最近，半導(dǎo)體業(yè)界公認(rèn)的晶圓代工之王臺(tái)積電再次傳出芯片利好消息，外媒援引產(chǎn)業(yè)鏈消息人士的信息，臺(tái)積電2nm工藝的研發(fā)進(jìn)展超出預(yù)期，甚至快于原計(jì)劃。

2nm似乎是目前已知芯片工藝能達(dá)到的極限所在，關(guān)于2nm工藝的消息并不多。此前臺(tái)積電曾透露出公司已經(jīng)獲得了建造2nm工藝芯片生產(chǎn)工廠所需的土地，或?qū)⑽挥谛轮窨茖W(xué)園區(qū)；另外一則關(guān)于臺(tái)積電2nm工藝的消息則是在上月底舉辦的臺(tái)積電2020年度全球技術(shù)論壇上，他們透露正在同一家主要客戶緊密合作，加快2nm工藝研發(fā)進(jìn)展，不過并未透露具體客戶。

圖片源自O(shè)Fweek維科網(wǎng)

2nm工藝終于要用上環(huán)繞柵極晶體管技術(shù)（GAA）

根據(jù)消息人士透露臺(tái)積電的2nm工藝，不會(huì)繼續(xù)采用成熟的鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)（FinFET），而會(huì)采用環(huán)繞柵極晶體管技術(shù)（GAA）。要知道，在3nm工藝節(jié)點(diǎn)上，臺(tái)積電選擇了采用FinFET放棄了GAA，而三星卻在3nm工藝上一直堅(jiān)持著GAA路線，如今臺(tái)積電率先來到2nm工藝路口，其作出的選擇也基本意味著接下來半導(dǎo)體行業(yè)整體的到前進(jìn)方向。

為什么考慮選擇GAA，這還得從FinFET說起。眾所周知，晶體管的演化與半導(dǎo)體發(fā)展進(jìn)程息息相關(guān)，晶體管是一種控制電流大小與開關(guān)的電子器件，其作用就跟水龍頭用來控制水流的大小以及開關(guān)一樣。而晶體管中一個(gè)重要影響因素就是場(chǎng)效應(yīng)，是指通過施加一個(gè)電場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制，所以也就有了場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field－Effect Transistor，F(xiàn)ET）一說。

FinFET就是源自于場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在FinFET的架構(gòu)中，閘門的形狀類似魚鰭的叉狀3D架構(gòu)（“鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管”命名的由來），可于電路的兩側(cè)控制電路的接通與斷開。這種設(shè)計(jì)可以大幅改善電路控制并減少漏電流，也可以大幅縮短晶體管的柵長(zhǎng)。

芯片工藝節(jié)點(diǎn)發(fā)展到5nm之后，F(xiàn)inFET也面臨一系列難題。首先是隨著柵線之間間距的減小，再想像以往一樣在一個(gè)單元內(nèi)填充多個(gè)鰭線已不現(xiàn)實(shí)，同時(shí)柵線間距的減小還會(huì)導(dǎo)致FinFET的靜電問題急速加劇并直接制約晶體管性能的提升，此外FinFET的出現(xiàn)雖然突破了平面晶體管的短溝道效應(yīng)限制讓電壓得意降低，但是還不夠，在理想情況下溝道應(yīng)該被柵極完全包圍。因此在5nm之后，業(yè)界迫切需要一個(gè)新的結(jié)構(gòu)來替代鰭式晶體管結(jié)構(gòu)，這就帶來了全環(huán)繞柵極晶體管，也就是我們所說的GAA。

當(dāng)然，受限于摩爾定律等原因，采用GAA結(jié)構(gòu)也需要滿足以下幾個(gè)條件：1、新的結(jié)構(gòu)需要的生產(chǎn)工藝應(yīng)該與FinFET相似，可使用現(xiàn)有的設(shè)備及技術(shù)成果實(shí)現(xiàn)；2、新的結(jié)構(gòu)應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)通道更好的控制，例如柵極與通道之前的接觸面積更大；3、新的結(jié)構(gòu)帶來的寄生電容和電阻問題應(yīng)得到顯著改善。

以臺(tái)積電2nm目前的研發(fā)進(jìn)度來看，預(yù)計(jì)臺(tái)積電2023年下半年可望進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)性試產(chǎn)，2024年正式量產(chǎn)。