放在2纳米以外的节点,包括以及3D 晶体管,新存储器,low-R interconnect 等领域,并为许多技术平台奠定了生产的基础。台积电还正在扩大Fab 12的技术研发能力,目前Fab 12正在研究开发N3,N2乃至更高阶的制程节点。

台积电选择在之前的3nm工艺继续使用FinFET技术,做出这样的决定是出于很多方面的考虑。首先是在相同的制程技术与制造流程下,无需使用变动太多的生产工具,就可以实现从FinFET快速切换到GAA,具有极其不错的成本优势。特别是在先进工艺晶圆的设计成本中,过高的花费会让客户非常谨慎的选择制造工艺。根据早前曝光的设计奋勇来看,5nm的晶圆开发费用高达4.76亿美元,3nm甚至2nm会更高。

相较于其他厂商的先进技术,中芯国际却选择28nm工艺,从2020年底开始,就先后在北京、深圳、上海3地扩产28nm工艺及以上的制程流片,并且给它们的投资超过了1200亿元。首先这是对于中芯国际而言,目前中芯国际的制程流片工艺进步到了14nm后,就难以再向前面的先进技术发展了。原因是目前国外对于中芯对10nm及以下工艺设备的进口进行了管控,导致无法出口。并且现在的国产设备基本上都在28nm甚至更成熟的制程上,短时间内也达不到10nm甚至更先进。

其次,当前全球最紧缺的就是成熟稳定的工艺,其实从2020年底开始的全球缺少成熟稳定的好芯片,最主要就是汽车芯片开始,严重缺少,尤其是在28nm及更成熟的工艺上表现更为紧需。所以中芯国际扩大规模生产28nm及以上的成熟工艺,也是为了解决目前的对于芯片紧缺的需求,更何况现在的中芯国际基本上大部分的经营收入的来源,就是28nm以上的成熟工艺,而其他芯片所贡献的营收只占了其中的一小部分,所以对于中芯国际来说,28nm并不落后,还是相当先进的工艺,并且也十分成熟。

三星GAA与FinFET对比

GAAFET晶体管时代虽然即将到来,但FinFET仍旧会是主流。三星在2021年年初的IEEE国际固态电路的大会上,展示了制造3nm的技术中的一些小细节,这其中有像全栅场效应晶体管(GAAFET)结构等,最先开启了在先进工艺上的技术架构上的转型。知名专做能源与电力的媒体eenews报道宣称,三星工厂已经流片采用环绕栅极 (GAA) 晶体管架构的3nm芯片,并且通过了纳米片(Nanosheet)来制造出MBCFET(多桥通道场效应管),这个可以明显增强晶体管的性能,完全取代FinFET晶体管大部分的技术。

根据三星官方的数据,和7nm FinFET制造工艺相比3nmGAA技术的逻辑层面的功能效率完全提高到了35%以上,功能损耗降低了50%,逻辑层面面积可以减少45%。三星的执行副总裁兼代工销售以及同时也担任营销主管Charlie Bae宣告,基于GAA结构的下一代工艺节点(3nm)将会使三星可以领头打开一个全新的智能互联世界,同时加强技术领先地位。

GGA的中文名字叫做全环栅晶体管,它可以一直延续半导体技术的经典“摩尔定律”新兴的技术线路,来进一步加强对栅极的控制能力,尽量克服当前技术中的物理缩放比例以及性能限制。

在先进制程的开发里进行变更设计,无论是更改使用的设计工具还是进行验证以及测试的流程,都将会是使用很多的时间和经济成本,需要帮助客户尽可能的降低生产的成本,维护客户的利益。台积电级别里最高的首席科学家-黄汉森曾经说过,FinFET工艺的流程完全是从客户的角度出发的,可以给客户提供很大的便利,成熟的FinFET结构产品性能一定是非常稳定。

三星的晶圆厂计划于2022年上半年开始量产其首批3nm芯片设计,并从2023年开始批量生产下一代的3nm芯片。 三星技术计划的下一步是使用MBCFET架构的2nm来作为制程节点; 该技术目前处于开发的早期阶段,目标是在2025年实现大规模量产。

然而,三星高层指出,MBCFET架构兼容于FinFET制程,这意味着工程师可以为这两种技术采用相同的制造技术和设备。 而这也将有助于加速制程发展以及提升产能。

全球晶圆龙头台积电则预计将从2nm处理器节点中开始采用GAA FET技术。 因此,三星在市占率的方面依旧远远不如于台积电,尽管较台湾晶圆代工大厂领先一代导入GAA技术,但同时也承担了巨大的技术风险。

三星已经与合作伙伴共同开发原始设计工具,并在其2021年第五届年度三星晶圆代工论坛中发布转向基于GAA的3nm制程技术过渡的计划。 这家韩国龙头一向以注重于先进制程技术并挑战常规商业智慧而出名。 如今,非常期待看见的GAA技术赌注如何在与全球芯片代工龙头的大型晶圆厂中的业务竞争中取得成果。

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