三星晶圓廠最新路線圖 2025年推出首個GAA制程先進封裝

三星電子公布了其在小于 3 納米（1 米的十億分之一）半導體領域獲得競爭優(yōu)勢的技術路線圖。該公司計劃成為世界上第一個實施3D封裝技術的公司，垂直堆疊其代工廠生產(chǎn)的Gate-All-Around（GAA）芯片。此舉表明該公司決心提供最先進的整體解決方案，從制造生產(chǎn)線到先進的后段處理。

7月4日，在首爾三星洞COEX展廳舉辦的三星晶圓代工論壇2023上，三星電子代工業(yè)務總裁崔時永作為第一位主講人介紹了這一代工路線圖戰(zhàn)略。

Choi總裁表示：“我們計劃到2025年將GAA工藝制造的芯片的應用擴展到3D封裝，”并補充道，“由于精細加工在降低成本和縮小芯片面積方面存在限制，因此我們正在多樣化我們的先進后處理技術。” 業(yè)界從未嘗試過將 GAA 工藝與 3D 封裝相結合，這主要是因為這兩種工藝的復雜性都很高。

GAA 是一種在制造線上制造超精細器件的預處理技術。它最大化了數(shù)據(jù)傳輸路徑的面積，同時減小了半導體的尺寸。3D 封裝是一種組合技術，可以使不同的芯片像單個半導體一樣發(fā)揮作用。由于精細電路的實現(xiàn)已達到極限，英特爾和臺積電等半導體公司正在激烈競爭以增強這項技術。

三星電子于2020年首次推出7納米EUV系統(tǒng)半導體的3D堆疊封裝技術X-Cube，早于業(yè)界第一的臺積電。2022年，三星還全球率先將3納米GAA工藝引入量產(chǎn)線。該公司在半導體業(yè)務部門內(nèi)組建了先進封裝（AVP）業(yè)務團隊，加速下一代半導體后處理的研發(fā)（R&D）。到2027年，三星計劃如期量產(chǎn)1.4納米工藝。

今年第一季度，全球晶圓代工市場份額較上一季度略有擴大，臺積電為60.1%，三星電子為12.4%。不過，與臺積電將FinFET結構應用到3納米不同，三星電子從3納米開始就開始應用GAA，并有信心在基于GAA的競爭中在技術上領先。

三星電子還公布了加強國內(nèi)和國際無晶圓廠生態(tài)系統(tǒng)的計劃。三星將與國內(nèi)無晶圓廠產(chǎn)業(yè)合作，培育包括AI半導體在內(nèi)的國內(nèi)半導體生態(tài)系統(tǒng)。三星認為，要發(fā)展代工業(yè)務，需要一個以無晶圓廠公司為中心的強大半導體生態(tài)系統(tǒng)。

三星電子將首先發(fā)布新的PDK Prime，它提供半導體開發(fā)所需的信息。PDK是指代工公司向無晶圓廠公司提供的制造工藝信息。使用PDK，無晶圓廠公司可以設計與三星代工制造工藝和設備相匹配的半導體。

與以前的版本相比，新的 PDK Prime 包含許多可縮短產(chǎn)品設計時間并提高設計準確性的功能。三星計劃從今年下半年開始向 2 納米和 3 納米工藝無晶圓廠客戶提供 PDK Prime，并打算此后將該服務擴展到 8 英寸和 12 英寸傳統(tǒng)工藝。

事實上，韓國無晶圓廠和系統(tǒng)半導體的基礎很脆弱。據(jù)韓國半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，韓國系統(tǒng)半導體的全球市場份額僅為3%。無晶圓廠份額略高于 1%。全球排名前10的無晶圓廠公司中，有6家是美國公司，4家來自全球領先代工公司臺積電的所在地臺灣地區(qū)。臺灣大大小小的無晶圓廠公司都在與臺積電一起創(chuàng)建系統(tǒng)半導體生態(tài)系統(tǒng)。

相比之下，據(jù)估計，三星代工廠90%以上的客戶來自其自己的系統(tǒng)LSI業(yè)務、這表明三星代工在韓國的潛在客戶很少能與三星電子一起成長。

多家無晶圓廠公司出席了此次活動，展示了與三星電子的合作案例。韓國最大的無晶圓廠公司LX Semicon計劃加強與三星電子的代工合作，從8英寸工藝開始，擴展到12英寸工藝。AI 無晶圓廠公司 Rebellions 今年將其 AI 半導體 Atom 商業(yè)化，該芯片采用三星代工廠的 5 納米工藝。DEEPX 還使用三星代工的 5、14 和 28 納米工藝開發(fā)了四種高性能、低功耗的人工智能半導體。

三星電子還宣布了加強本土系統(tǒng)半導體研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的計劃。該公司將于明年擴展其多項目晶圓 (MPW) 服務，該服務是人工智能和高性能計算的關鍵推動者，采用先進的 4 納米工藝。MPW 是一項服務，使沒有自己的半導體晶圓或晶圓廠的無晶圓廠公司能夠設計半導體原型。三星計劃今年三度提供4納米MPW支持，并計劃明年將MPW服務總數(shù)增加10%以上。

三星2nm計劃的更多細節(jié)

這不是三星首次披露其2nm的計劃，其實針對這個被廣泛看好的“大節(jié)點”，這家韓國巨頭密謀已久，他們在這次代工論壇上也帶來了更多的消息。

據(jù)semiwiki報道，與英特爾一樣，三星自己的芯片也是自己的代工客戶，因此他們在2nm上首先生產(chǎn)的是內(nèi)部產(chǎn)品，而不是外部代工客戶。這當然是 IDM 代工廠的優(yōu)勢，可以結合工藝技術開發(fā)自己的芯片。三星擁有開發(fā)領先內(nèi)存的額外優(yōu)勢。

報道指出，三星將于 2025 年開始量產(chǎn)用于移動應用的 2nm 工藝，然后于 2026 年擴展到具有背面供電的 HPC，并于 2027 年擴展到汽車領域。與 3nm 工藝 (SF3) 相比，三星的 2nm (SF2) 工藝已顯示出性能提升 12%，功率效率提高提升 25%，面積減少 5%。

按照三星的規(guī)劃，其GAA MBCFET無疑是2nm工藝的最大競爭優(yōu)勢所在，在上個月的時候，他們就公布了公司在3nm GAA MBCFET技術的最新進展，這將給他們的2nm提供參考。

三星表示，與 FinFET 相比，MBCFET 提供了卓越的設計靈活性。晶體管被設計成有不同量的電流流過它們。在使用許多晶體管的半導體中，必須調(diào)節(jié)電流量，以便在所需的時序和控制邏輯下打開和關閉晶體管，這需要增加或減少溝道的寬度。

而在傳統(tǒng)的FinFET結構中，柵極所包裹的鰭片（Fin）的高度是不可調(diào)節(jié)的，因此為了增加整體溝道寬度，需要水平地增加鰭片的數(shù)量。但這種方法只能調(diào)節(jié)不連續(xù)的溝道寬度，因為當柵包圍文件的溝道寬度為α時，也只能減小或增大α的倍數(shù)。這是一個嚴重的限制。

另一方面，MBCFET 彼此堆疊在一起，鰭片側向放置，納米片的寬度可以調(diào)整，以提供比 FinFET 更多的溝道寬度選項，這是一個對整個設計有用的功能，這在模擬 SRAM 中具有顯著的優(yōu)勢設計。

”MBCFET 具有這些優(yōu)勢，因為它們的設計允許獨立微調(diào)晶體管的溝道寬度，以便在 P 型金屬氧化物半導體晶體管 (PMOS) 和 N 型金屬氧化物半導體晶體管（NMOS）之間找到最佳平衡”，三星強調(diào)。

而在MBCFET 通過調(diào)整納米片寬度，為 SRAM 單元設計提供了更大的靈活性。左上圖顯示了具有六個晶體管的基本 SRAM 位單元。中間圖像顯示了該位單元的圖形設計系統(tǒng) (GDS) 視圖。

在圖(a)中，在GAA結構中，NMOS下拉(PD)和傳輸門(PG)具有相同的溝道寬度，而PMOS上拉(PU)具有較小的溝道寬度。(WPD = WPG > WPU ) 在這種情況下，從右圖可以看出，MBCFET 可以比 FinFET 獲得更好的裕度。

在圖(b)中，當PD和PG之間的溝道寬度變化時，它們是NMOS(W PD > WPG > WPU ），裕度高于（a）。通過根據(jù)晶體管的作用和特性調(diào)整溝道寬度，實現(xiàn)最佳平衡，并確保裕度。由于 GAA SRAM 位單元比 FinFET 需要更少的功率，并且由于每個晶體管的 GAA 寬度可以獨立調(diào)整，因此 PPA 和 SRAM 之間的平衡得到改善，從而大大提高了 SRAM 的設計穩(wěn)定性。

除了晶體管外，背面供電技術也是三星2nm的一個殺手锏。

三星研究員Park Byung-jae表示，在代工市場，技術正在從高 k 金屬柵極平面 FET 發(fā)展到 FinFET、MBCFET，以及現(xiàn)在的 BSPDN。

據(jù)介紹，BSPDN與前端供電網(wǎng)絡不同，它主要使用后端；正面將具有邏輯功能，而背面將用于供電或信號路由。據(jù)他們在一篇論文中披露，將供電網(wǎng)絡等功能移至芯片背面，以解決使用2nm工藝造成的布線擁塞問題。據(jù)稱，與 FSPDN 相比，BSPDN 的性能提高了 44%，能效提高了 30%。

在公布2nm規(guī)劃的同時，三星強調(diào)，公司的1.4nm工藝預計于 2027 年實現(xiàn)量產(chǎn)。與此同時，三星代工廠繼續(xù)致力于投資和建設產(chǎn)能，在韓國平澤和德克薩斯州泰勒增設新生產(chǎn)線。目前的擴張計劃將使公司的潔凈室產(chǎn)能到 2027 年比 2021 年增加 7.3 倍。

3D，重塑晶圓世界

世界不是平的，晶圓代工行業(yè)也是如此。對性能的需求不斷變化，競爭格局也在持續(xù)改變，這是一個因創(chuàng)新而繁榮的多維市場。盡管晶圓代工行業(yè)經(jīng)歷了天翻地覆的變化，芯片設計基本上仍然拘泥于傳統(tǒng)的平面架構。

不過，平面架構是否真能釋放理想的性能？

Samsung Foundry 卻并不認為這就是終點，因此打造出了 3D IC，這種立方體式的解決方案提供更高水平的性能，超越了傳統(tǒng)的性能尺度。3D IC 這種多層基礎架構是我們從二維芯片轉向三維立體芯片轉型的關鍵，它實現(xiàn)了存儲和性能的結合，讓“延續(xù)摩爾定律”的未來成為現(xiàn)實。

改變形態(tài)，改變未來

在圣何塞舉行的 2022 年三星SAFE論壇上，當Samsung Foundry設計技術團隊負責人Sangyun Kim邁上講臺發(fā)表主題演講時，他向半導體行業(yè)傳遞了一條熟悉的訊息。

他說：“計算需求在快速增加。”并且工藝升級本身不足以趕上需求的增長步伐。他的團隊需要確保客戶跑贏這些快速的變化，這也是Cube（立體）技術誕生背后的主要推手。

3D IC Cube技術將芯片堆疊為一個立體的結構，將多種解決方案的性能集成到一個統(tǒng)一的單元中。堆疊后芯片之間的通信速度更快，因為與一維平面芯片設計相比，交換信息時信息的傳遞距離更短。節(jié)省空間和成本也是這種方案的優(yōu)點之一。

不過也許更重要的是，它改進了對所謂“異構集成”的應用，即在單個堆棧中綜合多個互補的芯片，從而綜合利用各自的優(yōu)點。

“例如，頂部裸片可能是用于實現(xiàn)高性能的3GAA。底部裸片可能是SF4，甚至傳統(tǒng)節(jié)點的芯片，用于節(jié)省成本或進行 IP 復用”，Kim介紹說。

通過在小空間容納更多的功能，3D IC解決方案擴展了摩爾定律的翻倍能力，這在平面芯片時代是不可想象的。

而正如預期的那樣，在平面芯片中創(chuàng)建立體設計帶來了新的晶圓代工挑戰(zhàn)。

3D設計的挑戰(zhàn)

3D IC解決方案只能利用先進的晶圓代工工藝來實現(xiàn)，沒有硅通孔(TSV)技術，立體解決方案根本無法實現(xiàn)。

這種技術讓晶圓之間的連接更快速、更高效。在立體結構中，TSV用于為頂部裸片構建PDN，同時對于頂部和底部裸片之間的信號傳輸也至關重要，從而提供客戶需要的超快連接。使用TSV技術需要克服多方面的挑戰(zhàn)。除此之外，我們需要提供一個電量傳輸網(wǎng)絡，以通過這些TSV和Ubump來支持3D IC堆棧，同時還必須滿足IR和電磁輻射（EM）要求。

在同一裸片中支持中間層TSV和最后一層TSV，是我們找到的低電阻電量傳輸解決方案。我們還支持多種類型的TSV捆綁，以進一步減少高性能應用的IR/EM風險。此外，我們通過應力模擬和硅驗證減少了TSV及其排除區(qū)城浪費，從而可以將某些器件放置到排除區(qū)城中，減少面積浪費。最后，我們開發(fā)了一種更傾向宏觀整體的平面擺放指南，以讓我們的設計流程具有TSV意識。

基于Ubump鍵合技術是3D IC工藝的另一關鍵技術。Samsung Foundry的Ubump鍵合技術經(jīng)過了各種解決方案的測試，并已獲準量產(chǎn)，讓3D IC能夠以低成本在各種設備中實現(xiàn)。這讓客戶可以利用這些基本的技術以及 PDK、DK、IP、DM設計基礎設施，輕松開始設計3D IC。

一個設計問題

不過在實施3D IC解決方案時，存在另一個平面芯片不會出現(xiàn)的問題：功能模組是該放在頂部還是底部？

為幫助客戶解答這一問題，我們與 EDA 合作伙伴聯(lián)合開發(fā)了一種分區(qū)方法論，以在早期設計階段使用。借助這些方法論，每個DOE都可以進行電壓降（IR）分析，并讓設計師可以選擇適合其用途的候選方案。其優(yōu)勢是多方面的：通過從適合的候選分區(qū)方案開始3D IC設計，相較傳統(tǒng)方法，可縮短交付周期。

盡管立體設計存在多方面的挑戰(zhàn)，我們只需在傳統(tǒng)2D設計工作流程的基礎上增加幾個額外的步驟，即可創(chuàng)建 3D 設計。其中大部分額外的步驟都在于TSV的放置，此外頂部和底部裸片之間的 Ubump對齊也需要單獨的步驟。

為確保性能達到并超越標準，我們高度重視測試。我們首先對頂部和底部裸片進行單獨測試，然后對整個3D結構進行IEEE標準1838測試，以確保理想的裸片堆疊。

“由于這種解決方案為鍵合前和鍵合后測試提供了基本的3D測試架構，它不僅讓我們有機會提高堆疊裸片模式的效率，同時也有利于保證質(zhì)量”，Kim向參加三星SAFE論壇的觀眾解釋道。如果測試結果顯示存在預料之外的缺陷，三星的智能通道修復解決方案可進行必要的修改來提高良率。

減少關口以改進簽收時序

簽收挑戰(zhàn)是3D IC架構的天然結果——這是指不同的簽收關口可能缺乏控制。這是在每個芯片上使用不同的技術進行制造的副作用。為解決這一問題，三星開發(fā)了一種稱為減少關口的新方法學，這種方法在時序簽收中使用主導關口，而不是全部的組合。

而對于IR/EM簽收，三星面臨了一種完全不同的挑戰(zhàn)。由于裸片通過TSV供電，后者在現(xiàn)有的 2D 設計中是不存在的，每個裸片的電壓降（IR）/ 電遷移（EM）可能會相互影響。為解決這一問題，我們同時分析了多芯片的 IR/EM。

攜手重塑性能

緊密合作是半導體創(chuàng)新的重要推動力量，許多解決方案都是我們與EDA生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴共同努力的直接結晶。

“當然，克服新的技術挑戰(zhàn)只是我們與EDA合作的內(nèi)容之一”，Kim提醒觀眾。Samsung Foundry與四家主要的EDA攜手，成功開發(fā)了從合成到簽核的3D IC設計工作流程，這一成功的實現(xiàn)與專注于創(chuàng)造更優(yōu)工作流程的SAFE EDA合作伙伴的幫助不可分割。

無論是哪種技術，變革都來自于客戶的需求。對多芯片堆疊技術的需求與日俱增，催生出2.5D和3D解決方案，打開了新的性能和能效維度。而要滿足這些需求，并沒有一招鮮吃遍天的方法。這需要我們走出平面思維的局限，在全新的維度中探索。就如人類擺脫地球是平的這一認識，Samsung Foundry不斷突破自我，以重塑其產(chǎn)品和行業(yè)，努力為客戶提供更高層次的創(chuàng)新。

審核編輯：劉清