臺積電制程微縮勢不可擋！3nm已進入實驗階段，2nm或在2025年前問世

 全球晶圓代工龍頭廠臺積電南京12英寸晶圓廠今日風光開幕，未來將與大陸的 IC 設(shè)計公司共同發(fā)展成為半導體業(yè)強大的力量。事實上，臺積電7納米制程明年營收占比估逾2成，有望持續(xù)領(lǐng)先對手，7納米制程加強版以及5納米進度也按計劃進行，3納米制程技術(shù)更已進入實驗階段，業(yè)內(nèi)人士更透露，3納米制程在"Gate All Around(GAA) "、環(huán)繞式閘極技術(shù)上已有新突破。

臺積電在財報會前夕遭到外資調(diào)降目標價，將原先223元(新臺幣，下同)下修到211元，評等由中立降為減碼，但臺積電總裁魏哲家于財報會上信心喊話;受惠于7納米及12納米產(chǎn)能開出，抵消加密貨幣挖礦運算特殊應用芯片(ASIC)訂單減少壓力，第四季營收有望創(chuàng)下歷史新高，業(yè)內(nèi)人士預期單季獲利將上看千億元。

兩日后，臺積電運動會上，劉德音首度以董事長身份主持，呼應魏哲家的信心喊話，再次強調(diào)臺積電7納米制程今年下半年將大幅量產(chǎn)，也已經(jīng)跟很多客戶合作，明年將有超過一百個產(chǎn)品設(shè)計定案，7納米營收比重將會超過20%，而采用極紫外光(EUV)設(shè)備的7納米制程加強版約后年量產(chǎn)，客戶大量采用預計會落在2020年，至于5納米制程也將在明年春天試產(chǎn)。

魏哲家和劉德音各自的一席話，顯現(xiàn)出臺積電對于納米制程的進度規(guī)劃全在掌握之中，不過不只7納米和7納米制程加強版以及5納米順利進行，3納米制程技術(shù)也進入實驗階段。據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，臺積電有著優(yōu)秀的員工和強大的分析能力，3納米制程在環(huán)繞式閘極技術(shù)上有了新突破。

根據(jù)專業(yè)媒體報導指出，目前納米制程世代多數(shù)采用立體結(jié)構(gòu)，就是所謂"FinFET"「鰭式場效晶體管」，此結(jié)構(gòu)的通道是豎起來而被閘極給包圍起來的，因為形狀像魚類的鰭而得名，如此一來閘極偏壓便能有效調(diào)控通道電位，因而改良開關(guān)特性，但是FinFET在經(jīng)歷14/16nm、7/10nm這兩個制程世代后，不斷拉高的深寬比(aspect ratio)讓前段制程已逼近物理極限，再繼續(xù)微縮的話，先不提電性是否還能有效提升，就結(jié)構(gòu)而言就已有許多問題。

比方說以硅形成的「鰭」由于材料內(nèi)部應力作用，太細、高的「鰭」會無法維持直立的形狀而形成「扭線」 (wiggling)，而在極紫外光(EUV)導入制程后，此一狀況會更嚴重，原因是光子本身存在的隨機效應造成photon shot noise現(xiàn)象。更何況，不斷微縮后，越來越細的閘極對通道的控制能力不足，鰭狀通道底部終究還是會成為漏電流的來源，因此學術(shù)界很早開始就提出5納米以下的制程需要走「環(huán)繞式閘極」的結(jié)構(gòu)，顧名思義，是FinFET中已經(jīng)被閘極給三面環(huán)繞的通道，在GAA中將是被閘極給四面包圍，預期此一結(jié)構(gòu)將達到更好的供電與開關(guān)特性。只要靜電控制能力增加，則閘極的長度微縮就能持續(xù)進行，摩爾定律重新獲得延續(xù)的動力。

業(yè)內(nèi)人士進一步表示，臺積電已經(jīng)做出環(huán)繞式閘極的結(jié)構(gòu)，外型就像類圓形般，但因為尺寸比前一代縮小30%，也必須導入新材料InAsGe nanowire and Silicon nanowire，因此制程技術(shù)上相當困難，尤其是在蝕刻部分是大挑戰(zhàn)，不過以優(yōu)勢來說，環(huán)繞式閘極的結(jié)構(gòu)將可以改善ESD靜電放電、且優(yōu)化尖端放電的問題，材料廠的高管也認為，「環(huán)繞式閘極」的結(jié)構(gòu)得以繼續(xù)微縮柵長尺寸。

曾在臺積電、中芯國際任職的管理階層認為，要做出環(huán)繞式閘極的結(jié)構(gòu)，搭配極紫外光(EUV)設(shè)備是絕對必要的，但還要克服在光刻和蝕刻上的制程難度，尤其因為線寬極小，高選擇比就非常重要，也就是所謂的蝕刻和側(cè)蝕的蝕刻比例，畢竟不同材料有不同的蝕刻速率，不過因為制程難度高、成本提升，管理層不認為臺積電在3納米制程的新突破，可以更加大幅度的甩開三星和英特爾。

因為在3納米制程部分，除了技術(shù)困難外，制造成本也是是相當巨大。3納米制程的開發(fā)費用，至少耗資40億至50億美元，每月40000片晶圓的晶圓廠成本將達到150億至200億美元。此外設(shè)計成本也是一個問題，一般來說，IC設(shè)計成本從28納米的5130萬美元躍升至7納米的2.978億美元和5納米的5.422億美元，在3納米時，IC設(shè)計成本更是可能會高達5億美元到15億美元不等，所以業(yè)內(nèi)也有一派聲音認為，真的可以在3納米甚至是2納米找到符合成本效益的商業(yè)模式嗎?

電子產(chǎn)業(yè)一直遵循摩爾定律所設(shè)定的開發(fā)藍圖——芯片上可容納的晶體管數(shù)量大約每隔兩年增加1倍，個人電腦(PC)到智能手機等產(chǎn)品的尺寸越來越小、速度越來越快，價格卻越來越便宜。臺積電創(chuàng)辦人張忠謀在六月中旬曾發(fā)表言論，臺積電會不斷挑戰(zhàn)摩爾定律，強調(diào)2納米制程仍可望在2025年前問世，但業(yè)內(nèi)人士認為，2納米可能就是極限了。

一直視摩爾定律為準則的半導體產(chǎn)業(yè)，或許就像張忠謀曾經(jīng)所言，摩爾定律是半導體技術(shù)關(guān)鍵的監(jiān)督者。雖然現(xiàn)在有點松動，但直到現(xiàn)今，市場還是照著摩爾定律在走，展望未來，2.5D/3D封裝、極紫外光、AI和深度學習的驅(qū)動力、芯片架構(gòu)(如鰭式場效晶體管)，以及新材料等如碳導管跟石墨烯等，可能會成為下一代半導體新技術(shù)，值得進一步關(guān)注。