近期，2nm制程技術(shù)又有新亮點(diǎn)出現(xiàn)，臺(tái)積電依然發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

綜合：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫編輯部

臺(tái)積電3nm如期在下半年進(jìn)入量產(chǎn)，2nm研發(fā)超前部署，除了是臺(tái)積電第一個(gè)納米片（Nanosheet）的環(huán)繞閘極（GAA）晶體管架構(gòu)制程，也會(huì)是業(yè)界首度采用高數(shù)值孔徑（High-NA）極紫外光（EUV）光刻技術(shù)的先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)，進(jìn)度可望超前三星和英特爾。

臺(tái)積電預(yù)計(jì)在竹科寶山二期興建Fab 20超大型晶圓廠，將成為2nm生產(chǎn)重鎮(zhèn)。臺(tái)積電Fab 20廠區(qū)將分為第一期到第四期、共興建4座12英寸晶圓廠，預(yù)計(jì)2024年下半年進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)性試產(chǎn)，2025年進(jìn)入量產(chǎn)。臺(tái)積電2nm將首度采用納米片GAA晶體架構(gòu)，技術(shù)開(kāi)發(fā)進(jìn)度符合預(yù)期。

臺(tái)積電的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手三星電子和英特爾計(jì)劃最早在2022年全面部署各自的納米片技術(shù)。

作為全球領(lǐng)先的晶圓代工廠，臺(tái)積電向新聞媒體簡(jiǎn)要介紹過(guò)未來(lái)幾年的路線圖，臺(tái)積電業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁張凱文表示，該公司還驗(yàn)證了納米片后續(xù)工藝技術(shù)，如CFET（復(fù)合FET）。

CFET是納米片技術(shù)的演變形式。n型FET和p型FET上下層疊，實(shí)現(xiàn)更高的晶體管密度。HPC 應(yīng)用（如數(shù)據(jù)中心）的能耗對(duì)全球變暖有重大影響。臺(tái)積電正在尋求新的晶體管架構(gòu)，以鼓勵(lì)降低這種能源消耗。

臺(tái)積電近幾年能夠維持強(qiáng)勁成長(zhǎng)動(dòng)能，下半年就算消費(fèi)性電子需求疲弱，半導(dǎo)體生產(chǎn)鏈進(jìn)入庫(kù)存調(diào)整，8月合并營(yíng)收仍達(dá)2181.32億元新臺(tái)幣創(chuàng)下歷史新高，對(duì)下半年產(chǎn)能滿載深具信心，其中關(guān)鍵原因就是先進(jìn)制程由開(kāi)發(fā)到量產(chǎn)的時(shí)間點(diǎn)均大幅領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)同業(yè)，新制程一推出自然就等于是通吃整個(gè)市場(chǎng)訂單。

臺(tái)積電表示，在過(guò)去的15年中一直在研究納米層片晶體管，并建立了堅(jiān)實(shí)的能力。臺(tái)積電相信2nm是導(dǎo)入納米片GAA架構(gòu)晶體管的合適制程，將速度和功率提升一個(gè)世代，協(xié)助客戶保持競(jìng)爭(zhēng)力。

臺(tái)積電重申2nm開(kāi)發(fā)符合進(jìn)度，預(yù)計(jì)于2025年量產(chǎn)。在納米層片晶體管和設(shè)計(jì)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（DTCO）的協(xié)助下，臺(tái)積電2nm效能和功率優(yōu)勢(shì)提升了一個(gè)世代。相較于N3E制程，在相同功率下速度提升10%~15%，或在相同速度下功率降低25%~30%。且由于納米片晶體管具有卓越的低Vdd（芯片工作電壓）效能，2nm在正常Vdd及相同的功率下，效能提高了15%，在較低的Vdd（0.55V）下，優(yōu)勢(shì)擴(kuò)大到26%。

臺(tái)積電2nm制程能夠持續(xù)推進(jìn)并領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)同業(yè)，另一關(guān)鍵在于掌握EUV曝光機(jī)產(chǎn)能及技術(shù)。臺(tái)積電為了積極解決關(guān)鍵制程的間距縮小問(wèn)題，在N7+制程開(kāi)始利用EUV曝光設(shè)備和多重曝刻技術(shù)。臺(tái)積電將在2024年引進(jìn)High-NA EUV曝光設(shè)備，開(kāi)發(fā)客戶所需的相關(guān)基礎(chǔ)建設(shè)結(jié)構(gòu)和曝刻解決方案以支持創(chuàng)新。據(jù)了解，臺(tái)積電可望再度領(lǐng)先同業(yè)，在2nm首度采用High-NA EUV技術(shù)。

 昂貴的High-NA EUV

ASML宣布去年底及今年都接獲最新一代High-NA極紫外光刻機(jī)（EUV），意味ASML在導(dǎo)入 0.55 數(shù)值孔徑High-NA EUV 光刻技術(shù)的道路上又邁出了一步。

High-NA EUV 是ASML最新一代光刻設(shè)備，雖然ASML未透露下單客戶，但因這項(xiàng)設(shè)備被業(yè)界視為做為未來(lái)投入GAA技術(shù)關(guān)鍵光刻設(shè)備，預(yù)料下單廠商應(yīng)是臺(tái)積電或三星，從臺(tái)積電稍早公布資本支出高達(dá)400億到440億美元，且首度揭露用于2nm先進(jìn)制程投資，這也意味臺(tái)積電在2nm有重大突破，并下單采購(gòu)High-NA EUV，投入2nm研發(fā)及試產(chǎn)。

臺(tái)積電供應(yīng)鏈透露，臺(tái)積電內(nèi)部規(guī)劃2nm試產(chǎn)部隊(duì)于今年第4季正式成軍，這也意味臺(tái)積電在先進(jìn)制程，不會(huì)讓三星有任何超車的機(jī)會(huì)。

不過(guò)據(jù)了解，三星也緊急搶購(gòu)一臺(tái)High-NA EUV，并要ASML直接拉到三星工廠內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，創(chuàng)下ASML首創(chuàng)直接先出貨再客戶廠內(nèi)測(cè)試的首例，顯見(jiàn)二大廠在先進(jìn)制程競(jìng)賽超乎想象的激烈。

今年1月，英特爾宣布第一個(gè)下單訂購(gòu)了ASML TWINSCAN EXE:5200光刻機(jī)。

TWINSCAN EXE:5200是ASML的高數(shù)值孔徑EUV光刻機(jī)，其吞吐量超每小時(shí)220片晶圓（wph）。

從路線圖來(lái)看，EXE:5200預(yù)計(jì)最快2024年底投入使用，2025年開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用于先進(jìn)芯片的生產(chǎn)。

事實(shí)上，4年前，ASML的第一代高NA（0.55 NA）光刻機(jī)EXE:5000，英特爾就是第一個(gè)下單的公司。不過(guò)當(dāng)前的7nm、5nm芯片還并非是其生產(chǎn)，而是0.33NA EUV光刻機(jī)。

和0.33NA光刻機(jī)相比，0.55NA的分辨率從13nm升級(jí)到8nm，可以更快更好地曝光更復(fù)雜的集成電路圖案，突破0.33NA單次構(gòu)圖32nm到30nm間距的極限。

外界預(yù)計(jì)，第一代高NA光刻機(jī)EXE:5000會(huì)率先用于3nm節(jié)點(diǎn)，至于EXE:5200，按照英特爾的制程路線圖，2025年至少是20A或者18A，也就是5nm和5nm+。

此前，ASML發(fā)言人曾對(duì)媒體透露，更高的光刻分辨率將允許芯片縮小1.7倍、同時(shí)密度增加2.9倍。未來(lái)比3nm更先進(jìn)的工藝，將極度依賴高NA EUV光刻機(jī)。

最后不得不說(shuō)，英特爾能搶到第一單，除了和ASML一致緊密合作外，當(dāng)然也是因?yàn)椤扳n能力”，Gartner分析師Alan Priestley稱，0.55NA下一代EUV光刻機(jī)單價(jià)將翻番到3億美元（約合19億元人民幣）。

 一臺(tái)微波爐，成2nm芯片制造關(guān)鍵

一個(gè)由科學(xué)家改裝的家用微波爐，正在幫助制造下一代手機(jī)、電腦和其他電子產(chǎn)品。這項(xiàng)發(fā)明被證明克服了半導(dǎo)體行業(yè)面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。相關(guān)研究結(jié)果以“Efficient and stable activation by microwave annealing of nanosheet silicon doped with phosphorus above its solubility limit”為題，發(fā)表在科學(xué)期刊《應(yīng)用物理學(xué)快報(bào)》（Applied Physics Letters）上。

康奈爾大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授 James Hwang 為該論文的作者之一。

隨著芯片尺寸變得越來(lái)越小，要想產(chǎn)生所需的電流，硅必須摻雜或混合更高濃度的磷。如今，半導(dǎo)體制造商正面臨著一個(gè)臨界極限，即使用傳統(tǒng)方法來(lái)加熱高摻雜材料已經(jīng)無(wú)法生產(chǎn)出性能穩(wěn)定的半導(dǎo)體。

臺(tái)積電認(rèn)為，微波在理論上可以用來(lái)激活過(guò)量的摻雜劑。但是，就像家用微波爐有時(shí)會(huì)不均勻地加熱食物一樣，之前的微波退火裝置往往會(huì)產(chǎn)生“駐波”（standing waves），從而阻止摻雜劑的一致激活。

為此，臺(tái)積電與 Hwang 合作，通過(guò)一個(gè)改進(jìn)的微波爐選擇性地控制駐波發(fā)生的位置，從而可以在不過(guò)度加熱或損壞硅晶體的前提下，恰到好處地激活摻雜劑。

對(duì)此，Hwang 表示：“這一發(fā)現(xiàn)可以用于制造 2025 年前后生產(chǎn)的半導(dǎo)體材料和電子產(chǎn)品。”

Hwang 還說(shuō)道：“目前，只有少數(shù)企業(yè)在生產(chǎn) 3nm的半導(dǎo)體材料。這種新的微波方法有可能使臺(tái)積電和三星電子等芯片制造商將尺寸縮小到2nm?！?/span>

據(jù)介紹，這一突破可能會(huì)改變芯片中使用的晶體管的幾何形狀。

20 多年來(lái)，為了保證每個(gè)芯片上能裝載更多的晶體管，晶體管被制作成像背鰭一樣直立。

近年來(lái)，芯片制造商開(kāi)始試驗(yàn)一種新的結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)下，晶體管可以呈水平堆疊狀。而微波退火使更多摻雜的材料成為可能，這是實(shí)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。