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臺積電制程微縮勢不可擋！3nm已進入實驗階段，2nm或在2025年前問世

全球晶圓代工龍頭廠臺積電南京12英寸晶圓廠今日風光開幕，未來將與大陸的 IC 設計公司共同發展成為半導體業強大的力量。事實上，臺積電7納米制程明年營收占比估逾2成，有望持續領先對手，7納米制程加強版以及5納米進度也按計劃進行，3納米制程技術更已進入實驗階段，業內人士更透露，3納米制程在"Gate All Around(GAA) "、環繞式閘極技術上已有新突破。

臺積電在財報會前夕遭到外資調降目標價，將原先223元(新臺幣，下同)下修到211元，評等由中立降為減碼，但臺積電總裁魏哲家于財報會上信心喊話;受惠于7納米及12納米產能開出，抵消加密貨幣挖礦運算特殊應用芯片(ASIC)訂單減少壓力，第四季營收有望創下歷史新高，業內人士預期單季獲利將上看千億元。

兩日后，臺積電運動會上，劉德音首度以董事長身份主持，呼應魏哲家的信心喊話，再次強調臺積電7納米制程今年下半年將大幅量產，也已經跟很多客戶合作，明年將有超過一百個產品設計定案，7納米營收比重將會超過20%，而采用極紫外光(EUV)設備的7納米制程加強版約后年量產，客戶大量采用預計會落在2020年，至于5納米制程也將在明年春天試產。

魏哲家和劉德音各自的一席話，顯現出臺積電對于納米制程的進度規劃全在掌握之中，不過不只7納米和7納米制程加強版以及5納米順利進行，3納米制程技術也進入實驗階段。據業內人士透露，臺積電有著優秀的員工和強大的分析能力，3納米制程在環繞式閘極技術上有了新突破。

根據專業媒體報導指出，目前納米制程世代多數采用立體結構，就是所謂"FinFET"「鰭式場效晶體管」，此結構的通道是豎起來而被閘極給包圍起來的，因為形狀像魚類的鰭而得名，如此一來閘極偏壓便能有效調控通道電位，因而改良開關特性，但是FinFET在經歷14/16nm、7/10nm這兩個制程世代后，不斷拉高的深寬比(aspect ratio)讓前段制程已逼近物理極限，再繼續微縮的話，先不提電性是否還能有效提升，就結構而言就已有許多問題。

比方說以硅形成的「鰭」由于材料內部應力作用，太細、高的「鰭」會無法維持直立的形狀而形成「扭線」 (wiggling)，而在極紫外光(EUV)導入制程后，此一狀況會更嚴重，原因是光子本身存在的隨機效應造成photon shot noise現象。更何況，不斷微縮后，越來越細的閘極對通道的控制能力不足，鰭狀通道底部終究還是會成為漏電流的來源，因此學術界很早開始就提出5納米以下的制程需要走「環繞式閘極」的結構，顧名思義，是FinFET中已經被閘極給三面環繞的通道，在GAA中將是被閘極給四面包圍，預期此一結構將達到更好的供電與開關特性。只要靜電控制能力增加，則閘極的長度微縮就能持續進行，摩爾定律重新獲得延續的動力。

業內人士進一步表示，臺積電已經做出環繞式閘極的結構，外型就像類圓形般，但因為尺寸比前一代縮小30%，也必須導入新材料InAsGe nanowire and Silicon nanowire，因此制程技術上相當困難，尤其是在蝕刻部分是大挑戰，不過以優勢來說，環繞式閘極的結構將可以改善ESD靜電放電、且優化尖端放電的問題，材料廠的高管也認為，「環繞式閘極」的結構得以繼續微縮柵長尺寸。

曾在臺積電、中芯國際任職的管理階層認為，要做出環繞式閘極的結構，搭配極紫外光(EUV)設備是絕對必要的，但還要克服在光刻和蝕刻上的制程難度，尤其因為線寬極小，高選擇比就非常重要，也就是所謂的蝕刻和側蝕的蝕刻比例，畢竟不同材料有不同的蝕刻速率，不過因為制程難度高、成本提升，管理層不認為臺積電在3納米制程的新突破，可以更加大幅度的甩開三星和英特爾。

因為在3納米制程部分，除了技術困難外，制造成本也是是相當巨大。3納米制程的開發費用，至少耗資40億至50億美元，每月40000片晶圓的晶圓廠成本將達到150億至200億美元。此外設計成本也是一個問題，一般來說，IC設計成本從28納米的5130萬美元躍升至7納米的2.978億美元和5納米的5.422億美元，在3納米時，IC設計成本更是可能會高達5億美元到15億美元不等，所以業內也有一派聲音認為，真的可以在3納米甚至是2納米找到符合成本效益的商業模式嗎?

電子產業一直遵循摩爾定律所設定的開發藍圖——芯片上可容納的晶體管數量大約每隔兩年增加1倍，個人電腦(PC)到智能手機等產品的尺寸越來越小、速度越來越快，價格卻越來越便宜。臺積電創辦人張忠謀在六月中旬曾發表言論，臺積電會不斷挑戰摩爾定律，強調2納米制程仍可望在2025年前問世，但業內人士認為，2納米可能就是極限了。

一直視摩爾定律為準則的半導體產業，或許就像張忠謀曾經所言，摩爾定律是半導體技術關鍵的監督者。雖然現在有點松動，但直到現今，市場還是照著摩爾定律在走，展望未來，2.5D/3D封裝、極紫外光、AI和深度學習的驅動力、芯片架構(如鰭式場效晶體管)，以及新材料等如碳導管跟石墨烯等，可能會成為下一代半導體新技術，值得進一步關注。

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