台积电3纳米技术有望突破 5纳米明年试产

全球晶圆代工龙头厂台积电南京12英寸晶圆厂昨日风光开幕，未来将与大陆的IC 设计公司共同发展成为半导体业强大的力量。

事实上，台积电7纳米制程明年营收占比估逾2成，有望持续领先对手，7纳米制程加强版以及5纳米进度也按计划进行，3纳米制程技术更已进入实验阶段，业内人士更透露，3纳米制程在"Gate All Around(GAA) "、环绕式闸极技术上已有新突破。

台积电在财报会前夕遭到外资调降目标价，将原先223元（新台币，下同）下修到211元，评等由中立降为减码，但台积电总裁魏哲家于财报会上信心喊话；受惠于7纳米及12纳米产能开出，抵消加密货币挖矿运算特殊应用芯片（ASIC）订单减少压力，第四季营收有望创下历史新高，业内人士预期单季获利将上看千亿元。

两日后，台积电运动会上，刘德音首度以董事长身份主持，呼应魏哲家的信心喊话，再次强调台积电7纳米制程今年下半年将大幅量产，也已经跟很多客户合作，明年将有超过一百个产品设计定案，7纳米营收比重将会超过20%，而采用极紫外光（EUV）设备的7纳米制程加强版约后年量产，客户大量采用预计会落在2020年，至于5纳米制程也将在明年春天试产。

魏哲家和刘德音各自的一席话，显现出台积电对于纳米制程的进度规划全在掌握之中，不过不只7纳米和7纳米制程加强版以及5纳米顺利进行，3纳米制程技术也进入实验阶段。据业内人士透露，台积电有着优秀的员工和强大的分析能力，3纳米制程在环绕式闸极技术上有了新突破。

根据专业媒体报导指出，目前纳米制程世代多数采用立体结构，就是所谓"FinFET"「鳍式场效晶体管」，此结构的通道是竖起来而被闸极给包围起来的，因为形状像鱼类的鳍而得名，如此一来闸极偏压便能有效调控通道电位，因而改良开关特性。

但是FinFET在经历14/16nm、7/10nm这两个制程世代后，不断拉高的深宽比(aspect ratio)让前段制程已逼近物理极限，再继续微缩的话，先不提电性是否还能有效提升，就结构而言就已有许多问题。

比方说以硅形成的「鳍」由于材料内部应力作用，太细、高的「鳍」会无法维持直立的形状而形成「扭线」 (wiggling)，而在极紫外光(EUV)导入制程后，此一状况会更严重，原因是光子本身存在的随机效应造成photon shot noise现象。

更何况，不断微缩后，越来越细的闸极对通道的控制能力不足，鳍状通道底部终究还是会成为漏电流的来源，因此学术界很早开始就提出5纳米以下的制程需要走「环绕式闸极」的结构，顾名思义，是FinFET中已经被闸极给三面环绕的通道，在GAA中将是被闸极给四面包围，预期此一结构将达到更好的供电与开关特性。只要静电控制能力增加，则闸极的长度微缩就能持续进行，摩尔定律重新获得延续的动力。

业内人士进一步表示，台积电已经做出环绕式闸极的结构，外型就像类圆形般，但因为尺寸比前一代缩小30%，也必须导入新材料InAsGe nanowire and Silicon nanowire，因此制程技术上相当困难，尤其是在蚀刻部分是大挑战，不过以优势来说，环绕式闸极的结构将可以改善ESD静电放电、且优化尖端放电的问题，材料厂的高管也认为，「环绕式闸极」的结构得以继续微缩栅长尺寸。

曾在台积电、中芯国际任职的管理阶层认为，要做出环绕式闸极的结构，搭配极紫外光（EUV）设备是绝对必要的，但还要克服在光刻和蚀刻上的制程难度，尤其因为线宽极小，高选择比就非常重要，也就是所谓的蚀刻和侧蚀的蚀刻比例，毕竟不同材料有不同的蚀刻速率，不过因为制程难度高、成本提升，管理层不认为台积电在3纳米制程的新突破，可以更加大幅度的甩开三星和英特尔。

因为在3纳米制程部分，除了技术困难外，制造成本也是是相当巨大。3纳米制程的开发费用，至少耗资40亿至50亿美元，每月40000片晶圆的晶圆厂成本将达到150亿至200亿美元。

此外设计成本也是一个问题，一般来说，IC设计成本从28纳米的5130万美元跃升至7纳米的2.978亿美元和5纳米的5.422亿美元，在3纳米时，IC设计成本更是可能会高达5亿美元到15亿美元不等，所以业内也有一派声音认为，真的可以在3纳米甚至是2纳米找到符合成本效益的商业模式吗？

电子产业一直遵循摩尔定律所设定的开发蓝图——芯片上可容纳的晶体管数量大约每隔两年增加1倍，个人电脑(PC)到智能手机等产品的尺寸越来越小、速度越来越快，价格却越来越便宜。

台积电创办人张忠谋在六月中旬曾发表言论，台积电会不断挑战摩尔定律，强调2纳米制程仍可望在2025年前问世，但业内人士认为，2纳米可能就是极限了。

一直视摩尔定律为准则的半导体产业，或许就像张忠谋曾经所言，摩尔定律是半导体技术关键的监督者。

虽然现在有点松动，但直到现今，市场还是照着摩尔定律在走，展望未来，2.5D/3D封装、极紫外光、AI和深度学习的驱动力、芯片架构(如鳍式场效晶体管)，以及新材料等如碳导管跟石墨烯等，可能会成为下一代半导体新技术，值得进一步关注。