半導體制程已經進入3nm時代，因為臺積電即將在本月開始試產3nm芯片。據悉，臺積電Fab 18B廠已完成3nm生產線建設，近期將進行3nm測試芯片的正式下線投片的初期先導生產，預計2022年第四季度進入量產階段。臺積電南科Fab 18超大型晶圓廠將建設P5～P8共4座3nm晶圓廠。

　　5G手機芯片及HPC運算芯片會是臺積電3nm量產第一年的主要投片產品。業界預期，蘋果及英特爾將會是3nm量產初期兩大客戶，后續包括AMD、高通、聯發科、博通、邁威爾等都會在2023年開始采用3nm生產新一代芯片。

　　臺積電董事長劉德音曾經表示，在3nm制程上，于南科廠的累計投資將超過 2萬億元新臺幣，目標是3nm量產時，12英寸晶圓月產能超過60萬片。60萬片的月產能，這是一個非常驚人的數字，不過，在量產初期是達不到的，需要一個過程。據Digitimes報道，臺積電3nm芯片在2022年下半年開始量產，單月產能5.5萬片起，2023年，將達到10.5萬片。

　　臺積電在臺南科學園區有3座晶圓廠，分別是晶圓十四廠、晶圓十八廠和晶圓六廠，其中前兩座是12英寸晶圓廠，后一座是8英寸晶圓廠。晶圓十八廠是5nm制程工藝的主要生產基地。而除了5nm工藝，臺積電3nm制程工藝的工廠，也建在臺南科學園區內，他們在2016年就公布了建廠計劃，工廠靠近5nm制程工藝的主要生產基地晶圓十八廠。

　　除了臺積電，三星也將試產3nm芯片。2020年初，三星已開始其新建的V1晶圓工廠的大規模生產，成為業內首批完全使用6LPP和7LPP制造工藝的純極紫外光刻（EUV）生產線。而該工廠還被認為是三星3nm制程的主陣地。

　　三星V1晶圓廠位于韓國華城、毗鄰 S3。三星于2018年2月開始建造V1，并于2019 下半年開始晶片的測試生產。目前，該公司還在擴大V1晶圓廠的產能規模，也在緊鑼密鼓地為3nm量產做著準備。

　　3nm制程芯片的試產，以及之后的量產，將半導體業的先進制程推進到了一個新的時代，使得前兩年還處于理論研究階段的工藝技術變成了現實。而在這之后，仍處在研發階段的2nm和1nm制程，將受到越來越多的關注，特別是其晶圓廠、設備、材料、工藝等產業化元素，已經被提上議事日程，下面來看一下它們的進展情況。

2nm

　　今年早些時候，有19個歐盟成員國簽署了一項聯合聲明，為“加強歐洲開發下一代處理器和半導體的能力”進行合作。其中包括逐漸向2nm制程節點發展的領先制造技術。此外，日本正在與臺積電一起建立先進的IC封裝和測試工廠。中國臺灣半導體研究中心（TSRI）開始與日本產業技術總合研究所（AIST）合作，開發新型晶體管結構。日本媒體指出，這有助于制造2nm及更先進制程芯片，他們計劃將合作成果應用在2024年后的新一代先進半導體當中。而2024年正是臺積電2nm制程的量產年。

　　2019年，臺積電率先開始了2nm制程技術的研發工作。相應的技術開發的中心和芯片生產工廠主要設在臺灣地區的新竹，同時還規劃了4個超大型晶圓廠，主要用于2nm及更先進制程的研發和生產。

　　臺積電2019年成立了2nm專案研發團隊，尋找可行路徑進行開發。在考量成本、設備相容、技術成熟及效能表現等多項條件之后，決定采用以環繞閘極（Gate-all-around，GAA）制程為基礎的MBCFET架構，解決FinFET因制程微縮產生電流控制漏電的物理極限問題。MBCFET和FinFET有相同的理念，不同之處在于GAA的柵極對溝道的四面包裹，源極和漏極不再和基底接觸。

　　根據設計的不同，GAA也有不同的形態，目前比較主流的四個技術是納米線、板片狀結構多路橋接鰭片、六角形截面納米線、納米環。與臺積電一樣，三星對外介紹的GAA技術也是Multi-Bridge Channel FET（MBCFET），即板片狀結構多路橋接鰭片。不過，三星在3nm節點處就使用了GAA，而臺積電3nm使用的依然是FinFET工藝。

　　按照臺積電給出的2nm工藝指標，Metal Track（金屬單元高度）和3nm一樣維持在5x，同時Gate Pitch（晶體管柵極間距）縮小到30nm，Metal Pitch（金屬間距）縮小到20nm，相比于3nm都小了23%。

　　按照規劃，臺積電有望在 2023 年中期進入 2nm 工藝試生產階段，并于一年后開始批量生產。2020年9月，據臺灣地區媒體報道，臺積電2nm工藝取得重大突破，研發進度超前，業界看好其2023年下半年風險試產良率就可以達到90%。

　　對于芯片制造來說，需要的設備很多，但就2nm這樣高精尖地工藝來講，EUV光刻機無疑是最為關鍵的。

　　對于臺積電先進制程所需的EUV設備，有日本專家做過推理和分析：在EUV層數方面，7nm+為5層，5nm為15層，3nm為32層，2nm將達45層。因此，到2022年，當3nm大規模生產、2nm準備試產，需要的新EUV光刻機數量預計為57臺。2023年，當3nm生產規模擴大、2nm開始風險生產時，所需新EUV光刻機數達到58臺。到2024年，啟動2nm的大規模生產，2025年生產規模擴大，到時所需新EUV光刻機數預計為62臺。

　　對于EUV技術，臺積電表示，要減少光刻機的掩膜缺陷及制程堆疊誤差，并降低整體成本。今年在2nm及更先進制程上，將著重于改善極紫外光技術的品質與成本。之前有消息稱，臺積電正在籌集更多的資金，為的是向ASML購買更多更先進制程的EUV光刻機，而這些都是為了新制程做準備。

　　對于2nm和更先進制程工藝來說，EUV光刻機的重要性越來越高，但是EUV設備的產量依然是一大難題，而且其能耗也很高。

　　歐洲微電子研究中心IMEC首席執行官兼總裁LucVandenhove曾經表示，在與ASML公司的合作下，更加先進的光刻機已經取得了進展。

　　LucVandenhove表示，IMEC的目標是將下一代高分辨率EUV光刻技術高NAEUV光刻技術商業化。由于此前的光刻機競爭對手早已經陸續退出市場，使得ASML把握著全球主要的先進光刻機產能，近年來，IMEC一直在與ASML研究新的EUV光刻機，目標是將工藝規模縮小到1nm及以下。

　　目前，ASML已經完成了NXE:5000系列的高NAEUV曝光系統的基本設計，至于設備的商業化。至少要等到2022年，而等到臺積電和三星拿到設備，要到2023年了。

　　對于像2nm這樣先進的制程工藝來說，互連技術的跟進是關鍵。傳統上，一般采用銅互連，但是，發展到2nm，相應的電阻電容（RC）延遲問題非常突出，因為，行業正在積極尋找銅的替代方案。

　　目前，面向2nm及更先進制程的新型互連技術主要包括：混合金屬化或預填充，將不同的金屬嵌套工藝與新材料相結合，以實現更小的互連和更少的延遲；半金屬嵌套，使用減法蝕刻，實現微小的互連；超級通孔、石墨烯互連和其他技術。這些都在研發中。

　　1nm

　　目前，1nm的研發還不成熟，還有諸多不確定因素。

　　隨著制程向3nm和2nm演進，FinFET已經難以滿足需求，gate-all-around（GAA）架構成為必選，其也被稱為nanosheet，而1nm制程對晶體管架構提出了更高的要求。為了將nanosheet器件的可微縮性延伸到1nm節點處，歐洲研究機構IMEC提出了一種被稱為forksheet的架構。在這種架構中，sheet由叉形柵極結構控制，在柵極圖案化之前，通過在pMOS和nMOS器件之間引入介電層來實現。這個介電層從物理上隔離了p柵溝槽和n柵溝槽，使得n-to-p間距比FinFET或nanosheet器件更緊密。通過仿真，IMEC預計forksheet具有理想的面積和性能微縮性，以及更低的寄生電容。

　　此外，3D“互補FET”（CFET）也是1nm制程的晶體管方案。CFET技術的一個顯著特征是與納米片拓撲結構具有很強的相似性。CFET的新穎之處在于pFET和nFET納米片的垂直放置。CFET拓撲利用了典型的CMOS邏輯應用，其中將公共輸入信號施加到nFET和pFET器件的柵極。

　　在VLSI 2020上，IMEC展示了CFET器件的第一個實驗概念證明，它是在單片工藝中制造的。該團隊設法克服了這一復雜工藝方案的關鍵工藝挑戰，即從襯底開始，從下到上地加工CFET。在CFET中，對底層器件（如pFET）進行加工后，再進行晶圓鍵合，形成頂層器件（如nFET）溝道，然后對頂層器件進行進一步加工。CFET為頂層器件中使用的溝道材料提供了更靈活的選擇。

　　在先進制程芯片的制造過程中，前道工序負責制造出相應結構的晶體管，而中間工序和后道工序則是將這些獨立的晶體管連接起來，從而實現相應的芯片功能和性能，這就需要用到各種半導體材料。

　　1nm制程需要用到forksheet，CFET晶體管架構，這些架構對局部互連提出了新的要求，相應地，后道工序需要采用新型材料（如釕（Ru）、鉬（Mo）和金屬合金），還需要降低中間工序的接觸電阻。

　　對于后道工序而言，金屬線和通孔的電阻和電容仍然是最關鍵的參數。解決這個問題的一種方法是采用另一種金屬化結構，稱為“零通孔混合高度”。這種方案可以根據金屬線的應用需求，靈活地將電阻換成電容。

　　對于中間工序而言，為了進一步緩解布線擁擠并滿足新提出的晶體管結構的要求，該工序需要進一步創新。例如，在CFET中，需要為接觸柵極提供新的解決方案，現在，這對于nFET和pFET器件來說是通用的。此外，高縱橫比的通孔把各種構件互連起來，這些構件現在已經擴展到三維。但是，這些深通孔的主要寄生電阻需要降低。這可以通過引入先進的觸點來實現，例如使用釕。

　　臺積電取得了一項成果，其與臺灣大學和美國麻省理工學院（MIT）合作，發現二維材料結合半金屬鉍（Bi）能達到極低的電阻，接近量子極限，可以滿足1nm制程的需求。

　　過去，半導體使用三維材料，這次改用二維材料，厚度可小于1nm（1~3層原子的厚度），更逼近固態半導體材料厚度的極限。而半金屬鉍的材料特性，能消除與二維半導體接面的能量障礙，且半金屬鉍沉積時，也不會破壞二維材料的原子結構。

　　1nm制程透過僅1 ~3層原子厚度的二維材料，電子從源極走以二硫化鉬為材料的電子通道層，上方有柵極增加電壓來控制，再從漏極流出，用鉍作為接觸電極的材料，可以大幅降低電阻并提高傳輸電流，讓二維材料成為可取代硅的新型半導體材料。

　　結語

　　3nm制程已經從實驗室走到生產線，而接下來的2nm和1nm制程工藝需要攻克晶體管架構、半導體材料，以及制造設備等幾道難關。從發展節奏來看，2nm將在2024年實現量產，而到了2025年，1nm制程有望試產。