閘極長度

閘極長度是什麼？

台積電的奈米製程是什麼？3奈米、N3和N3E有何不同？台積電最強對手英特爾，在晶圓技術上的差異是什麼？

https://www.cw.com.tw/article/5125326

台積電-英特爾-晶片-晶圓技術-奈米製程

文 /曲建仲/ 葉芷娟

發布時間：2023-04-12

台積電的奈米製程是什麼？

我們將電的主動元件（二極體、電晶體）與被動元件（電阻、電容、電感）縮小以後，製作在矽晶圓或砷化鎵晶圓上，稱為「積體電路」（IC：Integrated Circuit），其中「堆積」（Integrated）與「電路」（Circuit）是指將許多電子元件堆積起來的意思。

當你將電子產品打開以後，可以看到印刷電路板PCB，如上圖所示，上面有許多長得很像「蜈蚣」的積體電路（IC），積體電路的尺寸有大有小，我們以處理器為例邊長大約20毫米，上面一小塊正方形稱為「晶片」或「晶粒」，晶片邊長大約10毫米，晶片上面密密麻麻的元件稱為「電晶體」，電晶體邊長大約100奈米，而電晶體上面尺寸最小的結構稱為「閘極長度」大約10奈米（nm），這個就是我們常聽到的台積電「10奈米製程」。

10奈米到底有多小呢？細菌大約1微米（病毒大約100奈米，1000奈米等於1微米）。換句話說，人類現在的製程技術可以製作出只有病毒1/10（10 奈米）的結構，厲害吧！

但是現在的技術越做越進步，所以連3奈米，甚至2奈米都要出來了。

那麼， 什麼是場效電晶體（FET：Field Effect Transistor）呢？

電晶體的種類很多，先從大家耳熟能詳的「MOS」來說明。MOS的全名是「金屬―氧化物―半導體場效電晶體」（MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）， 構造如圖右所示，左邊灰色的區域叫做「源極」，右邊灰色的區域叫做「汲極」，中間有塊金屬（紫色）突出來叫做「閘極」，閘極下方有一層厚度很薄的氧化物（綠色），因為中間由上而下依序為金屬（Metal）、氧化物（Oxide）、半導體（Semiconductor），因此稱為「MOS」。

MOSFET 的工作原理很簡單，電子由左邊的源極流入，經過閘極下方的電子通道，由右邊的汲極流出，中間的閘極則可以決定是否讓電子由下方通過，有點像是水龍頭的開關一樣，因此稱為「閘」；電子是由源極流入，也就是電子的來源，因此稱為「源」；電子是由汲極流出，看看說文解字裡的介紹：汲者，引水于井也，也就是由這裡取出電子，因此稱為「汲」。

MOSFET 是目前半導體產業最常使用的一種場效電晶體（FET），科學家將它製作在矽晶圓上，是數位訊號的最小單位，我們可以想像一個MOSFET 代表一個0或一個1，就是電腦裡的一個位元。

電腦是以0與1兩種數位訊號來運算，我們可以想像在矽晶片上有數十億個MOSFET，就代表數十億個0與1，再用金屬導線將這數十億個MOSFET 的源極、汲極、閘極連結起來，電子訊號在這數十億個0 與1 之間流通就可以交互運算，最後得到使用者想要的加、減、乘、除運算結果，這就是電子計算機或電腦的基本工作原理。晶圓廠像台積電、聯電，就是在矽晶圓上製作數十億個MOSFET 的工廠。

「閘極長度」（Gate length）大約10奈米，是所有構造中最細小也最難製作的，因此我們常常以閘極長度來代表半導體製程的進步程度，這就是所謂的「製程節點」（Node）。閘極長度會隨製程技術的進步而變小，從早期的0.18、0.13微米，進步到90、65、45、22、14奈米，到目前最新的製程10、7、5奈米，甚至未來的3奈米。當閘極長度越小，則整個MOSFET 就越小，而同樣含有數十億個MOSFET 的晶片就越小，封裝以後的積體電路（IC）就越小，最後做出來的手機就越小囉！

台積電第一個3奈米製程節點N3在2022年下半年開始量產，預計還會陸續推出其他4種N3節點的延伸製程，共計將有5個製程，包括：N3、N3E、N3P、N3S以及N3X。

台積電表示， 他們的2奈米， 在相同功耗下，將會比3奈米速度增快10～15%；或在相同速度下，功耗降低25～30%。此外，2奈米平台涵蓋高效能版本及小晶片整合解決方案，預計2025年開始量產。

台積電的3奈米、N3和N3E有何不同？

台積電N3技術將有四種衍生製造工藝⸺N3E、N3P、N3S和 N3X，所有技術都將支援 FinFlex™ 技術，極大化增強了設計靈活性，並允許客戶自己排列組合，針對性能、功率和面積目標，做出他們想要的最佳優化鰭配置，而且都是做在同一個晶片上。

意思就是說，當開發人員需要以性能為代價並節省功耗時，他們會使用雙柵極單鰭 FinFET。但是，當他們需要在晶片尺寸和更高功率的權衡下最大限度地提高性能時，他們會使用三柵極雙鰭電晶體。當開發人員需要平衡時，他們會選擇雙柵極雙鰭 FinFET。那麼，N3和N3e有什麼差別呢？

N3e其實是因為客戶需要更有價格競爭力的產品，所以就開發出來，其中就是少了四道EUV的光罩，也降低了成本。

台積電有說，等他們準備好生產2奈米時，就會轉向奈米片 （Nanosheet）晶體管技術，與英特爾和三星宣布要使用的技術是差不多的。奈米片是種環繞柵極 （GAA） 晶體管，有浮動晶體管鰭、柵極圍繞所以得名。之前英特爾宣布RibbonFET 計畫，技術就類似奈米片。

的確在量產時，新技術有可能會容易出問題。台積電的作法就比較不那麼激進，他們內部是這樣說的：「3奈米製程會是受歡迎節點，並是長節點，將會有大量需求。但是從3奈米到2奈米，因電晶體架構，奈米片對提高節能和計算效率有獨特優勢，觀察客戶產品，要求計算性能更高節能效果者。到時候，台積電會與2奈米製程一起銷售3奈米製程。」

各位如果去查詢台積電的專利，會發現它的GAA專利，其實是比三星多出很多，意思就是說台積電跟英特爾也都在做GAA，不過它們還在研發階段，沒有量產而已。總之，最後的決戰點，就是在2奈米的製程！

目前台積電的最大勁敵英特爾的進度，到底和台積電的差距有多少？

其實英特爾的確遇到難題。這幾年他們在7奈米和5奈米的晶圓製造進度上一再拖延，但是主要是名稱落後，實際上並沒有落後很多。

英特爾的7奈米製程，相當於台積電的5奈米製程，原本計畫2021年量產，只落後台積電5奈米製程一年，但是2021年英特爾新任執行長季辛格上台後已經宣布延後到2023年量產，一下子落後台積電三年，而10奈米產能不足造成缺貨，桌上型電腦市場被超微（AMD）領先，筆記型電腦市場也岌岌可危。

目前對英特爾最有利的方式是「立刻」將中低階產品外包給台積電，以相同的製程打敗超微奪回市場，同時替自己爭取兩年時間協調晶圓廠與設計部門把先進製程的問題解決。當然，在技術上，英特爾沒有想像中弱，季辛格是技術出身的，你可以感受到現在他就是要全力拚技術。

那英特爾的2奈米會有那些新技術呢？簡單來說，就是電源金屬（PowerVia），以及帶式場效電晶體（RibbonFET）兩項。

英特爾在晶圓技術上有台積電在前，處理器部分又有輝達和AMD在追趕，目前看起來，這個是不是只是畫了一個技術路線的時間，而且英特爾現在規劃的每年都有一個進程，依照之前的狀況，延誤的機會是很高的。事實上，英特爾就延後了5奈米的量產。以台積電來說，是以兩年為一個節點來規劃。不過呢，不管怎麼樣，都要注意英特爾的技術研發能力，這是他們最強的部分。

另外，我想提一下，雖然技術競爭上未有定數，但是在公司管理上，不要忽略台積電的利潤上的控管，一直都比同產業的公司強。我們拿英特爾來舉例，英特爾本身一直有「成本結構性問題」，投資的設備，用了2～3 年就要將設備賣到二手市場，反觀台積電成本結構，就算設備折舊5年後仍可以用個20、30年。這也是競爭力的一環，不可小覷。