三大半導(dǎo)體廠微影技術(shù)進(jìn)度一覽

三大半導(dǎo)體廠微影技術(shù)進(jìn)度一覽

半導(dǎo)體微影技術(shù)（lithography）終于迎來全新世代交替，過去10年主導(dǎo)半導(dǎo)體關(guān)鍵制程的浸潤(rùn)式（immersion）微影技術(shù)，將在今年開始轉(zhuǎn)向新一代的極紫外光（EUV）。晶圓代工龍頭臺(tái)積電將在3月開始啟動(dòng)支援EUV技術(shù)的7nm量產(chǎn)計(jì)畫，支援EUV的5nm亦將同步進(jìn)入試產(chǎn)。

臺(tái)積電EUV制程進(jìn)入量產(chǎn)階段，對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言是一項(xiàng)重大里程碑，EUV技術(shù)可以讓摩爾定律持續(xù)走下去，理論上將可推進(jìn)半導(dǎo)體制程至1nm。

雖然臺(tái)積電第一代支援EUV技術(shù)的7+nm，只有少數(shù)幾層光罩層會(huì)利用EUV完成，但包括海思、英偉達(dá)（NVIDIA）、超微（AMD）、博通、高通等都將陸續(xù)導(dǎo)入7+nm制程量產(chǎn)。

不過根據(jù)業(yè)界消息，蘋果今年下半年推出的新一代A13應(yīng)用處理器，并不會(huì)採(cǎi)用臺(tái)積電支援EUV技術(shù)的7+nm，而是會(huì)採(cǎi)用加強(qiáng)版7nm（7nm Pro）制程量產(chǎn)。業(yè)界預(yù)期，蘋果正在研發(fā)中的A14應(yīng)用處理器才會(huì)是首款採(cǎi)用EUV的晶片，預(yù)期明年採(cǎi)用臺(tái)積電5nm制程量產(chǎn)。

為了加快EUV制程學(xué)習(xí)曲線，臺(tái)積電支援EUV的7+nm量產(chǎn)之際，預(yù)期有一半光罩層會(huì)採(cǎi)用EUV技術(shù)的5nm，亦將同步進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)階段。臺(tái)積電與大同盟（Grand Alliance）伙伴密切合作打造EUV生態(tài)系統(tǒng)，包括業(yè)界傳出臺(tái)積電已對(duì)EUV設(shè)備大廠艾司摩爾（ASML）擴(kuò)大採(cǎi)購(gòu)30臺(tái)設(shè)備，晶圓傳載方案廠家登亦成為最主要的EUV光罩盒供應(yīng)商。

臺(tái)積電總裁暨執(zhí)行長(zhǎng)魏哲家在日前法人說明會(huì)中指出，7+nm良率推進(jìn)情況良好，預(yù)期第二季后進(jìn)入量產(chǎn)階段，臺(tái)積電已經(jīng)與數(shù)家客戶合作，協(xié)助其第二代或第三代產(chǎn)品設(shè)計(jì)導(dǎo)入7+nm制程。臺(tái)積電預(yù)期價(jià)格更好的7+nm量產(chǎn)后，將可在未來幾年為7nm世代帶來更大的成長(zhǎng)空間。至于5nm目前研發(fā)進(jìn)度符合預(yù)期，今年上半年會(huì)有客戶完成晶片設(shè)計(jì)定案（tape-out），明年上半年將進(jìn)入量產(chǎn)階段。

臺(tái)積電7+nm雖然只有部份光罩層採(cǎi)用EUV技術(shù)，但仍可提升電晶體密度約20％，并在同一運(yùn)作效能下降低功耗約10％。至于5nm采用EUV光罩層更多，與7nm相較預(yù)期可提升電晶體密度達(dá)1.8倍或縮小晶片尺寸約45％，同一功耗下提升運(yùn)算效能15％，或同一運(yùn)算效能下降低功耗20％。臺(tái)積電亦計(jì)畫在5nm世代加入極低臨界電壓（Extremely Low Threshold Voltage，ELTV）技術(shù)，協(xié)助客戶將運(yùn)算效能提升至25％。

EUV技術(shù) 為摩爾定律延命

隨著晶片功能愈趨強(qiáng)大，在半導(dǎo)體制程愈趨復(fù)雜的情況下，摩爾定律的推進(jìn)已經(jīng)放緩，以臺(tái)積電、三星、英特爾等三大半導(dǎo)體廠目前採(cǎi)用的浸潤(rùn)式（immersion）微影及多重曝影（multi-patterning）技術(shù)來說，若要維持摩爾定律的制程推進(jìn)速度，晶片成本會(huì)呈現(xiàn)等比級(jí)數(shù)般飆升。也因此，能夠明顯減少晶片光罩層數(shù)的極紫外光（EUV）微影技術(shù)，將可為摩爾定律延命。

摩爾定律除了每18～24個(gè)月可讓晶片中電晶體數(shù)量增倍的技術(shù)推進(jìn)，還包含了經(jīng)濟(jì)層面上的益處。事實(shí)上，過去20年因?yàn)槟柖傻耐七M(jìn)順利，晶片的單位制造成本可以逐年降低，并造就了個(gè)人電腦的普及，以及智慧型手機(jī)的人手?jǐn)?shù)機(jī)的情況。若半導(dǎo)體市場(chǎng)沒有摩爾定律的存在，晶片的成本難以有效降低，要用1,000美元以下價(jià)格買到電腦或手機(jī)幾乎是不可能的事。

不過，因?yàn)榫瞥痰某掷m(xù)推進(jìn)，電路要再進(jìn)行微縮的難度愈來愈高，成本的提升速度也愈來愈快。以目前業(yè)界普遍量產(chǎn)中的14/16奈米邏輯制程來看，設(shè)備的投資是28奈米的數(shù)倍，換算下來晶片單位制造成本的降幅已經(jīng)趨緩，而制程進(jìn)入10奈米或7奈米后，晶片成本幾乎降不下來。也就是說，摩爾定律推進(jìn)放緩，蘋果及三星等新款旗艦手機(jī)功能又要愈多，增加的晶片用量或功能要愈多，價(jià)格自然愈墊愈高。

為了解決這個(gè)問題，業(yè)界早在10年前就已經(jīng)在討論在浸潤(rùn)式微影技術(shù)之后，會(huì)不會(huì)有更好的技術(shù)來為摩爾定律延命。如今，隨著臺(tái)積電7+奈米進(jìn)入量產(chǎn)，EUV技術(shù)正式接棒演出，摩爾定律至少可再延續(xù)至3奈米或1奈米世代，雖說先進(jìn)制程價(jià)格仍然居高不下，但長(zhǎng)期來看，基于摩爾定律發(fā)展的經(jīng)濟(jì)層面益處將可延續(xù)下去。

日月光投控營(yíng)運(yùn)長(zhǎng)吳田玉曾指出，過去半導(dǎo)體業(yè)的創(chuàng)新就是摩爾定律，所以大家跟著走，但現(xiàn)在業(yè)界覺得摩爾定律的推進(jìn)變慢了，但以他來看不是變慢，而是業(yè)界降低成本（cost down）的本領(lǐng)不夠，導(dǎo)致摩爾定律的時(shí)間拉長(zhǎng)，但摩爾定律另一個(gè)層面代表的經(jīng)濟(jì)定律卻沒有變。

當(dāng)然，靠EUV就要讓摩爾定律延續(xù)下去仍有許多挑戰(zhàn)，除了制程上的微縮，具異質(zhì)晶片整合優(yōu)勢(shì)的系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）技術(shù)，也被視為能讓摩爾定律持續(xù)下去的重要解決方案。也就是說，未來晶片不會(huì)是單一的晶片，而是一個(gè)次系統(tǒng)或微系統(tǒng)的概念，異質(zhì)整合將是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)另一重要發(fā)展方向。