半導體工藝在進入14nm/16nm制程之后，最經常被提到就是鰭式場效應晶體管(FinFET)，它的出現滿足了7nm至14nm之間的工藝制造。不過在進入更小的5nm、甚至3nm之后，FinFET工藝已經難以滿足半導體芯片的制造需求，業界也在對新一代晶體管進行研究。

　　為此，幾大晶圓廠正在市場上加速5nm制程，但現在客戶必須決定是圍繞當前的晶體管類型設計他們的下一個芯片，還是轉移到3nm及以上的不同芯片。

　　該決策涉及將目前的FinFET擴展到3nm，或在3nm甚至2nm節點上實現一種名為GAA FET的新技術。從FinFET進化而來的環繞閘極可提供更好的性能，但是這些新的晶體管很難制造，價格昂貴，遷移過程可能會很艱難。但有利的一面是，該行業正在開發全新蝕刻、圖案和其他技術，這將為這些節點鋪平道路。

　　這些GAA FET的出庫時間由各大晶圓廠所決定。三星和臺積電都在用FinFET生產7nm制程，他們將在今年晚些時候使用FinFET量產5nm制程，并在5nm左右推出各種半節點產品。這將提高速度和功率。

　　不過，三星計劃在明年或2022年某個時候，在3nm制程上推出一款名為nanosheet FET的GAA晶體管。與此同時，臺積電計劃首先在3nm制程上引入FinFET。分析師和設備供應商表示，臺積電將在3nm或2nm的后期階段引入全柵結構GAA。

　　對于新技術而言，臺灣知產力專家社群創辦人曲建仲介紹，場效電晶體(FET)是最基本的電子元件，是數字信號的最小單位，一個FET代表一個0或一個1，就是電腦里的一個位數。電子流入再流出，由一個閘極開關控制電子導通代表1或不導通代表0，科學家將它制作在硅晶圓上。

　　“制程節點”代表閘極的“平均長度”，會隨制程技術的進步而變小。當晶體管縮小到14nm以下之后，原來的技術不能滿足14nm產品的需求，才有了胡正明教授的“鰭式場效電晶體(FinFET)”，但是5nm以下又遇到問題，才出現“環繞閘極場效電晶體”。

　　然而，臺積電（TSMC）仍在評估其3nm制程方案，TSMC將很快披露其3nm計劃，計劃也可能隨時變動。盡管如此，臺積電將FinFET擴展至3nm的舉措合乎邏輯。轉移到新晶體管可能會對客戶造成潛在的干擾。但最終，FinFET將會失去它的優勢，臺積電別無選擇，只能全面轉向環繞閘極（gate-all-around）。

　　其他公司也在開發先進制程。英特爾正在加緊10nm和7nm的研發。(英特爾的10nm制程與晶圓廠的7nm制程類似)與此同時，中芯國際正在研發10nm/7nm工藝以此提高16nm/12nm FinFET。

　　所有的先進工藝都是昂貴的，并不是所有的芯片都需要3nm或其他先進工藝。事實上，不斷上漲的成本促使許多人探索其他選擇。另一種獲得擴展的方法是將高級芯片放入一個封裝中，為此一些公司正在開發先進的封裝類型。

　　平面晶體管、場效應晶體管、納米片場效應晶體管。

　　縮放比例真的到頭了嗎?

　　芯片由晶體管、節點和互連線三部分組成。晶體管作為設備開關，如今，先進的芯片有多達350億個晶體管。

　　互連線位于晶體管的頂部，由微小的銅線構成，將電信號從一個晶體管傳輸到另一個晶體管。晶體管和互連線由一層叫做中線(MOL)層連接。中間層使用一系列微小的接觸結構連接獨立的晶體管和互連件。

　　傳統的集成電路擴展設計方法是縮小每個工藝節點的晶體管規格，并將其封裝到一個單芯片上。

　　為此，芯片制造商每隔18到24個月就會推出一種新工藝技術，其晶體管密度更高。每個進程都有一個數字節點名。最初，節點名與晶體管柵極長度相關。

　　在每個節點上，芯片制造商將晶體管的規格提高了0.7倍，在同等功率下提高了40%的性能，并減少了50%的面積。所以，芯片縮放使新的電子產品具有更多功能。

　　當芯片制造商沿著不同的工藝節點前進時，這個公式就起作用了。但在20nm時發生了一個巨大的轉折，2D的傳統平面晶體管失去了動力。從2011年開始，芯片制造商轉向了FinFET，FinFET是類似3D的結構，具有更好的性能和更低的泄漏，使他們能夠擴展自己的設備。

　　然而，FinFET的制造成本更高，導致工藝研發成本飆升。所以現在一個完整的節點的節奏已經從18個月延長到30個月，甚至更長。

　　在高級節點，英特爾遵循0.7x比例縮小晶體管尺寸的這一趨勢，但在16nm、14nm，其他人開始脫離了傳統方法和放寬了金屬間距。“之前節點名稱的使用與被指定的金屬間距相關，” “在某些時候，我們開始偏離間距，更著眼于下一個節點和特征尺寸?！?/p>

　　在那時，節點名變得模糊，不再與任何晶體管規格相聯系。Gartner分析師Samuel Wang表示:“節點的定義正變得越來越具有誤導性和無意義。例如，在5nm或3nm之間，沒有單一的幾何結構實際上是真正的5納米或3納米。另外，供應商之間的流程通用性大大降低。對于同一節點，臺積電和三星的表現不同，當然也不同于英特爾。”

　　高級節點的擴展速度也在減慢。根據IC Knowledge和TEL研究，一般情況下，7nm的代工工藝，它的多晶硅間距CPP在56nm到57nm，金屬連線間距在40nm。在5nm處，CPP大約為45nm-50nm，金屬間距為26nm。CPP是一個關鍵的晶體管度量單位，用于測量源極和漏極接觸點之間的距離。據悉，三星最近也高調推出了5nm，預計將于2020年上半年量產。與它的7nm相比，三星的5nm FinFET技術，與7nm相比它的速度有25%的增長，功耗降低20%，性能提高10%。

　　此外，價格/性能優勢不再遵循同樣的曲線，這促使許多人在懷疑，摩爾定律是否已經走到了盡頭。

　　其實，摩爾定律并不是真正的定律，而是一種觀察（observation），它成為一種自我實現的預言，推動半導體行業向前發展。隨著多重圖案和EUV成本的增加，摩爾定律的經濟方面開始衰退。布魯爾科技公司高級技術專家Douglas Guerrero表示： “計算能力的提高將出現在新的設計和架構中，但這不是可擴展的。這意味著未來的芯片將提高計算能力，但成本不一定會以過去的速度下降?！?/p>

　　對于縮放，它并沒有完全消失。人工智能、服務器和智能手機正在推動對高級節點上更快芯片的需求。D2S的首席執行長藤村明(Aki Fujimura)表示，一些人還認為除了新奇的應用程序之外，這個世界已經沒有辦法處理速度更快的計算了?！敖裉?，對于物聯網來說，低成本、足夠好的性能和集成勝過更多和更高的計算密度。但我們需要更快的晶體管來制造更高效、更低功耗的，并且能容納更多晶體管的芯片?！?/p>

　　顯然，并非所有的需求都需要高級節點，因為成熟工藝的芯片需求強勁。聯華電子聯席總裁王季剛(Jason Wang)：“這些新產品包括在5G智能手機中使用的RF IC和OLED驅動芯片，以及設計用于計算和固態驅動器應用的電源管理芯片。”

　　擴展FinFET

　　與此同時，在芯片擴展方面，芯片制造商多年來一直遵循相同的工藝路線，采用相同的晶體管類型。2011年，英特爾轉向了22納米的FinFET，隨后是16 /14納米的晶圓廠。

　　在FinFET中，對電流的控制是通過在鰭的三面各安裝一個柵極來實現。FinFET有兩到四個鰭。每個鰭有不同的寬度、高度和形狀。

　　英特爾的第一代FinFET在22nm處的尾翼間距為60nm，尾翼高度為34nm。然后，在14nm處，英特爾的FinFET的鰭距和高度都是42nm。

　　因此英特爾將鰭片做得更高更薄，以適應FinFET的規模。林研究大學項目主任Nerissa Draeger在博客中解釋： “FinFET縮放減少橫向尺寸，以增加單位面積的設備密度，同時增加鰭的高度，以此作為改善設備性能的一種方式?！?/p>

　　在10nm/7nm制程時，芯片制造商采用了相同的方法來擴展FinFET。2018年，臺積電推出了首款7nm制程FinFET芯片，三星緊隨其后。與此同時，英特爾去年發布了10nm芯片，此前他們曾多次推遲發布。

　　到2020年，晶圓行業的競爭將更加激烈。三星和臺積電正在增加5nm制程和各種半節點制程。3nm正在研發中。

　　但要記住，所有的過程都很昂貴。據IBS宣稱，設計3nm產品的費用約5億美元到15億美元，及它的工藝開發費用約40億美元到50億美元，而如果要興建一條生產線的運營成本約150億美元到200億美元。IBS的瓊斯說：“基于相同的成熟度，3nm的晶體管成本預計將比5nm高出20%到25%?！芭c5nm FinFET相比，預期性能提高15%，功耗降低25%。

　　與7nm相比，三星的5nm FinFET技術提供了高達25%的邏輯面積，降低了20%的功耗，可以提高10%的性能。

　　臺積電高級技術總監Geoffrey Yeap在最近的IEDM會議上的一篇論文中表示：相比之下，臺積電的5nm FinFET工藝“在同等功率下提供了15%的速度提升，在同等功率下，7nm節點的邏輯密度降低了30%?！?/p>

　　芯片制造商在7nm制程和5nm制程上大做文章。為了使芯片的關鍵特性定型，這兩家公司從傳統的193nm光刻技術過渡到EUV光刻技術。由于EUV的波長為13.5nm，簡化了這一過程。

　　EUV并不能解決芯片擴展的所有挑戰。應用材料公司圖案技術總經理Regina Freed在一篇博客中說:“解決這些挑戰需要多種技術，這些技術超越了可擴展的范圍，包括新材料的使用、新型嵌入式非易失性存儲器和先進的邏輯架構、沉積和蝕刻的新方法，以及包裝和芯片設計創新?！?/p>

　　與此同時，三星和臺積電正在準備它們的3nm制程。過去，芯片制造商走的是同一條道路，但根據今天的路線圖，3nm是供應商們正在分道揚鑣的地方。

　　Garner的Wang表示：" 3nm可能有幾種不同的選擇，如FinFET和環繞閘極，這為客戶提供了成本、密度、功率和性能的不同組合，以滿足他們的特殊需求?！?/p>

　　如前所述，三星將在3nm處引入nanosheet FET。臺積電也在開發這種芯片，它計劃將FinFET擴展到下一代?！芭_積電將在2021年第三季度推出3nm制程芯片，”IBS的瓊斯表示。“臺積電的環繞閘極將在2022年或2023年左右推出?！?/p>

　　這就是晶圓代工客戶必須權衡各種成本和技術權衡的地方。擴展FinFET似乎是一條更安全的途徑?！霸S多客戶認為臺積電是一個低風險的供應商?！?/p>

　　然而，環繞閘極在某種程度上提供了更多的性能。Jones表示:“與3nm FinFET相比，3nm 環繞閘極具有更低的閾值電壓，并可能降低15%到20%的功耗?！薄暗阅懿町惪赡茉?%以下，因為MOL和BEOL是一樣的?！?/p>

　　但要注意，后道(back end of line，BEOL)工藝和MOL是先進芯片的瓶頸。接觸電阻是MOL中的一個問題。

　　BEOL是建立若干層的導電金屬線，不同層金屬線之間由柱狀金屬相連。在每個節點上互連變得更加緊密，導致芯片中的電阻-電容(RC)延遲。FinFET和環繞閘極是不同的晶體管類型，但它們很可能在3nm處采用類似的銅互連方案。RC延遲對于兩個晶體管來說都是一個問題。

　　此外還有其他挑戰。當鰭片寬度達到5nm時，FinFET將會失去動力。5nm/3nm FinFET正在突破這些限制。

　　另外，一個3nm的FinFET可能由一個鰭片組成，而其他節點可能有兩個或更多的鰭片。Imec的CMOS設備技術總監Naoto Horiguchi：“單鰭必須有足夠的操縱靈活性。為了將FinFET擴展到N3，我們需要一種特殊的技術來增強單鰭功率和/或減少后端寄生?！?/p>

　　將FinFET擴展到3nm的一種方法是將鍺材料移到p通道。具有高遷移率通道的3nm FinFET將提供性能提升，但存在一些集成挑戰。