臺積電最新工藝推進計劃

在臺積電2022年技術論壇上，臺積電公布了7nm至2nm先進制程，以及包括射頻/連網(wǎng)性、CMOS影像感測、MEMS和電源管理在內的特色工藝的現(xiàn)狀與規(guī)劃等。其中，2nm工藝將在2025年量產。

臺積電表示，過去兩年COVID-19加速了數(shù)字化轉型，且隨著電子裝置變得更智能、更高度連接，面對更具智能性的邊緣裝置和大規(guī)模運算能力的需求，高能效、低能耗變得對邊緣裝置尤為重要，而結構性增?導致了先進和成熟工藝制程供不應求。因此，臺積公司不斷增加研發(fā)投資，以提供最好的技術，并持續(xù)擴大對先進工藝制程和成熟工藝制程產能的投資。

2nm工藝將在2025年量產

以穩(wěn)定和可預測的速度提供領先業(yè)界的技術發(fā)展，強化每個工藝技術的性能、功耗和密度(PPA)，同時保持設計規(guī)則的兼容性，以實現(xiàn)硅智財?shù)脑倮?，是臺積電在先進技術方面的目標。

具體來看臺積電的工藝推進計劃:

7納米家族:

臺積公司采用N7和N6技術的客戶產品組合不斷擴大，從智能手機、CPU、GPU和XPU，延伸至射頻和消費電子應用。2022年底以前，產品設計定案的累積數(shù)量將超過400。

5納米家族:

臺積公司的5納米技術已經(jīng)進入量產的第三年，支持智能手機、5G、AI、網(wǎng)絡和高性能計算產業(yè)的產品應用。臺積電將大量生產的經(jīng)驗不僅應用于良率的提高，還應用于性能、設計規(guī)則和芯片密度的提升。通過持續(xù)提升N5和N4技術，預計到今年年底將有超過150個產品設計定案。

目前，臺積電已經(jīng)將N4、N4P和N4X技術加入其5納米家族，為即將到來的5納米產品提供持續(xù)的PPA升級。據(jù)悉，從N5到N4X，性能提升了15%，芯片密度提高了6%，同時保持設計規(guī)則的兼容性，以實現(xiàn)設計再利用、更多功能和更佳的規(guī)格提升。

2021年，臺積電推出了半導體技術針對汽?產業(yè)應用的升級N5A，計劃在今年第三季通過AEC-Q100 Grade-2認證。

3納米家族:

臺積電3納米工藝技術持續(xù)采用FinFET半導體結構，并認為此工藝的性能和技術成熟度將最能夠滿足產業(yè)的需求。N3工藝按計劃順利推進，將于2022年下半年量產，N3E將隨后于2023年下半年量產。

今年，臺積電在3納米技術上推出了TSMC FINFLEXTM架構這一創(chuàng)新，它結合了工藝制程和設計的創(chuàng)新，提供了極致的設計彈性，從而優(yōu)化高性能、低功耗或達到兩者的平衡。它提供了顯著的芯片設計優(yōu)勢和彈性，為產品創(chuàng)新提供了強大的平臺。我們知道，減少鰭片數(shù)量對提升PPA至關重要。臺積公司的FINFLEX創(chuàng)新是一個關鍵性的突破，通過混合不同的組件高度，在一個設計區(qū)塊中實現(xiàn)不同的組件高度。

TSMC FINFLEX架構將3納米家族技術的產品性能、功率效率和密度進一步提升，讓芯片設計人員能夠在相同的芯片上利用相同的設計工具來選擇最佳的鰭結構支持每一個關鍵功能區(qū)塊，分別有3-2鰭、2-2鰭、以及2-1鰭結構可供選擇，其特性如下:

?3-2鰭-最快的頻率和最高的效能，滿足最高要求的運算需求

?2-2鰭-高效性能，在性能、功率效率和密度之間取得良好的平衡

?2-1鰭-超高的功效、最低的功耗、最低的漏電和最高的密度

FINFLEX創(chuàng)新使N3E實現(xiàn)了從N5的全一代微縮，為移動和HPC應用提供了完整的平臺支持，并將具有更強的性能、功率和較低的工藝制程復雜性。

2納米家族:

在過去的15年中，臺積電一直在研究納米片(nanosheet)晶體管，并相信N2是導入納米片晶體管的合適工藝制程，將速度和功率提升全一代，協(xié)助客戶保持競爭力。目前，N2的開發(fā)按計劃順利推進，預計于2025年量產。

在納米片晶體管和設計技術協(xié)同優(yōu)化(DTCO)的幫助下，臺積電N2的性能和功率優(yōu)勢提升了一代。相較于N3E，在相同功耗下速度提升10-15%，或在相同速度下功耗降低25-30%。由于納米片晶體管具有卓越的低Vdd性能，N2在正常Vdd及相同的功耗下，性能提高了15%，在較低的Vdd(0.55V)下，優(yōu)勢擴大到26%。

在N2之后

在未來，臺積電對于N2之后的發(fā)展持樂觀態(tài)度，特別是在新型晶體管結構、新材料、持續(xù)微縮和新導體材料方面的創(chuàng)新。

多年來，標準半導體架構的演變已經(jīng)從平面式晶體管轉至鰭式場效晶體管(FinFET)，并將再次發(fā)展到納米片晶體管。甚至在納米片之外，臺積電看到包括CFET(垂直堆棧的nFET和pFET)在內的許多可能的方向。

除此之外，臺積電還期待在2D材料、1D碳納米管等方面的突破，在不斷微縮的同時，克服芯片移動性方面的挑戰(zhàn)。未來，臺積公司將繼續(xù)探索晶體管架構，并利用2D材料和碳納米管等新材料。

為了解決關鍵工藝制程的間距縮小問題，臺積電在N7+開始利用EUV曝光設備和多重曝刻技術。未來，臺積電將在2024年引進High-NA EUV曝光設備，以開發(fā)客戶所需的相關基礎架構和曝刻解決方案，以支持創(chuàng)新。

寫在最后

除了上述臺積電在先進工藝上的推進發(fā)展，臺積電在特殊工藝上同樣投入諸多。據(jù)了解，近年來，臺積電在特殊技術的投資的復合年增?率超過64%，幾乎是過去投資速度的三倍。在接下來的幾年內，預計會進一步擴增其特殊工藝產能。根據(jù)臺積電預計，到2025年，特殊工藝產能增加近50%。

臺積電持續(xù)通過智能化制造的創(chuàng)新，提高生產力和最大化產出。過去三年，臺積電的資本支出增加了超過一倍，從2019年低于150億美元，增加至2021年的300億美元，再到2022年的400至440億美元，為先進工藝制程、成熟工藝制程和3DFabric建置產能。

臺積電在南京興建的新的28納米晶圓廠預計于今年第四季度開始量產。同時，其在美國亞利桑那州的晶圓廠正在興建中，預計于2024年量產5納米工藝。臺積電還在日本熊本新建廠線并擴大規(guī)劃產能，以提供12/16納米和28納米家族技術的晶圓制造服務，預計于2024年開始量產。

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