半导体三巨头 展开先进制程竞逐   图/美联社、台积电官网
半导体三巨头 展开先进制程竞逐 图/美联社、台积电官网

5G、AI、云端运算等高效运算需求持续增加,驱动半导体先进制程的发展,在半导体微缩技术难度与研发成本不断提高下,半导体先进制程逐渐成为被少数IC制造厂垄断的技术,也驱动了台积电、三星与英特尔等近年在先进制程的竞逐。

过去50多年来,IC制造厂主要遵循着摩尔定律,意即固定面积的电晶体数量每二年达到倍增,持续推动半导体制程微缩,其中最主要的重点技术就是定义电晶体特徵尺寸大小的微影技术。随着制程微缩的持续推动,代表电晶体尺寸的微影技术节点不断缩小,从1980年代的微米等级,持续进化到2004年以后的奈米等级,乃至于2020年台积电与三星导入量产的5奈米。

微影技术节点的推进,主要依循全球主要IC制造相关协会联合拟定的国际半导体技术道路图(ITRS)。2004年进入90奈米节点后,面临持续微缩的技术挑战与成本压力,ITRS参与成员、也就是主要IC制造商陆续退出先进制程研发,从2001年的19家逐渐减少到2016年的五家:台积电、英特尔、三星、GlobalFoundries以及联电,中国的中芯则紧追在后,确立了半导体专业代工产业生态,晶片规格也不再由IC制造商所主导,而是由系统需求、IC设计业者与IC制造商共同决定。

ITRS也在2017年功成身退,取而代之的是更着重于新系统需求的国际元件与系统路线图(IRDS),随着联电及GlobalFoundries相继在2017及2018年宣布放弃7奈米以下制程研发,全球半导体先进制程最终聚焦在台积电、英特尔与三星三家大厂。

在先进制程技术的发展中,英特尔在早年处于绝对领先的地位,技术超越台积电与三星一个世代。然而,在2014年进入14奈米制程后,英特尔在下一世代10奈米技术节点的研发陷入瓶颈,而台积电与三星趁势迎头赶上,于2018年分别导入7奈米量产制程,并于2020年先后导入5奈米量产制程。

英特尔虽于2019年导入了10奈米量产制程,但已落后台积电与三星一年左右,并影响自制高阶晶片的产能与竞争力,为遏制高阶晶片的市占率滑落,英特尔在积极投入下一个技术节点研发的同时,也不得不对委托台积电或三星来完成部分晶片制作的方案,进行审慎的评估。

在电晶体结构选择方面,目前台积电、英特尔、三星都採用鳍式场效电晶体(FinFET)结构,而下一世代的电晶体结构是所谓的环绕式闸极(GAA)结构,藉由更大的闸极接触面积提升对电晶体导电通道的控制能力,从而降低操作电压、减少漏电流,有效降低晶片运算功耗与操作温度。

技术领先的台积电在3奈米节点则预计持续採用FinFET结构,并规划在2奈米节点才导入GAA结构,但落后的三星与英特尔,则选择在下一技术节点(三星在3奈米,英特尔在5奈米)就导入GAA结构,试图藉由GAA结构的优势提升晶片的效能,来因应与台积电之间的竞争,三星更是规划提前于2021年导入3奈米GAA量产制程,在技术节点的突破时程上再次取得领先地位。

为达成晶片运算效能的持续提升,摩尔定律要求每二年固定面积的电晶体数量倍增,但是,随着技术节点的推进,微影技术以及搭配的薄膜、蚀刻等技术挑战与研发成本持续高涨,歷经50余年的摩尔定律已经面临极限。以台积电与三星为例,每一技术节点的尺寸微缩已经无法达到电晶体数量倍增的目标,必须藉由新的方法增加电晶体的密度。

根据IRDS的规划,在2021~2022年以后,FinFET结构将被GAA结构所取代,而半导体先进制程将会迈入2奈米技术节点,但在此之后,制程微缩的难度与成本将会难以承受,取而代之的是在相同的技术节点中发展新的电晶体结构,其中主流的技术发展方向,就是透过电晶体的向上堆迭增加电晶体的数量与密度,再下一步则是透过调整电晶体上方的金属内连线结构,压缩内连线空间形成更密集的电路交错堆迭,以缩小逻辑单元的整体面积。预期未来10年,电晶体与内连线堆迭技术将是半导体制程研发的主要方向,需要IC设计、制程、材料、封装以及制程设备等所有相关技术的密切配合。

摩尔定律面临极限,以金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)为主的硅电晶体,在2奈米技术节点之后已面临技术与成本的双重瓶颈,新的晶片结构如电晶体与内连线的3D堆迭设计已被确立为未来十年的发展重点。

面对晶片运算效能提升的需求,IC制造业者必须持续投入研发,而在既有制程技术的精进以外,新结构、新材料或新元件物理的发展将是新的竞逐重点。(本文作者为资策会MIC资深产业分析师郑凯安)

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