“台积电的最新技术，制程达到1纳米的CFET架构”

台积电生产全球90%的先进芯片

现代生活离不开半导体，而台积电可以说是世界上最重要的晶圆厂。它生产了全球约90%的最先进芯片。现在台积电宣布了一项新技术，它将使芯片制程达到1nm以下。这项新技术涉及新材料和尖端的晶体管架构CFET，这对整个行业来说都是一件大事。要了解这项技术，需要先从晶体管的结构开始。

平面晶体管：持续50年的结构

直到2012年之前，所有芯片的基础还都是所谓的平面晶体管。平面晶体管结构简单，就像一个控制电流流动的微型电子开关。它有三个主要部分：电流开始的源极，电流流出的漏极，以及用于控制晶体管的栅极。当在栅极上施加电压时，它会产生一个电场，打开或阻断源极和漏极之间的路径。平面晶体管在大约50年的时间里一直是最先进的技术。

FinFET晶体管：现在主流技术，Intel 2012年首发

当制程接近22nm工艺时，进一步缩小尺寸已不再可能。工程师将沟道拉伸成鳍片状，并在其三侧包裹栅极。这种新架构称为FinFET ，包裹在沟道周围的栅极可以更快地打开和关闭，从而快速提高晶体管的速度，并允许在单位硅片面积上封装更多晶体管。新结构的晶体管在关闭时泄漏的电量更少，意味着设备在一次充电后可以运行更长时间。英特尔是第一个生产FinFET器件的公司，于2012年以22nm工艺节点投放市场。一年后，台积电也转向了FinFET。事实上，今天几乎所有高性能电子产品，包括Apple、NVIDIA 和 AMD GPU都是采用FinFET技术制造的。

全环绕栅极晶体管GAA：进入晶体管3D时代

截至今天，FinFET架构已经达到极限，半导体正进入晶体管的真正3D时代。未来进一步缩小占地面积并更好地控制栅极，全环绕栅极从更多侧面进行控制。新结构将Naosheet垂直增加，允许栅极完全包裹通道，形成真正的全环绕栅极结构。消除泄漏并改善静电控制。第一个全栅极晶体管即将问世，N2 技术已经进入量产阶段，首批设备用于iPhone。

核心材料和横向蚀刻工具，变得比EUV更重要

尽管全环绕栅极架构是从FinFET进化而来，台积电在FinFET领域已经领先了十年，但仍有许多工艺必须重新调整。在新的架构中，EUV光刻机不再是关键路径。全环绕栅极架构，主要的挑战是创建通道并将栅极包裹在其周围，这是原子层沉积和外延生长变得至关重要的地方。在这些复杂形状周围精确沉积栅极电介质和金属栅极至关重要，该领域的核心参与者是Applied Materials和ASM。此外，在沉积之后，必须将通道之间的材料边缘化，此时LAM research的横向蚀刻工具至关重要。最后，我们需要再进行一次沉积，在此步骤中形成围绕通道的栅极，此时LAM research和ASM的工具再次至关重要。

半导体的进步在不断加速

半导体技术的进步正在加速。平面晶体管主导行业50年，然后，FinFET也作为最先进的技术存在了10年。花费了30年的时间才形成的全环绕栅极技术能持续多久呢？很多人猜测大概只有5年左右的时间。

台积电设计了最新的CFET结构

为了制造更小更快的晶体管，台积电设计了最新的架构，CFET：互补FET晶体管架构。新架构不再是将晶体管并排放置，而是在底部垂直堆叠PMOS晶体管，在顶部堆叠NMOS晶体管。这将晶体管占用空间减少一半，并使摩尔定律继续发挥作用。

CFET结构尺寸

NMOS和PMOS纳米片都被栅极材料包围，形成环绕栅极的结构。纳米片通常非常薄，大约几纳米，最窄处大约10到15纳米。

预计2030年左右量产

台积电CFET开发的关键负责人之一是廖思雅，在英特尔工作了16年后于2021年加入台积电。在台积电，她正在开拓CFET等新器件架构，同时研究新材料的集成。最近在最新的国际器件制造会议上，台积电展示了第一个可以工作的CFET，他们设法解决了互连挑战，将底部和上部晶体管互连。目前预计CFET结构将在2030年左右实现量产。

面临的主要挑战：互连的复杂性

CFET面临的主要挑战是互连的复杂性，即连接芯片上所有晶体管和其他电子元件的那些细小的金属线。在现代芯片中，互连大多在芯片的水平层中运行。现在有了CFET，连接必须垂直进行，这又会增加电阻电容并增加额外的延迟，从而减慢信号速度并增加功耗。添加复杂的垂直互连意味着更多的处理步骤、新的对齐挑战和布线中的潜在缺陷。它可能需要背面供电，甚至可能需要PMOS晶体管的背面信号传输。更不用说这种新架构带来的极端热挑战了。现在高性能NVIDIA GPU已经可以在每平方厘米硅片上产生数百瓦的功率，预计新结构每平方厘米硅片的功率将达到1千瓦。

高端芯片制造的玩家越来越少

考虑到建造尖端晶圆厂所需的高成本，以及不断升级设备以保持领先节点的成本，越来越多的晶圆厂退出这场竞赛。2007年，有12家晶圆厂生产45纳米芯片，而现在只剩下两家晶圆厂生产3纳米硅片，最近三星和英特尔在产量方面陷入困境，因此只有台积电能够引领潮流。这也是为什么特朗普政府坚持台积电在美国建晶圆厂的原因。台积电已经在亚利桑那州建造了两座先进的芯片工厂，第一座将于今年开始生产，第二座计划于2027年投产。几天前台积电宣布计划再投资1000亿美元扩大其在美国的半导体制造业务。这笔投资将用于建造三个额外的先进节点晶圆厂和两个封装设施以及一个研发实验室。

随着AI时代到来，半导体需要复杂的解决方案

显然，未来十年的技术将由人工智能和高性能计算定义，它们需要成倍增加的计算能力。半导体需要一个复杂的解决方案，这意味着新材料、晶体管的新架构、集成冷却技术（包括背面供电）、采用光子互连和先进封装的芯片方法，所有这些都必须结合在一起。