臺積電的最新技術布局

2022年04月26日 11:33:47 來源：投資界

　　據臺積電在最新年報中披露，2021年，臺積公司為535個客戶生產1萬2,302種不同的產品。其應用范圍涵括整個電子應用產業，包括于個人計算機與其周邊產品、信息應用產品、有線與無線通訊系統產品、高效能運算服務器與數據中心、汽車與工業用設備，以及包括數位電視、游戲機、數字相機等消費性電子、人工智能物聯網及穿戴式設備，與其他許多產品與應用。

　　能夠獲得這樣的成就，與公司持之以恒的技術投入有重要的關系。按照臺積電所說，公司去年全年研發總支出占營收之7.9%，此一研發投資規模相當于或超越了許多其他高科技領導公司的規模。這也幫助公司在多個領域進行了布局。從財報可以看到，除了發展互補金屬氧化物半導體(CMOS)邏輯技術，臺積公司廣泛的對其他半導體技術進行研發，以提供客戶行動系統單芯片(SoC)及其他應用所需的功能。

　　具體而言，臺積電在2021年完成的技術包括以下這些：

　　1、通過第五代(Gen-5)CoWoS的驗證，硅中介層面積高達2,500平方毫米，可容納至少二個系統單晶邏輯芯片和八個高頻寬存儲器(HBM)小芯片堆棧;

　　2、成功驗證第七代整合型扇出層疊封裝技術(InFO-PoP)，可支援具備增強散熱性的行動應用;

　　3、開始生產第三代整合型扇出暨基板封裝技術(InFO-oS Gen-3)，提供更多的芯片分割及整合，擁有更大的封裝尺寸和更高的頻寬;

　　4、擴大90納米、55納米、40納米以及22納米技術的十二吋BCD技術組合，支援不同整合度的各種快速成長的行動電源管理芯片應用;

　　5、維持28納米嵌入式快閃存儲器的穩定高良率且達成技術驗證，支援消費電子級與第一級車用電子技術應用;

　　6、40納米電阻式隨機存取存儲器(RRAM)進入量產，28納米和22納米準備量產，以作為價格敏感的物聯網市場的低成本解決方案;

　　7、增加22納米磁性隨機存取存儲器(MRAM)生產率，于2021年完成技術驗證，以支援下一世代嵌入式存儲器MCU、車用電子元件、物聯網，以及人工智能應用;

　　8、在四相偵測(Quad Phase Detection, QPD)CMOS傳感器結構達成13%的畫素尺寸微縮，支援行動影像市場。

　　而截止2021年，臺積電已經開發或已提供的制程技術包括：

　　邏輯制程技術

　　3納米鰭式場效晶體管制程(Fin Field-Effect Transistor, FinFET)(N3)技術開發依照計劃進行并有很好的進展，并預計于2022下半年開始量產。

　　N3增強型(N3E)技術系N3技術的強化版，技術開發依照計劃進行并有很好的進展。N3E技術將持續針對行動通訊與高效能運算應用提供領先業界的優勢，量產時間預計在N3量產后一年進行。

　　4納米FinFET(N4)技術為5納米FinFET(N5)技術的強化版，已于2021年為客戶產品試產，并預計于2022年量產。

　　4納米FinFET強效版(4nm FinFET Plus, N4P)技術開發依照計劃進行并有很好的進展，并預計于2022年試產。

　　N4X制程技術于2021年推出。此一技術系臺積公司針對高效能運算產品所量身打造，在臺積公司5納米系列制程技術中，展現極致效能與最高運作時脈，預計于2023年上半年試產。

　　5納米FinFET強效版(N5P)技術為N5技術的效能強化版技術，已于2021年量產。

　　6納米FinFET(N6)技術于2020年量產，并于2021年廣泛應用于手機、高效能運算，以及消費性電子產品。

　　7納米FinFET(N7)及7納米FinFET強效版(N7+)技術已為客戶量產5G及高效能運算產品多年，并于2021年開始為客戶量產消費性電子與車用產品。

　　12納米FinFET精簡型強效版(12nm FinFET Compact Plus, 12FFC+)技術于2021年第一季量產。

　　奠基于12FFC+的技術及硅智財生態系統的N12eTM技術，于2021年推出新的極低漏電的極高閥值元件(Extreme High Threshold Voltage, eHVT)。

　　22納米超低漏電(Ultra-Low Leakage, ULL)(22ULL)技術于2021年推出新的強化版低漏電及具有成本效益的元件，進一步強化22ULL技術平臺，以支援客戶更廣泛的產品應用。

　　特殊制程技術

　　5納米車用基礎硅智財(Foundation IP)開發依照計劃進行并有很好的進展，并預計于2022年通過AEC-Q100 Grade-2驗證。

　　N6射頻(Radio Frequency, RF)(N6 RF)技術于2021年開發完成，客戶產品投片預計于2022年開始。

　　16納米FinFET精簡型(16nm FinFET Compact, 16FFC)射頻技術于2021接獲多個客戶產品的投片。

　　22ULL RF技術于2021年開始量產，涵蓋消費性電子與車用產品等應用。

　　22ULL嵌入式RRAM技術是臺積公司第二代RRAM解決方案，具備成本和可靠性的平衡。2021年已有多個客戶采用此一技術完成產品驗證并準備生產。

　　22ULL嵌入式MRAM技術硅智財于2021年完成超過100萬次的循環操作耐久性和回流焊接能力的驗證。此一技術展現了汽車AEC-Q100 Grade-1能力，并已為客戶量產穿戴式產品多年。

　　28納米ULL嵌入式快閃存儲器制程(eFlash)已通過AEC-Q100 Grade-1可靠性認證技術，于2021年完成安全產品驗證，并將為客戶量產。

　　十二吋晶圓40納米絕緣層上覆硅(Silicon On Insulator, SOI)(N40SOI)技術提供領先業界的競爭優勢，于2021年接獲多家客戶產品投片，并預計2022年開始量產。

　　十二吋90納米雙載子-互補式金氧半導體-擴散金屬氧化半導體強效版(Bipolar-CMOS-DMOS Plus, BCD Plus)技術于2021年通過驗證。臺積公司也于同年協助客戶完成新的設計定案，并采用此一技術開始量產。

　　第一代硅基板氮化鎵(Gallium Nitride on Silicon)技術平臺于2021年完成進一步強化，以支援客戶多元的市場應用。第二代硅基板氮化鎵技術平臺開發中，并預計于2022年完成開發。

　　持續精進互補式金氧半導體影像傳感器(CMOS Image Sensor, CIS)技術，因應智慧手機對先進影像傳感器的強勁需求。2021年，臺積公司協助客戶將世界最小畫素的產品導入市場。

　　臺積公司成功于2021年采用壓電(Piezoelectric)微機電(Micro Electro-mechanical Systems, MEMS) (Piezoelectric MEMS)技術協助客戶推出首款微機電單芯片揚聲器。

　　具體而言，臺積電的特殊技術和應用覆蓋如下所示：

　　(1)混合訊號/射頻

　　隨著第五代行動通訊技術(5G)毫米波時代的到來，臺積公司已經提供了許多利用射頻設計-技術協同優化(DTCO)具有競爭力的技術解決方案。2021年，臺積公司持續提供6納米射頻技術支援5G收發器設計，也提供40納米特殊制程支援在6GHz以下設計的5G射頻前端模塊(FEM)，以及提供28納米高效能精簡型強效版(HPC+)制程支援5G毫米波FEM設計。

　　(2)電源IC/雙極-互補金屬氧化半導體-雙重擴散金屬氧化半導體(BCD)

　　2021年，臺積公司擴大其十二吋BCD技術的制程組合，涵蓋90納米、55納米、40納米以及22納米，以因應快速成長的行動電源管理芯片應用，例如專用的5伏電源開關，以因應鋰電池驅動的功耗成長需求。90納米BCD技術順利進入量產，支援5伏到35伏的廣泛應用，40納米BCD 20/24伏技術也開始量產，具備超低功耗基準與整合式可變電阻存儲器模塊。公司將持續開發28伏及5-16伏高壓元件以涵蓋更多的電源管理芯片應用。

　　(3)微機電系統

　　2021年，臺積公司完成壓電微機電技術的驗證，以生產具備高音質及快速響應的微機電揚聲器。未來計劃包含開發下一世代高敏感度壓電麥克風、十二吋晶圓微機電光學影像穩定(Optical Image Stabilization, OIS)系統、醫療用單芯片超音波傳感器，以及車用微機電應用。

　　(4)氮化鎵半導體

　　2021年，臺積公司第一代650伏氮化鎵增強型高電子移動率晶體管(E-HEMT)完成驗證，進入全產能量產，市場已推出超過130款充電器。公司持續擴充產能以滿足客戶的需求。第二代650伏和100伏E-HEMT之質量因素(FOM)皆較第一代提升50%，預計于2022年投入生產。100伏空乏型氮化鎵高電子移動率晶體管(D-HEMT)已完成元件開發，預計于2022投入生產。此外，臺積公司也開始開發第三代650伏增強型高電子移動率晶體管，預計于2025年推出。

　　(5)互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像傳感器

　　2021年，臺積公司在互補式金屬氧化物半導體影像傳感器技術獲得數項技術進展，包括：

　　(a)在嶄新的四相偵測(Quad Phase Detection, QPD)傳感器結構上畫素尺寸微縮13%，可支援行動影像感測市場;

　　(b)電容在雙重轉換增益(Dual Conversion Gain)與橫向溢出集合電容(Lateral Overflow Integrating Capacitor)影像傳感器上實現畫素內嵌式三維高密度金屬-介電質-金屬(MiM)，支援高動態范圍機械視覺與安全相機的應用;

　　(c)量產新世代車用影像傳感器，具有比前幾代產品高25dB的動態范圍與低三倍的暗態電流，與可應用于自動駕駛輔助系統之能力。

　　(6)嵌入式快閃存儲器/新興存儲器

　　2921年，臺積公司在嵌入式非揮發性存儲器(Non-volatile Memory, NVM)技術領域達成數項重要的里程碑。在28納米制程方面，支援高效能行動運算與高效能低漏電制程平臺的嵌入式快閃存儲器開發維持穩定的高良率，并已通過消費性電子級與第一級車用電子技術驗證，預計于2023年完成最高規格第零級車用電子技術與產品驗證。臺積公司亦提供電阻式隨機存取存儲器技術，作為低成本嵌入式非揮發性存儲器解決方案，支援對價格敏感的物聯網市場。40納米進入量產，而28納米和22納米已準備量產。

　　臺積公司也在嵌入式磁性隨機存取存儲器完成數項重要成就。已量產的22納米MRAM，透過簡化整合制程已成功提高產能，于2021年完成技術驗證。支援車用電子應用的16納米制程亦維持穩定的高良率，預計于2023年完成技術驗證。同時，臺積公司完成了多功能磁性隨機存取存儲器之可行性評估，以因應客戶在微控制器(MCU)、人工智能，以及虛擬實境(VR)應用上高速及低功耗之要求。

　　3DFabricTM ：臺積公司先進封裝技術

　　TSMC-SoICTM(系統整合芯片)三維硅堆棧制程技術中的芯片對晶圓(Chip on Wafer, CoW)技術，成功于2021年在客戶產品的靜態隨機存取存儲器(Static Random Access Memory, SRAM)與邏輯芯片的異質整合(Heterogeneous integration)上，展現出優異的電性表現。

　　CoWoS®-S(Chip on wafer on substrate with silicon interposer)技術于2021年新增了嵌入式深溝槽電容的選擇以及擴大硅基板至三倍光罩尺寸，并且完成驗證，協助客戶在高效能運算產品運用上，能夠整合更多的邏輯與高頻寬存儲器(High Bandwidth Memory)。

　　CoWoS®-R(Chip on wafer on substrate with redistribution layer interposer)技術于2021年完成技術驗證。

　　用于N 4晶圓覆晶封裝的細小間距陣列銅凸塊(C u bump)技術于2021年成功進入試產。2021年，臺積公司致力于維系與許多世界級研究機構的強力合作關系，包括美國的SRC及比利時的IMEC。公司亦持續擴大與全球頂尖大學的研究合作，達到半導體技術進步和培育未來人才的二大目標。

　　2021年的研究成果

　　在財報上，臺積電還分享了公司在2021年的研究成果。首先看工藝制造方面：

　　(1)3納米制程技術

　　2021年，臺積公司建立平臺支援N3技術，支援高效能運算及系統單芯片應用，也開始試產，預計于2022年下半年開始量產。臺積公司也開始開發N3E技術，改善了生產制程容許范圍，具備更佳的效能與功耗，預計于N3制程量產一年之后量產。

　　(2)2納米制程技術

　　2021年，臺積公司進入2納米制程技術的開發階段，著重于測試載具之設計與實作、光罩制作，以及硅試產。主要進展在于提升基礎制程設定、晶體管與導線效能。

　　(3)微影技術

　　2021年，臺積公司的研發組織藉由提升晶圓良率達到可靠影像以支援3納米試產，公司也提升極紫外光(EUV)的應用、降低材料缺陷與增進平坦化的能力以支援2納米技術的開發。此外，臺積公司研發單位致力于減少EUV曝光機光罩缺陷及制程堆棧誤差，并降低整體成本。

　　臺積公司的EUV項目在功率輸出及穩定性上有持續性的突破，進一步提升生產力，在EUV微影制程控制、光阻材料光罩保護膜，以及光罩生產質量皆有進一步進展，進而提升良率，以達到大量生產所需的要求。未來，公司將持續研究下一世代產品的生產與節能契機，以支援EUV項目達成2050年凈零排放的長期目標。

　　(4)光罩技術

　　2021年，研發組織聚焦于提升極紫外光光罩在線寬控制和光罩層疊精準度的表現以符合3納米微影制程的要求。藉由2納米光罩材料與光罩制程的基礎開發，臺積公司持續精進極紫外光光罩技術。

　　來到導線與封裝技術整合方面，臺積公司將晶圓級芯片到芯片制程之細間距連接技術命名為3DFabricTM，其中包括在互連之前嵌入芯片的整合型扇出(InFO)、將芯片嵌入預制的線路重布層(RDL)上的CoWoS®，以及芯片與芯片直接堆棧的SoIC。

　　臺積公司提供通用晶圓級系統整合(WLSI)技術系列，包括SoIC、晶圓上系統(SoW)和整合基板系統(SoIS)，以滿足未來運算系統整合微縮的需求。在2021年，公司也取得了下述進展。

　　1.三維集成電路(3DIC)與系統整合芯片(TSMC-SoICTM)

　　系統整合芯片(TSMC-SoICTM)是創新的晶圓級前段三維集成電路(3DIC)芯片堆棧平臺，具有卓越的接合密度、互連頻寬、功耗效率和薄形輪廓，可透過系統級微縮來延續摩爾定律，具有持續性的效能提升和相對應的成本優勢。系統整合芯片接下來可以使用傳統封裝或臺積公司嶄新的3DFabricTM技術，例如CoWoS®或整合型扇出來做封裝，以支援下一世代高效能運算(HPC)、人工智能(AI)和行動應用產品。

　　目前臺積公司的SoIC制程預計于2022年下半年完成初步驗證。臺積公司將繼續追求系統整合芯片技術的微縮，以便與臺積公司先進的硅技術保持一致，進一步提高晶體管密度、系統PPA(功耗、性能及面積)，以及成本的優勢。

　　2.后芯片(Chip-Last)CoWoS®

　　含有硅中介層的CoWoS®是針對高端高效能運算與人工智能產品應用的2.5D領先技術。此技術之硅中介層具有次微米級的繞線層和整合電容(integrated Capacitors, iCap)，因此可以在上面放置系統單芯片(SoC)和高頻寬存儲器(HBM)等各種小芯片。第五代CoWoS®的硅中介層面積高達2,500平方毫米，可容納至少二個SoC邏輯芯片和八個HBM堆棧，已于2021年通過驗證。2022年，臺積公司的主要重點在于完成驗證CoWoS®技術上嶄新的第三代HBM。

　　3.先芯片(Chip-First)整合型扇出(InFO)

　　2021年，臺積公司持續領先業界大量生產第六代整合型扇出層疊封裝技術(InFO-PoP Gen-6)以支援行動應用，并生產第三代整合型扇出暨基板封裝技術(InFO-oS Gen-3)支援HPC晶粒分割的應用。第七代InFO-PoP也已成功通過驗證支援行動應用和增強散熱性能。第四代InFO-oS如期完成開發，可提供更多的芯片分割，整合更大的封裝尺寸和更高的頻寬。

　　4.先進導線技術

　　藉由實現領先技術，臺積公司先進的導線技術持續協助客戶強化競爭力2021年，嶄新材料的開發達成了導線電阻與電容的降低，以提升芯片效能。此外，導入創新的導線訊號布線與功耗設計，可提升芯片效能，并同時降低成本。

　　正在研究的先進技術

　　元件及材料的創新持續提升先進邏輯技術的效能并降低功耗。2021年，臺積公司與二所一流大學合作，成功展示一個在半金屬鉍(Bi)和半導體的單原子層二維過渡金屬二硫族化合物間的創紀錄低接觸電阻，實現了單原子層二硫化鉬二維晶體管的最高導通狀態電流密度。

　　2021年五月，此項突破發表于全球最重要科學期刊之一的《自然》(Nature)。在2021年舉行的國際電子元件會議(International Electron Device Meeting, IEDM)，臺積公司展示了另一項接觸技術，進一步提升熱穩定性和相對的低接觸電阻，該成果亦獲得正面的媒體報導。

　　臺積公司持續研究新興的高密度、非揮發性存儲器元件和硬件加速器以支援人工智能和高效能運算應用。臺積公司與美國重點大學密切合作，在國際固態電路會議(International Solid-State Circuits Conference, ISSCC)和超大型集成電路技術與電路研討會(Symposiaon VLSI Technology and Circuits, Symp. VLSI)等高規格會議上發表了數篇關于使用電阻式存儲器(RRAM)進行存儲器內運算的論文。存儲器選擇器是實現高密度非揮發性存儲器的關鍵元件。

　　在2021年的超大型集成電路技術與電路研討會，臺積公司展示了一種高效能無砷的鍺碳碲閾值型選擇器，具有超過1011次循環的創紀錄高耐久性，以及約1.3伏的低閾值電壓和約5納安培的低漏電流。

　　在2021年的國際電子元件會議，臺積公司進一步推出了一種氮摻雜的鍺碳碲選擇器，能夠與后段制程兼容并且具有超低的循環到循環間的閾值電壓變動。臺積公司也在2021年的超大型集成電路技術與電路研討會上展示了數種新技術來達成多階存儲器單元(MLC)數據存儲，支援神經網絡應用，包括多階存儲器單元的相變化存儲器(PCM)，其保留時間提高了10萬倍，同時將推論的準確度下降保持在3%以內。