|5奈米及4奈米全球最先進半導體製程技術研發|

團隊創新領航－2奈米平台技術團隊
台灣積體電路製造股份有限公司

打造開放合作文化 成就最先進半導體製程研發

先進製程是引領科技創新的驅動力，使無所不在的各種智慧應用成為現實。雖然面臨著摩爾定律已趨極限，製程微縮日益嚴峻的挑戰，台積公司仍率先全球成功開發並導入5奈米製程量產，展現出令人驚豔的研發能量，並大幅拉開領先地位。此外，這項成就帶動的供應鏈升級、國內外廠商在臺投資，以及各種創新應用，亦對產業發展帶來了深遠影響。

每個世代的晶片微縮皆讓電晶體結構、元件設計、製程方法、良率提升等各方面的複雜度與日俱增。特別是，當製程技術推進至趨近物理極限時，能夠站在業界的最前端，克服未知的風險與挑戰，如期達成使命，確實是一項了不起的成就。

台積2奈米平台研發組織便是樹立此重要里程碑的卓越團隊。在葉主輝副總經理和林學仕資深處長的帶領下，團隊成員近年成功開發10奈米、5奈米/4奈米及2奈米等先進技術。

先進製程開發涉及多項突破性技術，2奈米平台研發組織扮演著核心角色，負責協調整合包括設備暨模組、奈米製像、技術模擬等眾多技術單位，並協助移轉至試產線，確保量產成功。因此，5奈米製程的實際參與研發人數，達上千人之多。如此龐大團隊能達成此豐碩成果，除了先進研發的基本功，開放合作文化與創新管理模式，亦是重要關鍵。

拋掉成功包袱 讓數據說話

2020年，台積超越競爭對手，準時完成技術開發，量產全世界第一顆5奈米技術晶片時，再度將其既有的優勢地位推升到更高境界。

談到開發的成功要素，林學仕表示，「身為前瞻技術的開發者與領先者，我認為心態非常重要。由於沒有前例可循，所有事情都有可能成功，也有可能失敗，我們必須抱持著開放的心態，不能有太多成見，認為一定要怎麼做。」

「同時在策略上，我們強調分工合作；對外，需要與設備商緊密合作，提升解決問題的能力；對內，我們要讓每個小團隊或個人都能充分發揮潛能，決策並不是從上而下由少數人決定的。管理層的責任，是要凝聚共同目標，促進合作，才能完成任務。」

對此，葉主輝也補充說，「我們要讓數據說話，每個人講話只要有根據，我們都要聽，這樣才能聽到更多聲音，激發更多創意。通常成功久了，就會有包袱，逐漸僵化，所以我們常警惕自己，不要驕傲，透明開放的溝通非常重要。」

另一方面，對台積來說，技術研發的終極目標，是必須能大量生產，才能創造利潤與價值。為此，在開發初期，2奈米平台研發組織便與負責量產的團隊一起組成「One Team」，提早使研發與生產單位培養互信及良好合作關係，最後讓5奈米技術的量產學習曲線，較預期更加快速，進而實現最佳的良率表現。

多項技術突破 至今仍是全球唯一

從技術面來看，5/4奈米製程完成多項創新技術突破。在縮小晶片尺寸方面，包括大量使用極紫外光（EUV）微影、金屬閘導線隔絕技術、設計與製程技術的共同最佳化（DTCO）；在增進運算能效方面，則涵蓋了高遷移率通道場效電晶體、新型閘極介電絕緣層材料、低電阻與低電容金屬導線技術等。集結這些技術突破，使5奈米技術實現了優異效能，與前一代相較，電晶體密度提高1.8倍，速度提升15%，功耗降低30%。其中部分技術，至今仍是全世界唯一成功開發並導入量產的。

這麼多的創新技術，也意味著開發過程的千頭萬緒與重重挑戰。葉主輝表示，「針對5奈米開發，技術的定義非常重要，我們須考慮風險與效益，終究台積是提供技術服務，我們的價值必須能被客戶認可與買單。因此，即使7奈米已經很成功，我們仍不免思索，5奈米還能延續嗎？如何提升晶片密度與效能，以及曝光技術等，每個環節都是挑戰！」

以業界討論已久的EUV 技術為例，「5奈米若不用EUV，製程將會極為複雜。但透過採用EUV，可把光罩數有效降低，大幅降低了製程複雜度與簡化流程。因此，雖然EUV挑戰不小，但也是高報酬的。」

「大量採用EUV技術的重大決策， 是2016年張忠謀先生擔任董事長時就已定案的。我們認為這是值得承擔的風險，因此公司上下一條心，並大舉投資，克服了光阻、生產力等各種難關，以勢在必行的精神達成目標，也因此我們的技術與競爭對手逐漸拉開距離。」

林學仕提到了開發金屬閘導線隔絕技術時，一度覺得做不下去，因為蝕刻金屬要達到良率與可靠度的要求並不容易。最後，在眾多單位的合作下，才終於克服。

葉主輝補充說，「高效能運算（HPC）晶片需要更多的靜態隨機存取記憶體（SRAM），由於這項技術有助於微縮SRAM，藉此也能達成提升晶片密度的目標，不必一定要透過推進元件尺寸大小。若拘泥於傳統作法，往往會牽一髮動全身，使整個效能、功耗、面積（PPA）和良率都受到影響。」

「從這裡也能看出，從5奈米開始，我們製程研發的思維更具靈活性，條條大路通羅馬，只要能有所助益，任何方式都可嘗試。」他說。

此外，林學仕表示，在開發高遷移率通道技術時，到後期也曾發現問題，需用新的化學材料來解決。但量產組織有不同意見，建議用另外的方法。「研發和製造團隊都有各自的想法，但透過透明公開的討論，我們能夠做出最好的決定，以良性競爭下的合作來達成目標。」

前瞻視野 攜手客戶帶動應用創新

台積5奈米製程技術的另一項特點是，自2020年首度量產後，台積在兩年內便陸續推出新的5奈米家族延伸技術，包括5奈米強效版（N5P）、4奈米（N4）、4奈米強效版（N4P）、4奈米HPC版（N4X）、以及5奈米車用版（N5A）。

對此，葉主輝表示，「因為5奈米製程的良率非常好，讓我們有空間能夠進一步微縮，推出密度精進版的4奈米製程。」

林學仕也認同，透過設計與製程技術的共同最佳化，不斷討論，把技術定義到最好，最終結果良率「好到超乎意外！」

此外，就市場面來看，葉主輝表示，「手機推動半導體產業已經近20年了。隨著近來高效能運算（HPC）市場的快速成長，因此，在開發製程時，考慮到行動通訊與HPC對於效能與功耗的不同需求，進行了客製化調整。此外，隨著智慧汽車的發展，車用晶片設計業者也開始積極採用先進製程，因而衍伸出符合市場需求的多種版本。」

此完整的技術藍圖，已成為推動行動通訊、高效能運算與車用電子等多種前瞻應用的數位轉型驅動力，並創下了5奈米製程量產後，短短兩年的累積營收貢獻超過新臺幣6,000億元，到2022年第三季，便已佔公司總營收近三成的優異成績。

葉主輝強調，「先進技術的成功需要客戶協助我們定義對的技術，並對市場有充分的掌握。」他以「兩個手才能拍掌」來形容與客戶合作的重要性，5奈米製程的成功，是台積電「與客戶一同成長」理念的再度展現。

供應鏈升級 擴大產業投資臺灣

從產業面來看，5奈米製程的成功，對於促進生態系統擴展，提升臺灣關鍵地位也是功不可沒。尤其是材料和設備方面，除了帶動國內業者的蓬勃發展之外，我們也看到了外商在臺的加碼投資。

舉例來說，由於5奈米製程對精密原料的需求加劇，除在早期為滿足竹科需求而在桃園形成的電子化學品聚落之外，因應台積以臺南廠區作為5奈米技術量產基地，多家業者均在南部擴大投資，推升了臺灣化學品產業的快速成長。

另外，還有眾多知名設備商在臺成立研發中心或製造組裝中心，帶動了臺灣在地供應商的崛起。「以本土業者家登精密為例，受惠於5奈米大量採用EUV，使其成為EUV光罩盒的領先供應商，在國際半導體供應鏈上扮演著更重要的角色，」林學仕指出。

隨著台積將在美國設立5奈米廠，預計2025年開始量產，月產能2萬片，「我們將協助國內的供應鏈走向國際，這是生態系統的成功與擴展，讓臺廠也能到美國尋求更大的發展。」

戰戰競競 持續推進摩爾定律

在成功完成5/4奈米製程技術之後，團隊成員已轉進2奈米製程研究，繼續次世代技術開發。

進入2奈米世代，首先面對的是電晶體結構的全新變革，過去數個世代採用的鰭式場效電晶體（FinFET）將於3奈米世代劃下終點，改為更先進的奈米層片（Nanosheet）環繞式閘極（GAA）電晶體架構製程，這又將是台積的創新之舉。

林學仕指出，面對全新的元件架構，我們需要在過去的良好基礎上，更快累積新的技術。此外，未來先進半導體製程技術的成功，有賴於3D堆疊、小晶片（chiplet）等晶圓與封裝技術的結合，需要更多人、更多部門的合作才能完成。此外，製程技術越成功，我們越是要謙虛，因為太多事情是無法預期的，一定要透明開放，用數據來說話。

葉主輝也表示，台積雖是從製造起家，但從事先進製程研發後，研發需要更多創新，需要培養更多人才，凝聚目標，讓員工能在良好的環境中，自動自發地完成任務。「因為賦權給員工更多的彈性，我們才有辦法持續保持技術領先！」

面對層出不窮的新挑戰，葉主輝將秉持著此核心理念，帶領團隊持續向前邁進，「要建立研發文化並不容易，但打破卻是很快的，不能不戰戰兢兢啊！」他強調對台積來說，重要的不是某一個節點的領先，而是累積經驗，做對的事，才能一直領先下去，贏的是整個技術藍圖。

練功心法

• ● 5奈米先進製程研發成功包含幾個重要因素：首先，是清晰的願景和策略，凝聚共識，大家齊心協力地完成共同目標。其次，是重視溝通，並做到透明公開，秉持著讓數據說話的精神，讓更多人的聲音可以被聽到，激發出更多靈活的創新思維。
• ● 透過這些管理模式，更能協助5奈米研發團隊專注於眼下的挑戰，完成世界上最先進、而且沒有範本可以依循的5奈米技術開發。開發過程中雖然面對莫大壓力以及不斷尋找解答的挑戰 ，團隊成員仍能維持高度士氣面對挑戰，如期達成目標。
• ● 最重要的是合作文化的建立，不管是對內的跨部門合作，對外與供應商、以及客戶的合作，都是成功不可或缺的關鍵，才能一起共好，推動整個生態系統的蓬勃發展。

得獎感言－台灣積體電路製造(股)公司 葉主輝 副總經理

綜合台積公司研發組織技術的創新與優良的管理文化，成功完成5奈米與4奈米半導體製程技術開發。協助客戶實現其產品價值，經由客戶的成功，創造台積公司營運的持續成長，進而強化臺灣半導體產業的實力與韌性，為全球數位化趨勢打下最佳的基礎。同時，藉由臺灣半導體技術的創新與提升，促進臺灣半導體產業供應鏈的全球競爭力。

圖片列表

第八屆-產創專輯_台積電(2奈米平台研發處)

• 發布日期：2024/01/31
• 最後更新時間： 2024/04/30
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