台积电4nm工艺2022年大规模量产_3nm工艺也在开发中

在2020年世界半导体大会高峰论坛上，台积电（南京）有限公司总经理罗镇球先生带来了《前沿技术，绿色产业》主题演讲，2020年，台积电市值傲视群雄，在芯片代工行业位居全球第一，这些成绩的背后是什么？罗镇球先生带来了最新的解读。

8月12日，半导体市场研究公司IC Insights 公布2020年上半年前十大半导体厂商，晶圆代工龙头台积电续坐稳前三强，营收年成长幅度高达四成。台积电能够在新冠疫情肆虐的2020年上半年业绩一枝独秀，与台积电对技术研发的长期投入分不开。

图片：来自IC insights

台积电（南京）有限公司总经理罗镇球认为，台积电要保持现在的发展势头，研发投入必不可少。他说：“10年前，台积电大概有2千多名的研发人员，现在已经超过6千多人，在十年前台积电每年研发的资金投入在10亿美金左右，但在2020年研发将超过30亿美金。”

罗镇球指出，台积电2017年上半年推出7nm工艺，在2018年4月宣布7nm工艺生产线投入量产，在同年10月完成了7nmEUV流片。2018年，台积电7纳米量产，2020年进入量产的第三年，7纳米制程已有140个以上的产品做批量生产，台积电预计产品数字到2020年底超过200。

2019年，台积电在7nm基础上结合了EUV的技术，创造了一个新的工艺节点，叫6nm，是7nm工艺的延伸和扩展。6nm工艺也有EUV极紫外光刻技术，相比7nm+(N7+)增加了一个极紫外光刻层，同时相比7nm(N7)可将晶体管密度提升18%。到目前，台积电7纳米全球出货超过10亿颗芯片，应用领域包括CPU、GPU、通讯领域以及AI领域。

台积电技术持续不断向前推进，小步快走的发展模式。罗镇球表示，2020年第三季度量产的5纳米的良率，远远好于三年前的7纳米。据悉，目前的台积电5nm产能是6万片晶圆/月，南科工业园的Fab 18工厂P3工程将于今年第四季度量产，2021年第二季度P4工程还会进一步增加约1.7万片晶圆/月。随着这些工厂的扩产，台积电的5nm产能将从目前的6万片晶圆/月，提升到接近11万片/月。

罗镇球还透露，台积电将推出4nm工艺，芯片的性能、能效和晶体管密度会有进一步的提升，满足更多产品的需求。4nm工艺将在2021年四季度开始风险试产，2022年大规模量产。3nm工艺也在开发中，罗镇球表示，同第一代的5nm工艺相比，3nm工艺将使芯片的性能提升15%，能耗降低30%，晶体管的密度提升70%。2022年3nm工艺产品可以大规模量产。

为什么先进工艺可以持续不断推进？罗镇球分析说，大家看重光刻机，除了光刻机之外还有很多技术在持续不断推进，光刻机只解决面积问题，材料可以解决材料和功耗问题。比如石墨烯出现后，台积电发现2D的原材料可行，芯片可以做得越来越薄，面积越来越小，当电子移动速度可以越来越快，当然可以不断推进半导体性能越来越好，功耗越来越低，面积越来越小。未来我们会推出2nm工艺和1nm工艺，工艺技术进步的空间还是比较大。

罗镇球说，台积电在7年前推出先进封装，就是把芯片阻隔起来之后再放到基板上。现在的先进封装往前推进，已经分成前段的3D封装和后段的3D封装。“一个5nm芯片可以放入100亿颗晶体管，采用先进的3D封装就可以实现。先进封装可以让工程师的IC设计变得更有效率。小芯片做异构集成，对未来产生的变化非常大。”

在罗镇球看来，先进工艺是在芯片上，用户要感受到芯片的功能必须要有特殊工艺，台积电拥有完整的特殊制程技术。包括MEMS、CMOS影响传感器、射频、BCD power，NVM（Non-Volatile Memory）。罗镇球认为，特殊工艺在实现人机交互、人类感知和动作方面扮演关键角色。

为了应对物联网边缘设备低功耗的要求，台积电开发了N12e工艺技术，在没有牺牲速度和逻辑密度前提下，进一步提高效率，N12e在智能物联、移动设备和其他产品应用带来更多改变。

一个系统级产品做出来必须要有各种不同功能的芯片，如果在一个归口上实现成本很高，而且可能无法实现，一开始设计就把不同的功能切割好之后再在不同的工艺平台做设计，再用最先进的工艺阻隔起来，这就是一个最有效而且成本最低的结果，而且先进的封装是持续让摩尔定律能够往前推进的助力。原因是什么？不同的高度可以堆叠不同层数的芯片，这样单位体积能够容纳数就越来越高。

TSMC展示的SoIC技术一个关键创新就是无须bump，只要将两块要堆叠的芯片的铜互联做部分裸露并对准，之后即可通过热处理工艺完成两块芯片的电路连接。这样一来，两块堆叠芯片之间的走线密度以及信号传输功耗都可以大大改善。

罗镇球最后分析说，台积电的绿色制造分为三大环节：第一、能耗要最小，第二、废气排放量最低，使用水资源要最小，另外排放出来的废气物处理以及数量要足够降低，这些都是台积电持续不断努力的目标。台积电台湾工厂，在单位面积里台积电使用能源最小，排出气体最小的，用水量是最小的，台积电工厂排出的废气物比其他先进国家和地区都少很多。