来源：观察者网

在去年的2019年度“三星晶圆代工论坛（Samsung Foundry Forum）”会议上，三星宣布了3nm工艺，明确会放弃FinFET晶体管，转向GAA环绕栅极晶体管技术。如今又有消息披露，英特尔在5nm节点将会放弃FinFET，也要转向GAA。三家晶圆代工巨头中已经有两家改变风向，虽然台积电在其3nm工艺细节上还是秘而不宣，但放弃FinFET工艺似乎也已无悬念。

从平面MOSFET到FinFET 一切都为高集成度芯片

登上舞台不到十年，如今FinFET却又要黯然退场，强留似乎已经不可能。但是在市场的需求、技术的进步的大潮之下，从平面MOSFET（金属氧化物半导体效应晶体管），到FinFET（鳍式场效应晶体管），再到接下来GAA（环绕栅极），一切工艺都是为更高集成度的芯片服务。

自平面MOSFET器件工艺诞生后，特征尺寸就在不停地缩小，按照摩尔定律的描述，集成度几乎是18个月翻一番。尺寸的缩小不但降低了单个晶体管的成本，还可以增加晶体管的开关速度。从上个世纪九十年代的多媒体PC，本世纪初的互联网PC，到2010年代的智能移动设备，这一系列新应用市场的打开与处理器芯片性能提升密切相关。

在晶体管特征尺寸微缩的过程中，也遇到过各种困难，但是通过将铝互联改成铜互联，在栅极加入High-k材料、引入Stress engineering等方法都可以在不改变平面器件工艺的情况下把尺寸做小。

但是当栅极长度逼近20nm门槛时，对电流的控制能力急剧下降，漏电率也在升高，传统的平面MOSFET看似走到了尽头，材料的改变也无法解决问题。

这时候，由加州大学伯克利分校胡正明教授给出了新的设计方案，也就是FinFET晶体管。在FinFET中，沟道不再是二维的，而是三维的“鳍（Fin）”形状，而栅极则是三维围绕着“鳍”，这就大大增加了栅极对于沟道的控制能力，从而解决漏电问题。

胡正明在2001年在学界正式提出FinFET方案，但是真正的被商业落实还要等到十年以后。英特尔在FinFET工艺上率先出手，在2011年推出商业化的FinFET工艺技术，之后台积电也迅速跟进，在16nm节点中使用了FinFET。从16/14nm开始，FinFET成为了半导体器件的主流选择。

不过，胡正明当初还提出了另一种方案，基于SOI的超博绝缘层上硅体技术FD-SOI（完全耗尽型绝缘硅）晶体管技术。该工艺在制成的芯片在物联网、汽车、网络基础设施、消费类领域也具有一定的市场，三星、格芯、IBM、ST也一直力推，但相较于FinFET工艺，FD-SOI一直在二线徘徊。另外，业内专家也指出，由于其衬底成本高，越往上走的尺寸越难以做小，最高水平最多走到12nm，后续难以为继。

不到十年FinFET遭遇替代者？

自英特尔2011年商业化FinFET工艺技术后，FinFET体系结构也在持续进行改进，以提高性能并减小面积。但是物联网、大数据、人工智能、智能驾驶等新应用层出不穷，对芯片的性能提出了更高的要求。

到了5nm节点后，虽然已经使用上了EUV光刻技术，但是基于FinFET结构进行的芯片尺寸的缩小，就变得更加困难。FinFET工艺制造、研发成本也越来越高，即使在7nm、5nm仍能坚持，但是再往前似乎已经是力不从心。

市场对于高性能芯片的渴望不断推动技术的演进，在人们为3nm节点工艺担忧的时候，新的环绕栅极（GAA）器件出现了。与FinFET工艺中的立体沟道三面都被栅极围绕不同，到了GAA，沟道由纳米线（nanowire）构成，其四面都被栅极围绕，从而再度增强栅极对沟道的控制能力，有效减少漏电。

三大晶圆代工巨头开始转向 FinFET，退出3nm节点难以挽回

在GAA工艺上，三星算是手疾眼快，抢先在英特尔、台积电之前率先接棒。2018年三星公布了被称为多沟道FET（multi-bridge-channel FET，MBCFET）的环绕栅极工艺，事实上多年之前就开始了研发。在2017年的VLSL technology symposium会议上，IBM就发表了与三星和Global Foundries合作研发5nm GAA晶体管。

已披露的信息显示，三星的3nm工艺分为3GAE、3GAP，后者性能更好，不过首发是第一代GAA晶体管工艺3GAE。三星方面的说法是，基于全新的GAA晶体管结构，三星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，主要取代FinFET晶体管技术。

在7nm、5nm节点，台积电一直表现很强势，去年12月高通骁龙865宣布采用了台积电最新7nm工艺制程，台积电的7nm工艺又多了一个大客户。尽管三星占据一部分7nm EUV订单，不过整体来看台积电在7nm节点，依然是抢占了最多的客户订单。

去年12月，就有消息放出，台积电的5nm工艺良率已经达到了50%，比当初7nm工艺试产之前还要好，最快今年第一季度就能投入大规模量产，初期月产能5万片，随后将逐步增加到7-8万片，初期产能会被苹果、华为包下。

为了争夺晶圆代工龙头地位，三星也是加足马力追赶台积电，去年4月宣布完成5nm工艺开发，全面使用EUV光刻技术。日前韩媒报道，三星正在加速在韩国华城建设5nm生产工厂V1，已经对主要的设备厂下单，预计6月底之前完成生产线建设。

在7nm、5nm已经位于台积电之后的三星押注3nm，希望在在这个节点上超越台积电，因此三星对3GAE工艺给予厚望。此外，三星还计划在2030年前投资1160亿美元巩固其半导体巨头地位。

与三星相比，台积电则显得异常低调，尽管台积电宣称2020年准备量产的5nm制程依旧采用FinFET工艺，但预计其3nm工艺将于2023年甚至提前至2022年量产，只是具体工艺细节仍未公布。台积电CEO魏哲家此前提到，他们将在4月29日举行的台积电北美技术研讨会期间，披露更多3nm的细节信息。

在5nm工艺即将大规模投产的情况下，台积电正在与客户就3nm工艺的设计进行合作。魏哲家也透露，在研发中他们有多种技术选择，也在仔细评估了所有的不同方法，他们的决定是基于技术及成熟度、性能和成本。

外界传言，台积电在3nm节点可能没有三星这么激进，继续沿用FinFET工艺的可能性存在，在第二代3nm或2nm上才会升级到GAA晶体管技术。《电子时报》此前消息，台积电已经在中国台湾南部科技园获得了30公顷土地，开始建设3nm工艺晶圆厂，预计2023年开始大规模生产3nm制成的处理器。

考虑到FinFET工艺本身的物理特性限制，台积电也强调过3nm是全新的，要想保持自身的竞争力，其沿用FinFET可能性不大，转向GAA是大概率事件。毕竟，身后的三星已经已经启动GAE环绕栅极晶体管取代目前的FinFET晶体管。

相比于三星、台积电，英特尔就更是雄心勃勃，各方面消息表明其将在5nm节点直接放弃FinFET晶体管，转向GAA环绕栅极晶体管。

英特尔最早在22nm节点上首发了FinFET，但是在研发10nm工艺时，由于过于激进的性能目标，遭遇不少困难，导致10nm延迟了多年时间。在5nm节点上转进GAA工艺，这正好与英特尔“5nm工艺重新夺回领导地位”的承诺相呼应。

在GAA工艺上，英特尔跟进较早，但目前其5nm制成的问世时间尚未明确。英特尔已经宣布在2021年推出7nm工艺，首发产品是数据中心使用的Ponte Vecchio加速卡。同时，英特尔也提到7nm之后制成技术发展周期将回归以往的2年升级的节奏，据此推算，其5nm工艺“真容”最快在2023年可见。

结束语

平面工艺晶体管的特征尺寸缩小持续了数十年，而FinFET工艺商用至今不到十年，对高性能芯片的追求，致使新制成工艺的更新速度越来越快。虽然台积电尚未明确在3nm工艺是否放弃FinFET工艺，但是三星、英特尔两大晶圆代工巨头已转向GAA工艺的情况，似乎也预示在更先进的节点上，FinFET将走向终结。

what's FinFET？

FinFET，鳍式场效晶体管（Fin Field-Effect Transistor），是一种新的互补式金氧半导体（CMOS）晶体管。Fin是鱼鳍的意思，FinFET命名根据晶体管的形状与鱼鳍的相似性。

该项技术的发明人是加州大学伯克利分校的胡正明教授（IEEE Fellow，美国工程院院士，中国科学院外籍院士）。

他是微电子微型化物理及可靠性物理研究的一位重要开拓者，对半导体器件的开发及未来的微型化做出了重大贡献，也获得了美国最高科技奖。

2010年后，Bulk CMOS工艺技术在20nm走到尽头，胡教授的FinFET和FD-SOI工艺发明得以使摩尔定律在今天延续传奇。

台媒：三星3nm量产计划推迟
来源：半导体行业观察

据台媒Digitimes报道，三星和台积电一直在推进制造工艺的激烈竞争中，这家韩国代工厂的目标是在3nm生产上击败其台湾竞争对手。但由于冠状病毒大流行推迟了设备的安装，三星可能难以在2021年将其3nm节点投入量产。

Digitimes进一步指出，三星不太可能在2022年之前实现3nm的批量生产。根据远景规划，三星电子的代工业务Samsung Foundry的目标是早在2021年将其先进的3nm工艺技术转移到批量生产中。但是这家韩国公司可能不得不重新计划业内人士称，，由于冠状病毒大流行对物流和运输服务的影响正在导致EUV和其他关键生产设备的交付延迟，三星不得不把3nm的量产计划推迟。

三星3nm进展超预期

根据《韩国经济》杂志报道，三星现在已经向3nm制程迈出了第一步，他们已经攻克了3nm和1nm工艺所使用全能门（GAA）技术。三星的3nm工艺会使用GAA技术，而不是现在的FinFET，新的技术可以让芯片面积减少35%，功耗下降约50%，与5nm FinFET工艺相比，同样功耗情况下性能提升33%。

其实在一年前三星就开展了在3nm GAA工艺的工作，当时他们的目标是2021年实现量产，真是雄心勃勃，三星目标是要在2030年成为世界第一的半导体制作商。

GAA全能门与FinFET的不同之处在于，GAA设计围绕着通道的四个面周围有栅极，从而确保了减少漏电压并且改善了对通道的控制，这是缩小工艺节点时的基本步骤，使用更高效的晶体管设计，再加上更小的节点尺寸，和5nm FinFET工艺相比能实现更好的能耗比。

台积电3nm也遭延期？

据中国台湾联合报报道，新冠疫情搅局，台积电三纳米试产线装设被迫延后，原订六月装机时程将延至十月，南科十八厂试产线恐怕也被迫延后至少一季；由于对手三星大举追赶押注在三纳米制程，台积电延后试产，也让这场双强争斗更添张力。

为此，台积电董事会2月已核准在中国台湾市场募集无担保普通公司债，以应对产能扩充与污染防治相关支出的资金需求，资金额度不超过新台币600亿元（约美金20亿元） 。这是台积电继2013年发行普通公司债以来再度发行，而且最高筹资额度达600亿元亦创下新高纪录。

台积电已于3月发行第一期无担保普通公司债，4月6日再发行第二期无担保普通公司债，共筹得456亿元资金，将用于新建扩建厂房设备。

3nm制程是半导体产业历年最大手笔投资，更是龙头争霸的关键战役。台积电将投资总额逾1.5兆元的3纳米计划留在台湾，奠定中国台湾半导体产业成为全球半导体产业制造重心，也掀起强大的群聚效应。

台积电目前在5nm制程已取得压倒性胜利，几乎囊括全年能够参与5nm制程的所有客户，包括苹果、海思、超微、高通，这些客户未来也将是少数能参与3nm竞赛的半导体厂。但台积电在3nm计划始终维持低调，在多次的法说会只揭露2022年量产时程，坚持不对外透露制程技术。

这场半导体双强的3nm争霸，原本在台积电总裁魏哲家宣布台积电将于四月二十九日圣塔克拉拉举行北美技术论坛公布3nm制程，再度引爆战火。但台积电稍早在官网已决定将论坛延至八月二十四日，其他地区的技术研讨会将在九月重新安排。

此外，台积电原订六月于竹科十二Ｂ厂装设3nm试产线，也因欧美疫情升高，相关关键设备无法如期交货，装机人员也受到境外人士不能抵台等限制，无法如期装设，台积电供应链透露将延至今年十月装设。

至于南科十八厂原订今年十月也装设一条3nm试产线，预料也将向后延至少1nm，换句话说，台积电原订今年底提前试产3nm制程计划，将延至明年初才会试产，但应会如原先预定在2022年量产。

但晶圆代工龙头台积电表示，过去并未正式发布3nm试量产时程，3nm试产时程延后是外界揣测，不评论外界揣测。台积电指出，5nm制程是目前发展重点，依进度发展。