揭秘台积电先进制程及成熟制程的特殊工艺

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在芯片制造先进制程领域，全球现只有两大玩家——中国台湾地区台积电和韩国三星半导体。引人注目的是，今年7月，三星宣布量产3nm芯片，比台积电的生产计划提前了整整2个月。但不过，韩媒指出，虽然台积电3nm量产落后，但市场份额仍遥遥领先于三星。显然，台积电技高一筹。这也是行业内的共同认知。那么，台积电当前在先进制程上是怎样的状态，近日，台积电（中国）有限公司副总监陈芳在南京举行的世界半导体大会上向外界介绍了台积电先进制程的发展状况。

I. 台积电先进制程概况

为了不断满足客户对产品创新的需求，台积电持续提供稳定并且可以预测的先进工艺制程，台积电7纳米在2018年进入量产，同时6纳米技术在2020年进入量产，6纳米技术是台积电第一代利用EUV技术的。除逻辑制程以外，台积电还有提供了N6的IF技术平台，来满足不同客户的需求。台积电的5纳米，在N5和N5P已经进入了量产。

此外，台积电在今年和明年分别会推出N4P和N4X技术平台。这些新的技术，不仅在功耗、速度和密度上面得到持续的改善，同时还保证了同N5和N5P相容的设计规则。3纳米预计在今年下半年进入量产，加强版的N3E会在明年进入最产。N3E相比N3，会有较快的速度和功耗，以及简化的制程复杂度。同时我们还会不断提高N3E的性能来满足高效能产品的需求。N3P和N3X也已经在台积电的规划蓝图中。

II.先进制程具体技术发展

7纳米，2018年进入量产，到现在已经有五年时间，7纳米的产品组合，6纳米和7纳米产品的应用面，从刚开始的智能手机、CPU\GPU等迅速扩展到消费电子、车用电子、以及IF应用产品。预计，到今年底，在7纳米技术上，台积电将会收到超过400份的NTO。

随着7纳米和6纳米的步伐，台积电5纳米、4纳米的产品应用面，也从刚开始的手机、CPU、GPU，延伸到了AI、游戏、AR和VR等。预计，5纳米技术到今年年底为将会收到超过150个NTO。5纳米的量产模式，与7纳米非常相似。

5纳米家族，已经从刚开始的N5\N5P，迅速发展到了N4P\N4X,不仅取得了15%的速度的提升，以及6%晶圆密度的增加，同时还保证它们之间的设计规则的相容性。使得客户在N5或者N5P上设计好的产品，能够迅速地过渡到N4P,甚至是N4X先进制程，从而来降低投资成本。N4P当前的状况是，由于设计上的相互兼容，客户在N5上的IP很容易地过度到N4P。台积电基于N4P设计的基础IP,在今年已经全部完成。N5和N4的良率表现，自从N5量产以来，就表现出比成熟的N7更好的良率表现。而且同样的产品，客户从N5升级到N4, N4P可以提供较小的面积。

3纳米技术，采用FinFET制程。这是当前最先进的逻辑制程。N3E是N3的加强版，与N3相比较，也是提供更快的速度、更低的功耗，以及简化的制程复杂度。相比于N5,N3元件，在相同的功耗条件下，速度提升了百分之十五至百分之二十，或者在相同的速度下，N3的功耗降低了百分之三十至三十五。同N5相比，N3还取得1.3倍整体芯片密度的增加。这主要得益于台积电N3E，会提供2FIN的逻辑单元，和1FIN的逻辑单元进行交错组合，与N5的两FIN逻辑单元，在保证了百分之十一的速度提升的状况下，还有36%的面积减少，以及30%功耗的降低，特别适合那些对密度和功耗比较关注的产品。我们同时也有传统的2FIN。它则是给我们的速度、密度和功耗的最大优化。3纳米具有显著的速度和功耗的提升。当前MOBILE和HPC的客户，正在积极应用台积电的3纳米技术，预计，3纳米在量产的两年内，所收到的NTO是同一时期N5的两倍。

2纳米技术需要很多的创新，来更快的速度和更低的功耗。2纳米的元件，在相同功耗下，会有15%速度的提升。或者是相同的速度下，功耗会有25%至30%的降低，同时，我们还取得了大于1.1倍的晶圆密度的增长。除了基于专门的MOBILE制程外，我们的2纳米技术还有专门的针对HPC先进制程等。2025年该技术将进入量产。

III.台积电特殊工艺的目标

另外，在这次大会，台积电（中国）有限公司商智渊经理也介绍了《特殊工艺的前沿发展》。他指出：除先进制程的产品外，为支持整个半导体行业的发展，台积电还致力于提供广泛的技术组合，从先进的逻辑、特殊工艺至3DIC堆叠和封装方案，为整个半导体生态，系统提供最大的产品价值。当前，特殊工艺在智能手机领域、汽车领域有着快速的增长。为了因应对特殊工艺的需求，台积电持续地投资特殊工艺，以支持技术开发和提升制造能力。

台积电在特殊工艺领域的研发投资，从2016至2021年，年复合增长率超40%。同时，台积电多年来产出了数百万片的特殊工艺的晶圆，制作了很多创新产品，进入了更多的智能设备，大大提高了大家的生活品质。商智渊并详细介绍了台积电特殊工艺在物联网IoT、5G和无线网络射频、嵌入式存储器、电源管理、以及CMOS图像传感器、显示等领域中的最新发展。

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