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6070，较高的大约7080，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纳米环绕栅极场效晶体管（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GAAFET有什么不同？未来三星又会如何应对呢？什么是集成电路（IC：IntegratedCircuit）？
　　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：IntegratedCircuit），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：PrintedCircuitBoard）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晶体管（Transistor），晶体管边长大约100纳米（nm），而晶体管上面尺寸最小的结构称为栅极长度（Gatelength）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：FieldEffectTransistor）？
　　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晶体管（MOSFET：MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor），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漏极（Drain），中间有块金属（红色）突出来叫做栅极（Gate），栅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，经过栅极下方的电子通道，由右边的漏极流出，中间的栅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，因此称为栅；电子是由源极流入，也就是电子的来源，因此称为源；电子是由漏极流出，看看说文解字里的介绍：漏者，引水于井也，也就是由这里取出电子，因此称为漏。
　　当栅极不加电压，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；
　　当栅极加正电压，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晶体管（Transistor），科学家将它制作在硅晶圆上，是数字讯号的最小单位，我们可以想像一个MOSFET代表一个0或一个1，就是电脑里的一个比特（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、漏极、栅极连结起来，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。栅极长度：半导体制程进步的关键
　　在图二的MOSFET中，栅极长度（Gatelength）大约10纳米，是所有构造中最细小也最难制作的，因此我们常常以栅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）。
　　栅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。当栅极长度愈小，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（DigitalIC）：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，栅极长度愈小愈好，可以做到10nm（纳米）以下。
　　模拟集成电路（AnalogIC）：可以进行讯号放大与调变，例如：功率放大器（Poweramplifier）、音频放大器（Audioamplifier），必须承受较大的电压或电流，栅极长度较大，可以做到100nm（纳米）以下。
　　功率集成电路（PowerIC）：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110V的直流电，必须承受更大的电压或电流（功率），可以做到1m（微米）1000nm（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，当栅极长度缩小到20纳米以下的时候遇到了许多问题，其中最麻烦的就是当栅极长度愈小，源极和漏极的距离就愈近，栅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漏极是由栅极电压来控制的，但是栅极长度愈小，则栅极与通道之间的接触面积愈小，如图三（a）绿色箭头所示，也就是栅极对通道的影响力愈小，要如何才能保持栅极对通道的影响力（接触面积）呢？
　　因此美国加州大学伯克莱分校胡正明、TsuJaeKingLiu、JeffreyBokor等三位教授发明了鳍式场效晶体管（FinFET：FinFieldEffectTransistor），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漏极拉高变成立体板状结构，让源极和漏极之间的通道变成板状，则栅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纳米以下，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漏极，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。comsamsungmakesthefirst3nmgaafetsemiconductor。
　　值得注意的是，在成熟制程MOSFET里栅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，而不是真的栅极长度，因此几纳米是厂商自己定义的，厂商说是几纳米它就是几纳米，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。环绕栅极场效晶体管（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栅极与通道之间的接触面积？就是栅极把电子通道完全包围起来，如图三（c）所示，称为环绕栅极场效晶体管（GAAFET：GateAllAroundFieldEffectTransistor），原理其实很简单，就是增加栅极与电子通道的接触面积，可以增加栅极控制效果。
　　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FinFET，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）
　　环绕栅极场效晶体管（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纳米它就是几纳米，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纳米一片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）。
　　曲博科技教室授权发布。