三星发布3nm路线图,挑战半导体的物理学极限

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近年来,在激烈的市场竞争环境下,三星将其业务重点转向了逻辑工艺代工。在近日的SFF(SamsungFoundry Forum)美国分会上,三星宣布了四种FinFET工艺,涵盖了7nm到4nm。同时发布了新一代3nm闸极全环(GAA,Gate-All-Around)工艺。与7nm技术相比,三星的3GAE工艺将减少45%的面积,降低50%的功耗,提升35%的性能。三星表示第一批3nm芯片主要面向智能手机及其他移动设备。

目前,先进半导体制造工艺已经进入10nm节点以下,台积电去年率先量产7nm工艺,但没有EUV光刻工艺,三星则选择了直接进入7nmEUV工艺,所以在进度上比台积电落后了一年,不过三星决心要在3nm工艺上赶超台积电。根据三星的路线图,他们会在2021年量产3nm工艺,到时候台积电也差不多要进入3nm节点了,不过台积电尚未明确3nm的技术细节,这意味着三星在GAA工艺上已经获得了领先地位。

三星晶圆代工业务市场副总Ryan Sanghyun Lee表示,三星从2002年以来一直在开发GAA技术,通过使用纳米片设备制造出了MBCFET(Multi-Bridge-Channel FET,多桥-通道场效应管),该技术可以显著增强晶体管性能,从而实现3nm工艺的制造。

不过台积电也在积极推进3nm工艺,2018年,台积电就宣布计划投入6000亿新台币兴建3nm工厂,希望在2020年动工,最快于2022年年底开始量产。曾有消息称,台积电3nm制程技术已进入实验阶段,在GAA技术上已有新突破。台积电在其第一季度财报中指出,其3nm技术已经进入全面开发阶段。

其实,多年来台积电和三星电子一直在先进工艺上展开较量,今年来,他们将主要在3nm工艺上进行角逐。但不管是台积电、三星,还是英特尔,都没有提及3nm之后的半导体工艺路线图。

因为集成电路加工线宽达到3nm之后,将进入介观(Mesoscopic)物理学的范畴。资料显示,介观尺度的材料,一方面含有一定量粒子,无法仅仅用薛定谔方程求解;另一方面,其粒子数又没有多到可以忽略统计涨落(Statistical Floctuation)的程度。这就使集成电路技术的进一步发展遇到很多物理障碍。此外,漏电流加大所导致的功耗问题也难以解决。

因此3nm工艺也被称为半导体的物理极限。不过之前半导体行业发展的几十年当中,业界已经多次遇到所谓的工艺极限问题,但是这些技术颈瓶一次次被人们打破。

三星代工业务营销副总裁Ryan Lee还对三星芯片的未来作了预测:GAA技术的发展可能会让2nm甚至1nm工艺成为可能,虽然三星还不确定是否会采用什么样的结构,但依然相信会有这样的技术出现。也就是说三星打算用GAA工艺挑战物理极限。

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