《外資這樣買半導體股》：三星電子在次世代製程有可能彎道超車台積電嗎？

文：宋明燮（송명섭）

採用GAA的三星電子戰略

目前在生產設備規模、市占率、投資規模、這一代製程工藝的集成度、利潤率等方面都遠遠落後於台積電的三星電子，有什麼方法可以開創性的縮小競爭力差距呢？當然是在次世代製程中，以高收益率和低價格提供比台積電性能更好的代工服務。因為只有這樣，目前依賴台積電的眾多顧客才會轉移到三星電子來下單，三星電子才能透過提高市占率及利潤來進行更多的投資。

那麼在2023年或2024年正式量產的三家公司的次世代製程中，集成度的差異呢？三星電子開始向部分顧客提供第一代3奈米服務，因此從三星電子的立場來看，3奈米不是新一代，而是這一代，但3奈米產品的顧客是中國虛擬貨幣挖礦機晶片設計公司，數量非常少。而且2023年三星電子的主力製程仍是5奈米和4奈米，而非3奈米。因此對於次世代製程工藝的比較，推定判斷台積電和三星電子為3奈米，Intel為7奈米是較為合適的。

單元高度為三星電子3奈米192nm、Intel 7奈米156nm、台積電3奈米120nm（參考表3）。在新一代製程中，三星電子的單元高度最大，台積電最小。因此每平方毫米的電晶體集成度，三星電子3奈米1.8億顆，Intel 7奈米2.12億顆，台積電3奈米3.17億顆，台積電最高，三星電子低於Intel。

換言之，在次世代製程的集成度層面來說，台積電比Intel領先49%，比三星電子領先79%，三星電子比Intel低15%的意思。在次世代製程中，與這一代製程相比，Intel將實現最高的100%集成度成長率，台積電將實現71%的成長率，相反的三星電子的集成度成長率將停留在35%。這意味著次世代三星電子和台積電之間的生產性及利潤率差距將進一步擴大。因此從集成度和利潤率來看，在次世代製程工藝中，也很難期待縮小雙方彼此間的差距。

但是三星電子的3奈米製程工藝與競爭公司的次世代製程相比，為什麼集成度增加率如此低呢？那樣的話，三星電子的3奈米會是即使開發也毫無希望的製程工藝嗎？可是值得注意的是，這裡三星電子新一代製程工藝的結構是GAA，與台積電和Intel 的FinFET不同。首先了解金氧半場效電晶體（MOSFET）的結構和原理，之後再了解FinFET和GAA結構有什麼不同。

MOSFET僅在特定條件能發揮通電開關的作用，由源極（Source），閘極（Gate），汲極（Drain），基板本體（body）所組成（參考圖37）。當對閘極施加電壓時，就會形成通道，源極和汲極之間通過該通道流通電流。

在傳統平面式（Planar）結構的MOSFET中，源極和汲極之間的通道（Channel）以及控制的閘極，僅允許通道和閘極在一個平面接觸。過去由於MOSFET元件的尺寸較大，所以僅從閘極的一面就可以充分控制（參考圖38）。

但隨著集成度的提高和MOSFET尺寸的縮小，源極和閘極的距離越來越近，氧化層（Oxide）的厚度也變得越來越薄。因此導致在關閉狀態下，漏電狀況卻增加，並且連在電流不應該流動之際，也發生漏電的情況。

為了彌補這一缺陷而推出的結構是3DFinFET，將通道以3D方式向上提升，將閘和通道接觸部分設置為三面，改善了閘的控制力。鰭（fin）這個名稱是因為把場效電晶體的閘極做成立體的，好像一片魚鰭一樣凸起來，形狀與魚鰭相似而得名。

但近年來，隨著精細工藝進化到3奈米以下，電晶體尺寸逐漸變小，FinFET也演變到漏電無法充分控制的階段。因此正在從三面接合的FinFET轉變為四面都與閘極接合的GAA結構。

三星電子在2019年開發出了獨創的GAA技術，該技術不是單面直徑為1奈米左右的奈米線形態通道，而是堆積多張像紙一樣薄而長的納米片（Nano Sheet）優化功耗以及效能表現，然後將其命名為多橋通道場效電晶體MBC FET™（Multi Bridge Channel FET）。

據三星電子透露，3奈米MBC FET™製程與5奈米FinFET製程相比，除面積可以減少16%左右之外，預計可以節省約45%的耗電量，和約23%的性能改善效果。

現在可以理解三星電子的戰略了。與FinFET相比，GAA結構複雜許多，因此在相同的精細製程時，單元高度必然大於FinFET。並且三星電子GAA 3奈米單位高度和集成度比仍然使用FinFET的台積電的3奈米和Intel的 7奈米處於劣勢。也就是說，三星電子GAA 3奈米產品的成本，很有可能比競爭企業的次世代製程工藝高。

但採用GAA具有明顯的優勢，高成本和高集成度的同時，取而代之的是漏電少、電壓低的情況下，速度變快、耗電量降低。因此如果三星電子甘願承受利潤率的下降，向對性能敏感的高階顧客提供與競爭公司相似的代工服務費，那麼三星電子的市占率有充分的可能會增加。

三星電子於2022年6月開始生產第一代3奈米GAA製程工藝，並計畫從2024年開始量產應用範圍更廣的第二代3奈米GAA製程。另一方面，台積電有望將現有的FinFET結構保留到3奈米，並從2奈米投入GAA結構。在GAA製程中，沉積操作難度提升，增加了矽鍺（SiGe）的選擇性蝕刻工藝等技術難度。因此三星電子在3奈米領域領先全球成功完成GAA製程，應該會得到極高評價。

但只是首先引進了GAA製程，並不意味著三星電子的技術競爭力一定比台積電強。台積電在3奈米也能維持FinFET結構這件事，就說明閘極具有良好的控制能力，因為如上述所言，如果是相同精細工藝，FinFET的經濟效益遠遠領先於GAA。

當然台積電在3奈米研發過程中似乎還面臨困難，如果2024年以後兩家公司都進入GAA時代，三星電子率先投入GAA結構，那麼在性能和初期收益率方面就非常有利。

書籍介紹

本文摘錄自《外資這樣買半導體股：最強半導體分析師教你看懂產業週期，台積電、聯發科、聯電……選股+進場+出場，一次搞定！》，樂金文化出版

作者：宋明燮（송명섭）
譯者：張鑫莉

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責任編輯：翁世航
核稿編輯：潘柏翰