臺積電2nm工藝進展如何了?MBCFET架構獲重大突破

2020-11-25 電子工程專輯

據臺灣經濟日報最新報導，臺積電已經在2nm工藝上取得一項重大的內部突破，雖未披露細節，但是據此樂觀預計，2nm工藝有望在2023年下半年進行風險性試產，2024年就能步入量產階段。IdGEETC-電子工程專輯

臺積電還表示，2nm的突破將再次拉大與競爭對手的差距，同時延續摩爾定律，繼續挺進1nm工藝的研發。IdGEETC-電子工程專輯

臺積電預計，蘋果、高通、NVIDIA、AMD等客戶都有望率先採納其2nm工藝。IdGEETC-電子工程專輯

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2nm工藝上，臺積電將放棄延續多年的FinFET(鰭式場效應電晶體)，甚至不使用三星規劃在3nm工藝上使用的GAAFET(環繞柵極場效應電晶體)，也就是納米線(nanowire)，而是將其拓展成為「MBCFET」(多橋通道場效應電晶體)，也就是納米片(nanosheet)。IdGEETC-電子工程專輯

從GAAFET到MBCFET，從納米線到納米片，可以視為從二維到三維的躍進，能夠大大改進電路控制，降低漏電率。IdGEETC-電子工程專輯

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當然，新工藝的成本越發會成為天文數字，三星已經在5nm工藝研發上已經投入了大約4.8億美元，3nm GAAFET上會大大超過5億美元。IdGEETC-電子工程專輯

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考量成本、設備相容、技術成熟及效能表現等多項條件，2nm採以環繞閘極（GAA）製程為基礎的MBCFET架構，解決FinFET因製程微縮產生電流控制漏電的物理極限問題。IdGEETC-電子工程專輯

極紫外光（EUV）光刻技術的提升，使臺積電研發多年的納米片（Nano Sheet）堆疊關鍵技術更為成熟，良率提升進度較預期順利。IdGEETC-電子工程專輯

臺積電此前透露2nm研發生產將在新竹寶山，規劃P1到P4四個超大型晶圓廠，佔地90多公頃。IdGEETC-電子工程專輯

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FinFET的替代者出現，GAA技術給摩爾定律續命

摩爾定律表明：每隔18~24 個月，集成電路上可容納的元器件數目便會增加一倍，晶片的性能也會隨之翻一番。IdGEETC-電子工程專輯

然而，在摩爾定律放緩甚至失效的今天，全球幾大半導體公司依舊在拼命「廝殺」，希望率先拿下製造工藝布局的制高點。IdGEETC-電子工程專輯

從2012年起，FinFet已經開始向20mm節點和14nm節點推進。IdGEETC-電子工程專輯

並且，依託FinEFT技術，晶片工藝節點製程已經發展到7nm，5nm甚至是3nm，也遇到了瓶頸。IdGEETC-電子工程專輯

而全環繞柵(GAA)是FinFET技術的演進，溝道由納米線（nanowire）構成，其四面都被柵極圍繞，從而再度增強柵極對溝道的控制能力，有效減少漏電。IdGEETC-電子工程專輯

與現在的7nm工藝相比，3nm工藝的具體指標表現為：可將核心面積減少45%，功耗降低50%，性能提升35%。IdGEETC-電子工程專輯

臺積電2nm採用的GAA（Gate-all-around，環繞閘極）或稱為GAAFET，它和FinFETs有相同的理念，不同之處在於GAA的柵極對溝道的四面包裹，源極和漏極不再和基底接觸。IdGEETC-電子工程專輯

根據設計的不同，GAA也有不同的形態，目前比較主流的四個技術是納米線、板片狀結構多路橋接鰭片、六角形截面納米線、納米環。IdGEETC-電子工程專輯

三星對外介紹的GAA技術是Multi-Bridge Channel FET（MBCFET），即板片狀結構多路橋接鰭片。IdGEETC-電子工程專輯

臺積電同樣採用MBCFET架構。臺積電總裁魏哲家日前於玉山科技協會晚宴專講時透露，臺積電製程每前進一個世代，客戶的產品速度效能提升30%- 40%，功耗可以降低20%-30%。IdGEETC-電子工程專輯

GAA可以帶來性能和功耗的降低，但成本也非常高。市場研究機構International Business Strategies (IBS)給出的數據顯示，28nm之後晶片的成本迅速上升。28nm工藝的成本為0.629億美元，5nm將暴增至4.76 億美元。三星稱其3nm GAA 的成本可能會超過5億美元IdGEETC-電子工程專輯

臺積電：1nm晶片，沒問題！

在「2020世界半導體大會」上，臺積電南京公司總經理羅鎮球表示，晶片製程工藝持續推進，摩爾定律仍將適用---3nm、2nm、1nm都沒有什麼太大問題。IdGEETC-電子工程專輯
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羅鎮球透露，2021年可以在市面上看到3nm的產品，臺積電計劃在2022年實現3nm產品的大規模量產。IdGEETC-電子工程專輯

據羅鎮球透露，目前，臺積電7nm工藝有超過140個產品在生產，同時，臺積電還持續投入7nm+和6nm工藝。IdGEETC-電子工程專輯

公開資料顯示，臺積電南京公司成立於2016年，是臺積電的全資子公司，下設有一座十二英寸晶圓廠和一個設計服務中心。該公司去年營收40億元，同比增長170%。IdGEETC-電子工程專輯

臺積電5nm、4nm、3nm、2nm晶片最新情況如下：IdGEETC-電子工程專輯

① 目前，臺積電5nm晶片已經進入量產階段良率推進遠遠好於3年前的7nm；IdGEETC-電子工程專輯
② 預計4nm晶片在2021年開始正式批量生產；IdGEETC-電子工程專輯
③ 臺積電3nm晶片，性能可以再提升10-15%，功耗可以再降低25-30%。預計可以看到3nm晶片產品將在2022年進入大批量生產；IdGEETC-電子工程專輯
④ 此外，在日前召開的「臺積電技術論壇」上，臺積電透露了2nm晶片的最新布局---已經在新竹購買了土地用於建設2nm工廠和新的研發中心，投入8000多名工程師進一步推動2nm節點研發。IdGEETC-電子工程專輯

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    >臺積電一直走在先進技術的前沿，目前已經成功突破5nm晶片工藝，並且成功量產。但是5nm並不是終點，而是對高端工藝探索的起點。在臺積電的計劃中，明年就能發布有關3nm的產品，並且在2022年嘗試量產3nm，到2023年就能正式大規模量產。這是臺積電對未來技術發展的一項完整規劃，但其實不只是3nm，包括2nm也計劃在2024年實現突破。2nm是怎樣的層次，可能是目前無法窺探的。
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