台積電工藝節點路線圖透露重要信息

近日在台積電2018年度技術研討會上，台積電業務發展副總裁Kevin Zhang博士介紹了台積電在物聯網平台上的技術進展。自1980年以來，全球半導體業務在PC、筆記本電腦、功能機、智能手機到物聯網的推動下不斷增長，成為台積電發展壯大的動力來源，如今，低功耗、增強射頻和嵌入式內存技術（MRAM/RRAM）成為台積電新的三大增長推動因素。2017-2022年期間，物聯網市場預計將以24%的年複合增長率成長，到2022年，物聯網終端設備出貨量預計可達62億部。

用於物聯網連接的射頻技術

隨著製造工藝從180nm eLL/90nm uLP → 55/40 ulP → 22 ULP/ULL → 12 FFC的演變，功耗不斷降低，從而促進了物聯網技術的創新。同時，人工智慧（AI）讓語音和視覺智能變成現實。語音、AI、音頻分析、環視感測器和監測等許多應用都需要低功耗技術。先進的低功耗技術、嵌入式SRAM uLL、連接性、射頻和先進eNVM成為物聯網和AI推動邁向智慧社會的支柱。

目前的22ULP/ULL產品建立在台積電出色的28HPC+工藝之上，台積電充分發揮了N28晶元特性和設計生態系統。

相比較而言，22ULP工藝實現了超過20%的功耗下降，速度提升幅度超過10%，面積節約了10%。同時，它包括光學縮小幅度為5%的uLL器件和SRAM，和一個完整的平台。22ULL則具有三柵極氧化層（TGO）eHVT、ULL SRAM和eMRAM/RRAM，與v0.9版的SPICE和PDK規範有良好的相關性。

台積電還引入了溫度感測器以實現更低的Vret，並降低保留漏電（每個cell 1.9pA）。額定電壓進一步降低為0.8v，甚至可以達到驚人的0.6v，這個電壓水平很接近需要引入近Vt簽署流程和更寬範圍模型的閾值。

為了支持0.6v VDD額定電壓，需要滿足以下條件：

- SPICE：將晶元覆蓋範圍擴展到0.6v以下，更好地進行失配和1/f相關的模擬設計；

- Stdcell：更多特性覆蓋（西格瑪調整）；

- SRAM：允許雙軌電壓的編譯器（邏輯陣列為0.8v，外設為0.6v）；

- 簽署：先進的簽署方法。

射頻技術路線圖

如果收發器的工作頻率低於6Ghz，工藝的演進路線將從28nm（28LP RF）向高端產品的16nm / 12nm FFC-RF或主流產品的22ULP-RF演變。而在需要超過24Ghz頻率的毫米波應用中，工藝將從28HPC演變為22ULP/ULL-RF。射頻前端仍然採用130nm RF工藝。

22ULP/ULL RF增強包括：增加新RF器件的單位增益頻率，大幅降低1/f雜訊，提高無源器件的密度（R/C，電阻率提高2倍），增強模擬增益和匹配，推出新的6.5v高壓器件。

此外，還包括實現最佳物聯網連接性能的出色過濾失配和閃爍雜訊的濾波器。在保持晶體管性能的同時將LNA功率降低大約2倍。毫米波表徵能力覆蓋區間為25→50→110 Ghz。

MRAM/RRAM是替代傳統eNVM的新興存儲器。Kevin Zhang詳細闡述了這些技術並進行了比較：MRAM利用磁性隧道結來移動偶極子（自旋），從而改變電阻，進而改變邏輯值。RRAM使用導電絲的連接和斷裂來修改存儲單元的電阻。從成本的角度來看，eFlash最貴，MRAM次之，RRAM成本最低。而且，分析顯示，RRAM在高溫下經過10年100萬次周期後具有最佳的保留時間。

有關16/12FFC_RF工藝的其他詳細信息

台積電業務發展副總裁BJ Woo博士詳細介紹了6Ghz以下的應用。台積電為5G毫米波應用提供了16/12FFC-RF和22ULP射頻工藝，與之前的28LP射頻工藝相比，速度提升明顯。

下面的圖表說明了5G所需的開關器件和低雜訊放大器的進化趨勢。

迄今為止，台積電採用這種工藝已經出貨了超過10萬片晶圓出廠，覆蓋了超過170種設計，提供了最佳的均勻性控制和循環時間。

台積電汽車和MCU業務發展總監Lin Cheng-Ming博士回顧了目前汽車市場的狀況，以及由用於ADAS的先進邏輯技術解決方案和和汽車晶元推動的大趨勢。他指出，2017-2022年汽車行業的複合年增長率為7.1%，其中，2.3%是由汽車銷售量的增長推動的（從9600萬輛到1.07億輛），更多的4.8%則是由矽片的增長貢獻的。

他進一步分析了各個板塊的增長情況，並指出，信息娛樂和數字駕駛艙這些綠色應用貢獻了15%，安全相關的環境/視覺感測器、安全氣囊佔19%，智能（AI）相關佔9%，所有這些都是自主駕駛等級從目前的Level 3向Level 4（2020年）進化所必須的，並最終在2022年實現完全自主（通過人工智慧技術的進化）。

有三個重點的增長驅動因素：感測器（相機、激光雷達、雷達、超聲波），先進工藝和執行器（MCU）。比如，從單通道通信向多通道通信的轉換，實現5G通信和創新服務，將汽車與世界建立連接的毫米波覆蓋。

為了滿足「綠色」要求，需求也在增加：

更短的充電時間：充電速度從0.5小時-8小時→0.25小時。

更少的二氧化碳排放量：從每公里130g→95g。

充電成本：從每千克250美金→100美金。

除此之外，還需要擦寫次數可到10年內10萬次、主頻為100Mhz的MCU（eflash），低導通電阻，BCD功率70-200v的嵌入式非易失性存儲器、從IGBT轉移到導通電阻更低的SiC / GaN，從而實現更佳的離散功率。

工藝的演變路徑為從面向綠色應用的28nm（2015年），到使用16nm工藝（2017年），利用ADAS和機器學習實現部分自主駕駛，最終採用7nm工藝（2020年），利用深度學習實現高度自主駕駛。

16FFC/N7汽車生態系統

強大的16FFC技術可實現低至0.75V的Vcc，並保證足夠的餘量，同時實現了DPPM的快速降低，，工藝和基礎IP、150C SPICE/老化模型的自動1級認證，符合IP9000A規範和ISO26262安全標準。N7 PPA可靠性很高，密度提升3倍，功耗改善65%，速度提升幅度超過35%，2019年第二季度可用，目前已經有超過10家客戶參與N16/N7。

在RF技術領域，16FFC支持6Ghz以下頻段，28HPC + / 22ULL支持（5G）mmWave。 eFlash（MCU）滿足綠色、安全和智能要求，其工藝遷移路徑為55nm→40nm→28nm，5年內年複合增長率>40%，12英寸晶圓出貨量將超過100萬片。首批28納米eflash MCU樣品已經初步應用到汽車行業，並於2019年上半年達到成熟良率。

汽車技術的其它進展

採用MRAM，可以實現出色的數據保存，擦除次數大於100萬次。目前正在進行汽車可行性研究，今年下半年將提供更多數據，可能在明年發布正式報告。

汽車CIS應用（圖像/LiDAR，在所有駕駛條件下支持和解決物體視覺問題）、高動態範圍（HDR）、全局快門、高量子效率的近紅外（NIR）感測器。

用於執行器/ PMIC的汽車BCD和氮化鎵0.18和0.13um解決方案;從0.18BCD SOI轉換到N55 BCD +支持70-200v特性的SOI上eflash。

汽車技術路線圖

設計實現需要進行以0ppm為可靠性目標的工藝驗證。在汽車行業內，TDDB（時間相關介電擊穿）的測試最為嚴格，導致台積電在早期遇到了麻煩，但最終成功通過了N7 TDDB測試，而且達到超出規格的水平。台積電目前的ASP（汽車服務套餐）中已經包含了TDDB測試（失敗率為遠遠小於0.1％），而下半年計劃推出的ASP 2.0（稱為「LZ2.0」）還包括早期檢測和異常晶圓處置。

16FFC先進邏輯工藝 - 目前16nm工藝已經量產，N7汽車工藝預計將於2019年第二季度流片。台積電的晶圓廠已經通過了IATF-16949（汽車行業質量管理體系）和ISO-14001（有效環境管理體系）認證。

台積電在物聯網和汽車技術產品方面均取得了重大進展 - 儘管面臨諸多認證障礙，台積電已經在密度、功耗和性能方面縮小了數字和混合信號設計之間的差距。與其他細分市場（高性能計算、移動設備）類似，台積電善於從成熟的工藝節點吸取經驗教訓，並用於推動新工藝開發進程，直到遇到下一個重要的技術十字路口。

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