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技術領導地位
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研發團隊之組織與投資

民國一百零三年,台積公司持續擴大研發規模。全年研發總預算約佔總營收之8%,此一研發投資規模不僅與眾多世界級一流科技公司相當,甚至超越了許多公司的規模。

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有鑑於驅動互補金屬氧化物半導體(CMOS)製程微縮的摩爾定律技術是否能繼續延伸所面臨的技術挑戰日趨複雜,台積公司研發組織的努力著重於讓台積公司持續提供客戶領先的製程技術及設計解決方案,以協助客戶在今日複雜且充滿挑戰的市場環境中成功且快速地推出其產品。民國一百零三年研發組織成功克服這些挑戰,推出業界領先的16奈米鰭式場效電晶體強效版(16FF+)製程技術並且進入試產,此技術為首項採用三維鰭式場效電晶體之整合式技術平台。研發組織持續創新以維持技術領導地位,10奈米技術進階開發持續進行,預計民國一百零四年進入試產,同時7奈米技術已進入進階開發階段。

除了發展互補金屬氧化物半導體技術,台積公司並廣泛地對其他半導體技術進行研發,以提供客戶行動系統單晶片(SoC)產品及其他應用所需的功能。民國一百零三年完成的重點包括:矽穿孔(TSV)技術平台、擴展CoWoS®三維封裝技術的範圍至最先進的矽製程技術、開發28奈米、40奈米、55奈米超低功耗射頻技術以滿足物聯網應用的需求、微機電製程技術進入量產支援加速度計及麥克風應用,以及100伏氮化鎵(GaN)功率電晶體技術。

台積公司亦致力於維繫與外部重要研發夥伴的合作以及與世界級研發機構的聯盟,例如台積公司是歐洲知名半導體技術研發中心IMEC的核心合作夥伴,並持續贊助全球頂尖大學從事奈米技術研究,以推動創新及奈米電子技術的演進。民國一百零三年台積公司與國立清華大學及成功大學攜手成立共同研發中心,期望更加了解先進矽製程技術量產所需的元件與材料。

民國一百零三年研究發展成果

研究發展組織卓越成果

20奈米製程技術

台積公司20奈米製程技術已成功通過量產驗證,並且大量生產。

16奈米製程技術

民國一百零三年第四季,台積公司完成16奈米鰭式場效電晶體強效版(16FF+)製程所有的可靠性驗證。此項製程技術主要使用鰭式場效電晶體(FinFET)加上第三代高介電層/金屬閘極(HKMG)元件結構、第五代應力技術以及先進的193奈米微影(Lithography)技術。相較於平面式20奈米系統單晶片(20SoC)製程,16FF的強效版製程之性能提升40%或在相同速度下功耗減少50%,超過15家客戶及矽智財供應商已完成16FF+技術之矽智財驗證。

10奈米製程技術

相較於前幾世代製程技術,10奈米製程將顯著地降低晶片功率消耗並維持相同的晶片效能。民國一百零三年的研發著重於基礎製程制定、良率提升、電晶體效能改善及可靠性評估。10奈米製程技術預計於民國一百零四年進入試產,民國一百零五年開始量產。

7奈米製程技術

7奈米製程技術已於民國一百零三年開始進行進階研發,相較於10奈米製程技術,7奈米製程將顯著地改善晶片密度及降低功率消耗並維持相同的晶片效能。民國一百零四年的研發將著重於電晶體結構之選擇、電晶體與導線之基本製程制定,以及初步可靠性評估。7奈米製程技術預計於民國一百零五年進行全面開發,並於民國一百零七年進入試產。

微影技術

台積公司微影技術研發的重點在於10奈米微影技術的開發。此項技術需要特殊的解析度強化技術讓浸潤式微影設備能夠實現16奈米技術以下的成像。解析度的強化加上針對20奈米及16奈米開發的先進曝影技術,使得浸潤式微影技術能夠滿足10奈米技術的要求。

民國一百零三年,台積公司引進了第二台NXE3300極紫外光(EUV)曝光機,目前正在進行製程與設備相關研發。台積公司正與艾司摩爾(ASML)公司合作提升其設備能力以達到7奈米製程技術之要求。針對7奈米以下之製程技術,多重電子束直寫技術(MEB DW)正在被評估中。

光罩技術

光罩技術是先進曝光微影技術中極為重要的一環。民國一百零三年,研發組織成功移轉16奈米光罩技術至光罩生產部門。同時,在10奈米光罩技術的開發上取得大幅進展。此外,研發組織在極紫外光的光罩技術上亦取得了實質進展,並持續與供應商及產業聯盟合作開發必要的架構。

導線與封裝技術整合

三維積體電路(3D IC)

民國一百零三年,台積公司完成嶄新的矽穿孔平台技術之生產驗證,在整合矽穿孔技術於主動元件上締造了一個重要的產業里程碑。CoWoS®技術持續擴展其應用範圍,從FPGA到網路以及高性能運算,而上層晶粒製程的選擇也迅速地從65/40奈米擴展到最先進的20奈米及16奈米FinFET(16FF)。與上述矽穿孔基礎平台同時期開發,整合型扇出(InFO)技術是一項非矽穿孔技術,支援對成本敏感的應用,例如行動及消費性產品,可望成為台積公司未來幾年最重要的後段封裝技術。台積公司已成功地展示了具有卓越的超薄與細間距特性之整合型扇出-封裝內建封裝技術(InFO-PoP),並完成生產驗證。

先進封裝研究發展

台積公司提供了多樣的無鉛覆晶封裝技術以支援行動/手持式裝置應用。民國一百零三年,台積公司完成16奈米FinFET矽製程中超細間距銅凸塊的銅柱導線直連(Bump-on-Trace, BoT)封裝技術之驗證,同時完成創新的扇入式晶圓尺寸封裝技術(無球下金屬層的Fan-in WLP)之驗證,展現優異的可靠性。

先進導線技術

民國一百零三年,台積公司持續聚焦在開發最低銅電阻及電容絕緣體的先進導線技術。針對10奈米製程技術,台積公司已經開發一種新的成像技術及新的絕緣體結構,以有效減少線寬與間隔及銅導線間的電容。針對7奈米與更先進製程技術,台積公司已開發一種新的先進成像技術,可以進一步微縮線寬與間隔。另外,台積公司正在開發一種新的低電阻金屬技術,此項先進技術使銅導線延遲具高度競爭力且低於國際半導體技術藍圖(The International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS)的預估值。

先進電晶體元件研究發展

電晶體結構及材料的創新是改善先進邏輯技術速度與功耗的必要條件。台積公司在這方面的研究一直走在業界前端,著重於高移動率通道材料的研究,例如鍺及三五族化合物半導體。台積公司最近達成破紀錄的鍺電晶體效能,並在民國一百零三年國際電子元件會議(International Electron Device Meeting, IEDM)發表此項成果。

特殊製程技術

台積公司提供多樣化的新製程技術以協助客戶廣泛解決各類產品的應用。

混合訊號/射頻技術

台積公司已著手開發28奈米、40奈米及55奈米超低功耗射頻技術,以因應未來低功耗及低成本物聯網應用產品的強烈需求,並開發0.18微米絕緣層覆矽製程技術來取代傳統的化合物半導體解決方案,支援手機/Wi-Fi射頻切換器產品的應用。

電源IC/雙極-互補金屬氧化半導體-雙重擴散金屬氧化半導體(BCD)技術/面板驅動技術

第二代0.18微米BCD技術的應用擴展至更低成本及更高效能的元件,提高行動電源管理IC的整合度。

微機電系統技術

民國一百零三年,台積公司完成模組化微機電系統製程(Modular MEMS)平台的驗證,以生產加速度計與高敏感度除雜訊麥克風。未來計劃包含下一世代產品以及生物微機電產品應用。

氮化鎵半導體技術

台積公司是首家在六吋晶圓廠使用氮化鎵半導體技術的專業積體電路製造服務廠商。研發團隊完成了高電子移動率電晶體(100伏 E-HEMT)的開發及量產驗證,適用於具有低導通電阻(Ron Resistance)及高崩潰電壓(High Breakdown Voltage)優勢的高功率、高頻率產品。

快閃記憶體/嵌入式快閃記憶體技術

台積公司在嵌入式快閃記憶體技術領域達成數項重要的里程碑。在較成熟的65奈米製程與55奈米製程方面,單一閘及分離閘(Split-gate)等反或閘式(NOR)技術已經完成客戶的驗證。40奈米分離閘技術已經出貨支援車用及消費性電子產品。支援28奈米低功耗與28奈米高效能行動運算製程平台的嵌入式快閃記憶體技術開發正在進行中,因應智慧卡(Smart Card)、微控制器(MCU)以及車用電子等低漏電產品的應用。

技術平台

台積公司提供客戶具備完整設計基礎架構的先進技術平台,以達成令人滿意的生產力及生產週期,其中包括:電子設計自動化(EDA)設計流程、通過矽晶片驗證的元件資料庫及矽智財(IP),以及模擬與驗證用的設計套件,例如製程設計套件(PDK)及技術檔案。

16奈米鰭式場效電晶體強效版製程的推出改善了設計架構,利用先進核心處理器驗證整合工具支援客戶採用16奈米鰭式場效電晶體強效版技術(電子設計自動化工具驗證結果可於TSMC-Online取得)。此外,台積公司擴展其矽智財品質管理專案(TSMC9000),使得矽智財稽核得以在台積公司或其外部認證的實驗室進行。為了能夠結合台積公司開放創新平台生態系統的矽智財,以協助客戶規劃新的產品設計定案,目前開放創新平台生態系統建立一個入口網站,連結客戶至一個擁有39個解決方案提供者的生態系統。

協助客戶開始設計

台積公司的技術平台提供了堅實的基礎,協助客戶實現設計,客戶得以直接透過台積公司內部開發的矽智財與工具,或其OIP夥伴擁有的矽智財與工具進行晶片設計。

技術檔案與製程設計套件

從0.5微米到16奈米製程,台積公司廣泛提供製程設計套件,支援數位邏輯、混合訊號、射頻(RF)、高壓驅動器、CMOS影像感測器(CIS),以及嵌入式快閃技術等應用領域。除此之外,台積公司提供技術檔案—設計法則檢查(DRC)、布局與電路比較(LVS)、寄生元件參數萃取(RC Extraction)、自動布局與繞線(Place-and-Route)及布局編輯器(Layout Editor),以確保電子自動化工具支援其製程技術。截至民國一百零三年,台積公司已在TSMC-Online上提供超過7,000個技術檔案及超過150個製程設計套件。每年客戶下載使用技術檔案與製程設計套件已超過10萬次。

元件資料庫與矽智財

台積公司與其設計聯盟合作夥伴為客戶提供了豐富的可重複利用矽智財,對許多電路設計來說,這些矽智財是不可或缺的模組。民國一百零三年,在台積公司新的客戶產品設計定案中,有超過60%的設計使用了台積公司與/或其合作夥伴的一個或多個元件資料庫與矽智財。民國一百零三年,台積公司擴增其元件資料庫與矽智財到8,500個,較民國一百零二年成長28%。

設計方法與流程

民國一百零三年,台積公司透過開放創新平台的合作,克服了關鍵的設計挑戰,針對數位及系統單晶片應用所需的創新16奈米鰭式場效電晶體強效版技術發表了完整的參考流程,為了達到效能、功耗與面積的最佳化目的,提供鰭式場效電晶體設計解決方案及設計方法。

智慧財產

堅實的智慧財產權組合強化了台積公司的技術領導地位和保護我們先進及尖端技術。民國一百零三年,台積公司創紀錄共獲頒1,460件美國專利,以及超過450件以上的台灣與中國大陸專利,另還有多項其他國家之專利。民國一百零三年,台積公司在前50名獲頒最多美國專利的企業排名第23名。台積公司已在全球擁有近3萬個專利(包含正在申請的專利)。台積公司將會持續一貫的智財資本管理策略計劃,並結合公司策略考量與營運目標,以執行智慧財產權的即時產出、管理及運用。

台積公司已建立一套藉由智慧財產權來創造公司價值的運作模式,因此智財策略的擬定會全面考量研發、營運目標、行銷、企業發展等整體策略。智財權一方面可以保護公司營運自由,另一方面也可強化競爭優勢,並可援引用來創造企業獲利。

台積公司不斷改善智財組合的品質,減低維護成本。台積公司將持續投資智財組合及智財管理系統,以確保公司在技術上的領導地位並從中獲得最大利益。

大學合作計劃

台積公司在台灣的大學研究中心

台積公司已顯著地擴大與台灣的大學進行合作,與多所知名大學攜手成立的四個研究中心,這些研究中心擔負雙重的任務-首先是培養更多未來適合服務於半導體產業的高素質學生,其次是激勵大學教授提出新的研究專案計劃,包括專注於最先進的半導體元件、製程、材料科技、半導體製造及工程科學,以及與電子產業相關的特殊製程技術。民國一百零二年,台積公司在國立台灣大學及交通大學分別成立研究中心;民國一百零三年於國立成功大學及清華大學成立二個新的研究中心。這些研究中心由政府單位及台積公司出資贊助,台積公司承諾投入數億元新台幣並提供大學晶圓共乘專車。民國一百零三年,數百名在電子、物理、材料工程、化學、化工及機械工程領域成績優異的學生加入這些研究中心。

台積公司大學晶圓快捷專案

台積公司成立「大學晶圓快捷專案」(TSMC University Shuttle Program)之目的,係提供全球頂尖大學傑出教授使用先進的矽製程技術以研發創新的電路設計觀念。台積公司的大學晶圓快捷專案有效地串起來自全球頂尖大學的教授、研究生與台積公司主管們的研究動力與熱情,在半導體領域創造更卓越的先進技術與新世代的人才培育。

台積公司的大學晶圓快捷專案提供的製程技術包括進行數位/類比/混合訊號電路與射頻設計的65奈米製程及40奈米製程、支援微機電系統(MEMS)設計的0.11微米/0.18微米製程,以及特殊研究計劃使用的28奈米製程。參與台積公司大學晶圓快捷專案的頂尖大學,包括美國的麻省理工學院(M.I.T.)、史丹福大學(Stanford)、加州大學柏克萊校區(UC Berkeley)、加州大學洛杉磯校區(UCLA)、德州大學奧斯汀校區(UT Austin)以及密西根大學。在台灣,積極參與的研究小組包含國立台灣大學、交通大學以及清華大學。其它的參與者還有來自中國的北京清華大學、香港的香港科技大學與新加坡的南洋理工大學。

參與台積公司大學晶圓快捷專案的大學肯定此項專案的重要性,讓他們的研究生們得以實現令人興奮的設計,例如低功耗記憶體、類比數位轉換器,到先進的射頻和混合訊號生物醫療系統,實屬產學雙贏的世界級合作。民國一百零三年,台積公司接獲來自全球各大學教授的感謝函,包括麻省理工學院、史丹福大學、加州大學柏克萊校區、加州大學洛杉磯校區、密西根大學、國立台灣大學以及國立交通大學。

未來研發計劃

基於民國一百零三年在先進技術上締造的優異成果,台積公司未來將繼續擴展其研發投資。台積公司計劃進一步強化前瞻性技術研究,繼續研發新的電晶體及製程技術,例如三維(3D)結構、應變層互補金屬氧化半導體(Strained-layer CMOS)、高載子移動率材料及創新的三維積體電路元件。目前,奈米級金屬氧化半導體電晶體的基本物理和其特性的研究是台積公司的研發重點之一,以作為了解和引導未來先進製程元件的設計方向。台積公司已經運用相關的研究結果,確保我們在20奈米及16奈米製程技術世代的領導地位,並將此領先優勢延續到10奈米及7奈米製程。台積公司的目標之一,是藉由內部的創新及與產業領導者和學術界共同合作來延續摩爾定律,我們尋求具有成本效益的技術和製造解決方案。

台積公司擁有優異、高度專注的研發團隊,加上對創新的承諾,我們深信一定能提供客戶最佳且具成本效益的系統單晶片製程技術,有助於台積公司的營運成長及獲利能力。

台積公司未來主要研發計劃摘要

計劃名稱 計劃內容 預計試產時程

10奈米邏輯技術平台應用

同時支援數位及類比產品應用的第三代鰭式場效電晶體製程技術

民國104年

7奈米邏輯技術平台應用

支援系統單晶片技術的互補金屬氧化物半導體技術平台

民國107年

三維積體電路

因應系統級封裝技術,開發更具成本效益及更具尺寸、效能優勢的解決方案

民國104年至民國105年

下一世代的微影技術

發展極紫外光及多重電子束技術以延伸摩爾定律

民國104年至民國108年

長期研發

特殊系統單晶片技術(包括新型非揮發性記憶體、微機電、射頻、類比晶片)和5奈米電晶體

民國104年至民國108年

以上計劃之研發經費約佔民國104年總研發預算之70%,而總研發預算預估佔民國104年全年營收的8%。