不斷研發創新積體電路製造技術，是半導體製造商維持競爭力的主要關鍵，有鑑於此，全球專業積體電路製造服務領域市佔率最高的台積電，不曾間斷製程技術的創新與研發。該公司在2007年開始投入發展的28奈米製程技術，成功於2011年投入量產。這項成就使其與國際競爭對手在半導體製程技術追趕賽中，再攻下一城。

28奈米HKMG製程 半導體技術攻防戰再下一城

年度創新突破獎－台積電28奈米研發團隊《28奈米高介電材料／金屬閘極專案》

文/ 劉麗惠

「摩爾定律（Moore's Law）下，半導體技術每1年半就會往前邁向一個新世代，因此，台積電必須在時程內不斷進行技術突破與創新，持續發展下一世代製程技術，才能維持既有競爭力。」台積電研發平台一處處長楊美基指出，繼65奈米、40奈米先進製程領先業界量產之後，台積電於28奈米技術也有所突破，領跑在競爭對手的前面。

台積電5年前成立的28奈米團隊，人數從成立之初的幾百人增加到如今的一千多人，團隊成員來自元件工程、製程整合、製程工程這三個部門，分別負責電晶體元件效能開發、前段與後段製程技術整合， 以及關鍵製程工程技術的開發。楊美基說， 在團隊全力以赴下，台積電28奈米團隊成功發展出後閘極（gatelast）28奈米高介電材料／ 金屬閘極（High-k／Metal Gate,HKMG） 製程技術。透過此技術產出的64M靜態隨機存取記憶體，已於2011年底正式投入量產，領先其他競爭對手2～3年。

創新28奈米 帶來多方貢獻

由英特爾（Intel）名譽董事長摩爾在幾十年前提出的摩爾定律（Moore's Law）理論：指的是IC晶片製程技術每隔18個月就會提升，促使同一尺寸晶片可以容納的電晶體數量增加一倍。因為同一個晶片體積可以容納的電晶體數量變多，所以終端產品在售價不變的情況下，運算速度可以更快。

雖然許多專家認為半導體的摩爾定律已經走到盡頭，不過，台積電董事長張忠謀認為，已經發展三十幾年的摩爾定律，未來10～15年依然適用於半導體技術發展。有鑑於此， 台積電仍然積極進行先進製程技術研發，以繼續推進摩爾定律，而28奈米技術的成功研發，將使台積電可以提供客戶更佳的製造解決方案之外，也讓台積電在製程技術上，持續保持領先的地位。

「台積電後閘極28奈米HKMG製程，是全世界第一個使用高介電材料搭配金屬閘極，成功開發完成的高密度低漏電半導體製作技術。」楊美基說，這項製程技術的成功研發，促使台積電在許多層面都帶來很大的貢獻。

對整體科技產業發展而言，這項製程讓元件在同樣的漏電流之下，效率會較前一世代製程快45%。此外， 由於此技術使用浸潤式微影技術（Immersion Lithography）與雙微影技術（Double Patterning），使其可以較前一世代製程的晶片密度高出2倍，大幅提升終端產品效能，使人類可以進入更優質的科技生活。

對國家社會的貢獻方面，由於開發28奈米技術需要龐大人力與資本支出，台積電為此於新竹科學園區、臺中科學園區和臺南科學園區等3地共興建3座12吋超大晶圓廠，並且新增6,000名員工，不僅增加國家人力資源需求，新建12吋超大晶圓廠的周邊經濟環境也因此受惠。

對臺灣電子科技產業而言，新世代28奈米半導體製造技術，將帶動臺灣上游IC設計、下游IC封裝，以及協力廠商的升級，在未來兩年進一步提升臺灣整體半導體產業的水準，如果以上一世代奈米技術所帶動的產值來計算，28奈米HKMG技術估計為臺灣帶來高達兆元的產值。

就台積電本身而言，台積電針對此技術已獲得或正提出申請的專利技術超過150個。楊美基說，這讓台積電在晶圓製程上領先國際競爭對手至少2～3年。此外，因為可以提供客戶不同產品應用的需求，促成台積電得以持續維持其做為全球專業積體電路製造龍頭的角色。

台積電預估，2015年台積電28奈米HKMG製程營收將達到該公司總營收的10%。此外，未來台積電在20奈米、14奈米與10奈米世代製程關鍵技術發展上，將因為28奈米既有製程模組的成功開發與量產經驗，而具備很大的發展利基。

挑戰後閘極 走艱難的路

「回顧台積電過去5年來發展後閘極28奈米HKMG製程技術的過程，曾經面臨的障礙多得難以細數」楊美基說。但是每一個關卡都在團隊成員的同心協力下得以突破。

團隊最初遇到的問題是，應該跟隨市場選擇前閘極（gatefirst）製程，還是投入還沒有被發展出來的後閘極（gate-last）製程技術。楊美基解釋，當時台積電在決定跨入28奈米HKMG製程之前，由IBM、三星所組成的ISDA聯盟，都已經在28奈米HKMG製程開發投入研究多年，所採用的是前閘極28奈米製程技術。

但是其實還有另一種後閘極製程，「對台積電而言，要做就做最難的。」楊美基以研發人的背景說，台積電R&D一向是抱持著，做別人沒做過的，挑戰最難的。後閘極製程中的電晶體的均勻差距可以控制在十幾個奈米之間，比頭髮還微細幾十倍，因此可以使晶片製造良率更高；製造出來的晶片效能更好，因此，最後台積電選擇投入較難做的後閘極28奈米製程研發。

台積電企業訊息處處長孫又文指出，在台積電成功將後閘極28奈米製程技術投入量產之後，其他競爭對手紛紛宣布未來投入的20奈米技術，都將以後閘極製程為主，足以證明後閘極製程確實優於前閘極。

突破障礙 持續製程創新

選擇對的技術發展是關鍵，但絕對不是技術研發中最難突破的障礙。在研發過程中，台積電28奈米團隊遭遇各式各樣的問題。「到了研發中期，良率的問題一直無法突破」楊美基回憶說。良率不夠好，就沒有足夠的樣本給客戶做可靠度分析，後續進度都隨之落後，當然也難指望走向量產。

「如果問題沒有改善，等於所有的研究都前功盡棄，可以想見，浪費研發支出之外，更嚴重的是無法在技術追趕上勝過對手，當時團隊面臨的壓力之大可想而知。」楊美基說，為了解決問題，28奈米團隊中的每一個單位在早晨會議中提出的問題，在下午的主管會議便得找到解決之道，然後再向下拋出討論結果，就這樣在密集討論與不斷測試後，終於突破良率的障礙。

「有足夠的樣本給客戶進行可靠度分析，可以進入客戶試產階段，整個團隊都好開心。」楊美基說，但是這時還要面對下一個難關， 那就是客戶的IC設計可能無法與台積電28奈米製程吻合。就常理而言，當然是要按照客戶需求修改製程，但是當台積電對客戶提出導入28奈米製程對其產品帶來的效益之後，客戶通常願意修改其設計。

此外，台積電獨創的開放性創新平台（OIP，Open Innovation PlatformTM），其中提供多達89個設計定案；可供客戶規劃使用，讓客戶可加速與台積電28奈米製程磨合。

展望未來， 台積電將持續在半導體製程技術研發上持續創新，楊美基強調：「先進技術是台積電的核心競爭優勢之一，所以不斷往前的技術創新，是台積電不會停止的使命。」透過技術優勢，台積電不僅讓客戶更願意與其合作，同時也帶動臺灣電子科技產業再升級。

感言：台灣積體電路製造股份有限公司處長　楊美基

台積電的高介電材料／金屬閘極（High-K／Metal Gate）計畫，是世界第一個晶圓專工獨力成功開發－劃世代的高密度低漏電的晶圓製作技術。當台積電決定跨入28奈米先進製程High-K／Metal Gate前，早有競爭對手選擇其他技術開發多年，但公司內部審慎評估與考量產業發展特性等因素後，我們決定獨自開發此項技術，花了5年時間，克服困難將此一技術研發出來，目前世界上並無其他晶圓專工公司量產成功，關於高介電材料／金屬閘極相關之專利，已獲得或正申請中之數量超過150個，提升臺灣產業競爭力。

感激長官的信任與肯定，讓我可以盡情發揮。合作團隊有設計暨技術平台、技術品質暨可靠處、故障分析處、FAB 12團隊等，對本計畫的成功也作出巨大貢獻。目前28奈米先進製程之應用很廣泛，計有：行動基頻、應用處理器、繪圖處理器、可程式邏輯閘陣列（FPGAs）、無線網路與可攜式消費性電子產品等。國際大廠nVidia、AMD、Altera已透過媒體宣布成功產出28奈米的試產晶片。本計畫除了是台積電的創新，也是臺灣半導體業在國際上的一項創新突破。

• 發布日期：2022/01/22
• 最後更新時間： 2024/05/06
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