獨家直擊台積電中國場技術論壇：南京28nm擴產進度、2nm新材料

作者 ｜ 連于慧

因為疫情之故，台積電一年一度的中國場技術論壇維持線上舉行，一如往昔由台積電總裁魏哲家進行開場。他指出，全球半導體產業產值將在 2030 年達到一萬億美元，高速發展的同時也帶來很多挑戰，像是地緣政治之故，供應鏈不約而同提高庫存且進行在地化生產。另外，全球客戶對成熟製程產能需求強勁，但興建成熟製程產能的高成本問題，唯有大家齊心合作才能克服挑戰。

台積電中國業務負責人兼南京廠總經理羅鎮球表示，因為科技進步和半導體技術不斷演進，我們真實的生活場景比十多年前想像出來的科幻電影更精彩，例如 2011 年上映的 “碟中諜4” 男主角配戴的面部識別隱形眼鏡已落實於現實。

因為疫情之故，遠程工作教學、線上娛樂、遠程醫療成為生活的新常態。全球遠程醫療的整體使用率甚至成長 38 倍，5G 網絡和低遲延技術讓海量醫療有了聚合應用。

進入 2022 年台積電中國區線上技術論壇現場，一如繼往由業務開發資深副總張曉強介紹先進制程技術進展、特殊技術業務開發處資深處長劉信生講解成熟製程的未來，以及營運組織資深副總秦永沛說明台積電製造產能規劃環節。

《問芯Voice》獨家直擊並整理以下幾個板塊：7nm、5nm、3nm、2nm先進制程進度、生產基地和產能規劃; 特色工藝包括電源管理芯片PMIC、CIS圖像感測器、物聯網IoT芯片、MCU必備技術embedded NVM、面板顯示器驅動芯片技術等技術藍圖規劃。

台積電產能規劃：

• 2018～2022年，台積電先進制程產能的年複合成長率為70%。

• 2022年5nm產能會是2020年(量產首年)四倍以上。

除了持續朝先進制成技術邁進，台積電也會不斷擴充特色工藝產能來滿足客戶的需求。 2022年特色工藝產能的資本支出將會是過去三年平均值的3.5倍。

• 特色工藝產能佔台積電整體成熟製程產能的比重會持續成長，2018年佔比約45%，預計2022年會來到63%。若是與2021年相比，2022年12寸晶圓的特色工藝產能會成長14%。

• 台積電EUV機台總數量佔全球EUV機台的55%。為滿足客戶對於高速運算HPC、AI、5G產品應用的龐大需求，每個EUV機台的每日晶圓產能不斷在成長中。

• 在新晶圓廠規劃方面，2017～2019年期間，台積電平均每年興建兩個新廠; 2020～2023年期間，每年興建六個新廠。除了擴建新晶圓廠，台積電也持續擴建新的封裝廠，並擴大全球生產據點。算一算從去年至今，台積電開始興建的新晶圓廠有七個：台灣三個晶圓廠、海外兩個晶圓廠，以及台灣兩個先進封裝新廠。

• 3nm製程生產基地：設立於台南Fab 18第五、六、七、八、九期; 2nm製程生產基地已經確定在新竹Fab 20。

• 台積電也在台灣擴增7nm和28nm產能，地點設在高雄Fab 22，預計2022年下半動工，預計2024年量產。先進封裝方面，也擴增竹南廠。

• 海外晶圓廠方面：在建中的南京28nm製程新12寸晶圓廠預計今年第四季開始量產; 美國5nm製程新廠目前建設中，預計2024年量產; 日本16nm/28nm晶圓廠屬於特色工藝技術，預計2024年開始量產。

• 3D Fabric製造方面，台積電的3D Fabric系統整合解決方案涵蓋前段硅堆疊TSMC SoIC和後段先進封裝技術包括InFO和CoWoS。台積電在持續投資3D Fabric之下，預計2022年開始硅堆疊生產，2026年產能達到2022年的20倍以上; 先進封裝產能方面，2022年產能會是2018年的三倍以上。

• 台積電的SoIC技術提供業界最佳的Interconnect密度，搭配InFO或CoWoS製程協助客戶提升產品效能，SoIC技術預計今年下半年開始量產，2023年全系列整合Fabric廠會進入量產。

整個來看，台積電是在2018年進入7nm量產，2020年進入5nm量產，今年下半年進入3nm時代，2nm技術預計在2025年開始生產。

• 7nm製程技術：從2018年量產至今進入第五年，產品應用面。從行動裝置、CPU、GPU再擴展到AI、網通、RF、消費電子、車用電子，預計到今年底，7nm製程累積的客戶投片數量超過400個。

• 5nm＋4nm製程技術：因應強勁的客戶需求，台積電不斷在擴大5nm＋4nm產能，且產品應用也開始多樣化，從mobile、CPU、GPU擴展到AI和網通，未來有更多樣的產品應用，預計到2022年底，5nm＋4nm製程累積的客戶投片數量超過150個。

• N4X製程技術：預計2023年量產，和N5相比效能提升15%、芯片密度提升6%，同時保持設計兼容性和完整的IP重複使用。

• 在良率方面，台積電N5量產良率目前比N7還要好，而N4良率也會達到N5標準。

• N3製程技術：下半年即將量產的3nm，等到N3量產後會再推出N3E作為N3家族的延伸，提供更好的速度和功耗。 3nm製程相較5nm製成，在相同的功耗下，N3E效能增加20%，相同速度下，功耗降低35%，從Mobile到HPC應用都會完整提供。

• N3E製程與N5相比，速度增加11%，功耗降低30%，芯片面積36%，提升產品在新工藝上優勢。

張曉強也介紹了3nm技術上的創新，以往產品設計受限於芯片空間，設計工程師常常被迫要在芯片速度、功耗、面積之間做出選擇，等到台積電的N3E推出後，這將不再是煩惱。

值得注意的是，台積電2022年的技術論壇中首次將“TSMC FinFlex”設計架構介紹出場。TSMC FINFLEX技術可以提供多樣化的標準元件選擇：3-2鰭結構支援超高性能、2-1鰭結構支援最佳功耗效率與晶體管密度、2-2鰭結構則是支援平衡兩者的性能，精準協助客戶完成符合其需求的系統單芯片設計，各功能區塊採用最優化的鰭結構，支援所需的性能、功耗與面積，同時整合至相同的芯片上。

這樣設計下，可以把design library做到極致優化，使得N3E可以完美的結合工藝製程、電路設計，提供更大的產品設計空間。

• N2製程技術：將採用嶄新的晶體管架構Nanosheet，N2和N3E相比，在同樣功耗下速度增加15%，或是相同速度下，功耗會降低30%，同時芯片密度也將明顯進度。N2預計在2025年開始量產。
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• N2的創新功能：在高效能運算平台上N2將提供晶圓背面的電源網絡（backside Power），以全力支持小芯片（Chiplet）整合，這些創新可以幫客戶提升產品整體性能，特別是速度和功耗。整體來看，N2會更好滿足未來半導體產品創新應用的需求。
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• 晶體管架構和料的不斷創新演變：十多年前是2D平面planner架構演進到今天的3D FinFET，現在N2將進入新的Nanosheet架構。在Nanosheet之後，晶體管架構會繼續演變創新，除了CFET是把N FET和P FET疊起來，能大幅提高晶體管的密度。在材料上也有很多革新，包括2D半導體材料，以及1D Carbon nanotube(CNT)等等，這些新材料都會進一步推動半導體晶體管的進步。
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• 半導體新材料的研發：在高速芯片設計中，低電阻和低電容的金屬來往變得越來越重要，台積電正在研發一種新的製程工藝，用mental-RIE，這個新技術可以在導線之間形成真空（airgap），降低20~30%導線的有效電容。在導線方面，近幾十年一直以銅為主導材料，當銅導線的厚度小於電子，電阻值會急劇增加，這是未來半導體技術演進的障礙。目前，台積電正在研究一種新的2D材料，有機會代替銅作為導線。由於2D材料具備獨特的傳導性能，因此電阻不會受到導線變薄的影響，從而保證芯片的高速運算性能。
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• 在TSMC 3DFabric方面，2D InFO平台能夠以小封裝尺寸實現不同小芯片的整合，以及提升運算效能; 2.5D CoWoS平台適合整合先進邏輯芯片與高帶寬內存HBM，滿足高效能運算需求例如AI、機器學習。

台積電SoIC採用chip-on-wafer技術，可以實現高密度的芯片堆疊。 SoIC、 InFO、 CoWoS可以互相搭配為提供不同的系統整合方式。

• CoWoS技術平台：可以把不同先進邏輯芯片和高帶寬存儲HBM緊密整合起來。 CoWoS起始於silicon interposer，作為聯結，針對不同產品開發了不同的interposer技術，包括organic interposer（CoWoS-R和CoWoS-L），把organic interposer和嵌入式interposer/interconnect整合起來達成更加系統優化。再者，高密的的電容也被嵌入到interposer，來提高芯片整體運算效力。

• 3D SoIC芯片堆疊發展計劃：是採用chip-on-wafer 或 wafer-on-wafer堆疊技術，把3D芯片堆疊技術和晶體管堆疊技術完美結合，極大加速未來系統運算能力。台積電舉例與AMD合作的新一代的數據中心CPU處理器 EPYC，充分展現SoIC 3D技術的重要性。在透過SoIC技術，AMD在CPU芯片上堆疊了Cache、Memory、SRAM，在許多應用上都實現刷新紀錄表現。

關於台積電在特殊技術製程上的進展，特殊技術業務開發處資深處長劉信生在技術論壇中指出，邏輯技術對於增強運算能力至關重要，特殊製程技術通常是用來連結現實世界和數位世界的關鍵，包括RF、connectivity、CIS、MEMS、電源管理芯片PMIC等，為支持整個半導體行業發展，台積電提供廣泛的技術組合，從先進邏輯、特殊製程到3D IC技術等。

劉信生用了兩個例子來說明特殊製程技術的快速成長。一是智能手機快是無所不能，我們更希望能永遠不斷電，無論從感測、聲音、顯示、電源都需要更多的特殊製程。另一個是智能汽車Smart Car，就像是裝了輪子的超級電腦，一輛汽車有數百個半導體芯片，包括發動機、混合動力模式、安全氣囊、娛樂、網絡連結等。

為了因應客戶對於特殊製程工藝需求增加，台積電也持續投資特殊製程技術，從2016到2021年投資金額的年複合成長率超過40%。

對於半導體特殊製程技術而言，低工作電壓Low Vdd 和低漏電Low leakage兩者非常重要。

• 物聯網IoT技術：首要任務是提供超低功耗的解決方案，優化IoT和AI的效能和功耗。最新的N12e工藝適用於邊緣計算芯片，同時也在N12e工藝上開發Ultra Low leakage SRAM，漏電流低於0.5pA/cell。再者，下一代N6e工藝正在開發中。

• 5G和無線網路的N6RF製程製程技術：在各種影片傳播上，WIFI 7變成非常重要，比WIFI 6快上三倍。但若採用和WIFI 6相同的工藝，WIFI 7的芯片面積會比WIFI 6大2.25，功耗是WIFI 6是2.1倍。所以智能手機、智能穿戴裝置、AR/VR需要功耗和面積更好的製程技術，才能反映出WIFI 7傳輸速度帶來的優勢。台積電因應推出N6RF製程，相比N16製程，可以將WIFI 7芯片的功耗降低49%，面積縮減55%。

• embedded NVM：這是MCU的基本技術和應用，應用於智能手機、智能可攜式裝置、車用電子等。同時也開發新的embedded memory技術例如RRAM、MRAM等。

• RRAM：一種具有成本效應的NVM解決方案，可完全兼容於40nm、28nm、22nm、12nm製程。40nm RRAM已經在今年第一季開始生產，已有多個客戶投片。 22nm RRAM完成驗證，並準備導入量產。台積電目前正在開發下一代的12nm RRAM，預計2023年底前準備就緒。

• MRAM：適合高性能和高穩定性到解決方案，像是工業、車用MCU。 22nm MRAM在2020年第四季開始生產物聯網IoT產品，認證也達到車用Grade 1。16nm MRAM預計2022年消費性電子使用，預計2023年通過車用Grade 1認證。

• 電源管理芯片PMIC：各應用對於PMIC需求越來越廣，例如無線充電、汽車智慧LED照明，RF PA功率封包追蹤（envelope tracking）等應用，為滿足越來越多的需求浮現，台積電也將PMIC的晶圓生產升級到12寸BCD製程。

• 在電源管理芯片PMIC方面，長年受歡迎的技術是8寸的0.18 BCD製程。此外，台積電提供0.13微米8寸到22nm的12寸BCD製程。下一步是N90BCD，預計2022年下半年開始量產，目前PDK 1.0版已發布，基礎IP已經準備就緒。

• 圖像傳感器CIS：CIS的高速發展得益於智能手機問世，下一波成長動能會是車用電子和AR/VR，而Smart Sensing的關鍵是高品質鏡頭、多感測器的融合、AI影像，同時也需要出色的pixel技術、低功耗處理技術，以提供系統上的完整方案。

台積電強調，其CIS技術專註於system level，涵蓋CIS pixel、ISP和用於芯片整合的堆疊技術。下一步要進入Ｍulti-Ｗafer Stacking，讓客戶有更多選擇來整合CIS芯片。

在CIS傳感器方面，目前已經可以採用台積電最先進的28nm pixel技術，底部的ISP已經擴展到N12 FFC。再者，新的影像感測需要整合新的演算法，台積電也開發新的堆疊技術，可以整合Sensor、ISP在系統層面上提供最高效能。

顯示器Disply技術方面：5G和AI應用追求高分辨率和低功耗，越來越多5G智能手機採用OLED智慧面板。下一代OLED面板驅動芯片要更多邏輯和SRAM，因此走上28nm製程是必然之路。