半導體產業縱橫 - 2nm關鍵技術取得新進展－鑽石舞台

近期，2nm製程技術又有新亮點出現，台積電依然發揮着關鍵作用。

綜合：半導體產業縱橫編輯部

台積電3nm如期在下半年進入量產，2nm研發超前部署，除了是台積電第一個納米片（Nanosheet）的環繞閘極（GAA）晶體管架構製程，也會是業界首度採用高數值孔徑（High-NA）極紫外光（EUV）光刻技術的先進制程節點，進度可望超前三星和英特爾。

台積電預計在竹科寶山二期興建Fab 20超大型晶圓廠，將成為2nm生產重鎮。台積電Fab 20廠區將分為第一期到第四期、共興建4座12英寸晶圓廠，預計2024年下半年進入風險性試產，2025年進入量產。台積電2nm將首度採用納米片GAA晶體架構，技術開發進度符合預期。

台積電的競爭對手三星電子和英特爾計劃最早在2022年全面部署各自的納米片技術。

作為全球領先的晶圓代工廠，台積電向新聞媒體簡要介紹過未來幾年的路線圖，台積電業務發展副總裁張凱文表示，該公司還驗證了納米片後續工藝技術，如CFET（複合FET）。

CFET是納米片技術的演變形式。n型FET和p型FET上下層疊，實現更高的晶體管密度。HPC 應用（如數據中心）的能耗對全球變暖有重大影響。台積電正在尋求新的晶體管架構，以鼓勵降低這種能源消耗。

台積電近幾年能夠維持強勁成長動能，下半年就算消費性電子需求疲弱，半導體生產鏈進入庫存調整，8月合併營收仍達2181.32億元新台幣創下歷史新高，對下半年產能滿載深具信心，其中關鍵原因就是先進制程由開發到量產的時間點均大幅領先競爭同業，新製程一推出自然就等於是通吃整個市場訂單。

台積電錶示，在過去的15年中一直在研究納米層片晶體管，並建立了堅實的能力。台積電相信2nm是導入納米片GAA架構晶體管的合適製程，將速度和功率提升一個世代，協助客戶保持競爭力。

台積電重申2nm開發符合進度，預計於2025年量產。在納米層片晶體管和設計技術協同優化（DTCO）的協助下，台積電2nm效能和功率優勢提升了一個世代。相較於N3E製程，在相同功率下速度提升10%~15%，或在相同速度下功率降低25%~30%。且由於納米片晶體管具有卓越的低Vdd（芯片工作電壓）效能，2nm在正常Vdd及相同的功率下，效能提高了15%，在較低的Vdd（0.55V）下，優勢擴大到26%。

台積電2nm製程能夠持續推進並領先競爭同業，另一關鍵在於掌握EUV曝光機產能及技術。台積電為了積極解決關鍵製程的間距縮小問題，在N7+製程開始利用EUV曝光設備和多重曝刻技術。台積電將在2024年引進High-NA EUV曝光設備，開發客戶所需的相關基礎建設結構和曝刻解決方案以支持創新。據了解，台積電可望再度領先同業，在2nm首度採用High-NA EUV技術。

昂貴的High-NA EUV

ASML宣布去年底及今年都接獲最新一代High-NA極紫外光刻機（EUV），意味ASML在導入 0.55 數值孔徑High-NA EUV 光刻技術的道路上又邁出了一步。

High-NA EUV 是ASML最新一代光刻設備，雖然ASML未透露下單客戶，但因這項設備被業界視為做為未來投入GAA技術關鍵光刻設備，預料下單廠商應是台積電或三星，從台積電稍早公布資本支出高達400億到440億美元，且首度揭露用於2nm先進制程投資，這也意味台積電在2nm有重大突破，並下單採購High-NA EUV，投入2nm研發及試產。

台積電供應鏈透露，台積電內部規劃2nm試產部隊於今年第4季正式成軍，這也意味台積電在先進制程，不會讓三星有任何超車的機會。

不過據了解，三星也緊急搶購一台High-NA EUV，並要ASML直接拉到三星工廠內進行測試，創下ASML首創直接先出貨再客戶廠內測試的首例，顯見二大廠在先進制程競賽超乎想象的激烈。

今年1月，英特爾宣布第一個下單訂購了ASML TWINSCAN EXE:5200光刻機。

TWINSCAN EXE:5200是ASML的高數值孔徑EUV光刻機，其吞吐量超每小時220片晶圓（wph）。

從路線圖來看，EXE:5200預計最快2024年底投入使用，2025年開始大規模應用於先進芯片的生產。

事實上，4年前，ASML的第一代高NA（0.55 NA）光刻機EXE:5000，英特爾就是第一個下單的公司。不過當前的7nm、5nm芯片還並非是其生產，而是0.33NA EUV光刻機。

和0.33NA光刻機相比，0.55NA的分辨率從13nm升級到8nm，可以更快更好地曝光更複雜的集成電路圖案，突破0.33NA單次構圖32nm到30nm間距的極限。

外界預計，第一代高NA光刻機EXE:5000會率先用於3nm節點，至於EXE:5200，按照英特爾的製程路線圖，2025年至少是20A或者18A，也就是5nm和5nm+。

此前，ASML發言人曾對媒體透露，更高的光刻分辨率將允許芯片縮小1.7倍、同時密度增加2.9倍。未來比3nm更先進的工藝，將極度依賴高NA EUV光刻機。

最後不得不說，英特爾能搶到第一單，除了和ASML一致緊密合作外，當然也是因為「鈔能力」，Gartner分析師Alan Priestley稱，0.55NA下一代EUV光刻機單價將翻番到3億美元（約合19億元人民幣）。

一台微波爐，成2nm芯片製造關鍵

一個由科學家改裝的家用微波爐，正在幫助製造下一代手機、電腦和其他電子產品。這項發明被證明克服了半導體行業面臨的一個重大挑戰。相關研究結果以「Efficient and stable activation by microwave annealing of nanosheet silicon doped with phosphorus above its solubility limit」為題，發表在科學期刊《應用物理學快報》（Applied Physics Letters）上。

康奈爾大學材料科學與工程系教授 James Hwang 為該論文的作者之一。