近日，台积电3nm工厂正式通过环评，投资约1347亿元的3nm项目将于2020年开始建厂，预计2022年底到2023年初量产。与此同时，三星晶圆代工业务负责人在IEDM(国际电子器件大会)表示，三星以2020年大规模量产为目标，完成了3nm工艺技术的性能验证。随着头部厂商将“战火”烧到3nm，摩尔定律的后劲儿还有多大？7nm以下节点有哪些技术挑战？面对台积电、三星持续微缩的工艺制程，晶圆代工厂商该如何应对？
极限工艺面临实用化经济化挑战
当制程微缩到7nm以下，围绕新工艺、新架构的实用化问题日益凸显。多位专家向记者表示，5nm、3nm技术的集中在EUV(极紫外光刻)的经济化，器件结构改进，以及GAA(环绕栅极)等新型架构的导入和工艺流程配套。
其中，EUV规模化的主要瓶颈是能量转化率低。EUV面向传统工艺的多次曝光问题，将重复2～3次的曝光过程简化为一次完成，起到降低工序、提升产能的作用，一直被视为延续摩尔定律的关键。但资料显示，EUV的能量转化率仅为0.02%左右，以200w光源、100片晶圆每小时的产能需求为例，EUV需要1兆瓦的输入功率，而ArF沉浸式扫描光刻机只需要165千瓦。这意味着EUV的实用化必须克服耗电量和光源工作效率的挑战。
同时，GAA等新的晶体管底层结构也引起头部厂商关注。相比FinFet结构的沟道三面被栅极包围，GAA沟道的四个面或全周被栅极包围，增强了沟道和静电控制能力，为尺寸的进一步微缩提供可能，目前三星已经公布在3nm导入GAA的计划，预计2021年实现量产。
芯谋研究总监王笑龙向《中国电子报》记者指出，FD-SOI(薄膜全耗尽绝缘衬底上的硅)工艺有望在3nm节点发力。业界专家莫大康指出，SOI工艺具有减少寄生电容、提高器件频率、降低漏电流等优势，与体硅相比SOI器件的频率能提高20%~35%，器件功耗下降35%~70%。虽然具备在先进制程的发展潜力，但FD-SOI受限于SOI硅片成本偏高，产业链不够完善，目前只限于RFIC等特定用途，产业生态有待培养。
作为“超越摩尔定律”的重要环节，封装也是提升芯片集成度的关键。Digitimes研究指出，为了搭配先进制程微缩及异质芯片整合趋势，台积电研发整合的10nm逻辑芯片及DRAM的整合扇出层叠封装(InFO-PoP)，以及12nm系统单芯片与8层HBM2存储器的CoWoS封装等均进入量产，并推出整合多颗单芯片的整合扇出型基板封装(InFO-oS)、整合扇出存储器基板封装(InFO-MS)、整合扇出天线封装(InFO-AIP)等新技术，而整合扇出层叠封装(InFO)正是台积电甩开其他晶圆厂商的技术门槛。
日月光集团副总裁郭一凡指出，先进封装的主要任务是不断提高芯片封装密度，缩小封装尺寸和线长，增加I/O数量，以空间换时间。随着头部厂商不断推动制程技术发展，封装工艺将不再是“标准”的流程，而是整体设计的重要一环。
延续摩尔定律需产业链形成合力
当先进制程走到7nm以下，就不得不面对“先有鸡还是先有蛋”的问题。按照摩尔定律，随着制程的演进，晶体管集成度更高，芯片面积更小，制作成本相应下降。
但是，平均每提高一代工艺技术，研发费用将增加3倍，制造设备、材料和产线设备成本也相应提高。根据IBS数据，10纳米、7纳米、5纳米和3纳米工艺的研发费用分别高达1.7亿、3亿、5亿和15亿美元。一条12英寸28纳米生产线所需投资约为35亿美元，10纳米以下工艺生产线投资高达上百亿美元。
要在7nm以下延续摩尔定律，并保持产品的性价比，需要足够的需求量形成规模经济来摊薄成本。集邦咨询拓墣产业研究院分析师陈彦尹向《中国电子报》记者表示，虽然市场不断有人质疑摩尔定律的发展是否走到尽头，但回顾历史，总是会有如智能处理器或高效能运算处理晶片率先导入最先进的制程节点来达到规模经济，继而让更多半导体产品导入。
市场的培育需要时间。目前来看，5nm、3nm节点主要面向FPGA等高性能计算领域，智能处理器和5G芯片。其中FPGA在英特尔等厂商的推动下，应用领域从数据中心向边缘计算拓展。Global Market Insights预测，FPGA市场规模将在2022年超过99.8亿美元，年复合增长率达8.4%。随着5G商用时间表提前至2019年，5G智能手机处理器和5G芯片也有望带动先进制程发展。Gartner半导体和电子研究副总裁盛陵海向《中国电子报》记者表示，3nm、5nm节点要形成经济性，一方面需要晶圆代工厂商不断推动技术的演进，提升良率和工作效率;另一方面，也要依托需求上量来压低成本。
“这需要业界的共同努力。”盛陵海向记者表示。
追赶进程不是形成竞争力的唯一途径
随着研发费用和资本支出不断上升，投资规模越来越大，一线晶圆厂商在先进制程的优势会更加明显，跟进难度加剧。但是，制程微缩并不是形成市场竞争能力的唯一途径。赛迪智库研究报告指出，随着5G、物联网、汽车电子等新兴应用的快速发展，对模拟、射频、电源管理、传感器等特色工艺代工需求不断增长，全球特色工艺产能严重短缺，仍然存在市场空间。
以全球第二大集成电路制造代工企业格罗方德为例，由于竞争压力和财务压力，退出7nm FinFet研发，将重点聚焦在14nm/12nm节点，研发更具技术优势的射频、模拟、锗硅、SOI等特色工艺，进一步巩固技术和市场竞争优势。
赛迪智库认为，晶圆代工厂商在关注制程的同时，也可以通过抓住新兴市场机遇，在电源管理芯片、功率半导体、射频器件、化合物半导体等领域加大投资力度，在新能源汽车、5G通信等新兴应用市场上加大技术和产品布局，提升企业特色工艺丰富程度，培育整体应用方案解决能力，并通过技术、资本合作加速市场突围，培养企业和产品的竞争能力。
来源：中国电子报
