TSMC蒋尚义：自主创新推动半导体技术升级

受访人：TSMC研发资深副总裁 蒋尚义
时间：2010年5月26日
地点：北京香格里拉饭店

上世纪80年代中期，晶圆代工企业的出现改变了集成电路产业的游戏规则，使全球半导体产业的生态系统发生了革命性的变化。随着集成电路特征尺寸进入32纳米节点，“摩尔定律还能走多远”成为业界关注的话题。作为专注于集成电路制造的企业，如何在新的工艺节点抢占先机？如何面对即将到来的器件物理极限？如何拓展新的业务领域？就此话题，记者日前专访了TSMC研发资深副总裁蒋尚义。

推动半导体技术不断升级

记者：TSMC开创了专业从事晶圆制造的Foundry模式，并取得了成功。你认为这种产业模式未来是否还具有生命力？
蒋尚义：TSMC自成立至今已有23年历史。在过去的23年中，我们不断地看到采取IDM（集成器件制造商）模式的公司逐渐放弃芯片制造业务，转型成为Fabless（无生产厂集成电路设计公司）或Fablite（轻制造设施）公司，而不是相反。
晶圆制造是一个资金密集型的产业，以TSMC为例，我们每增加1元钱的投资，能得到的年销售收入增长是0.5元，普通公司很难承受这样的投资强度。同时，从事晶圆制造行业必须非常注重规模效应，对于企业而言，通常产能规模越大，其生产成本就越低。如今，IDM模式的公司越来越少，足以说明Foundry模式具有强大的生命力，也足以说明TSMC最初选择的发展道路是正确的。
记者：两年前，TSMC和英特尔、三星一起宣布，共同推动18英寸生产线在2012年问世。你认为这个目标是否还能够按当初的计划得以实现？
蒋尚义：在过去数十年中，半导体晶圆直径从4英寸、6英寸、8英寸直到12英寸，大概每隔10年晶圆尺寸就会有一次升级。如果按照这个规律进行推算的话，18英寸生产线应该在2011年或2012年被推出，但从目前的情形来看相当具有挑战性，其中最重要的原因是设备制造商的研发成本太高，而且在他们付出巨额的研发费用之后，得到的结果是销售的设备数量却较前一世代线减少，因此他们对升级到18英寸并没有多大兴趣。当前的半导体设备制造业与过去数十年有一个很大的不同，就是在集成电路生产的几个关键环节，其设备供应商几乎都是一家独大，而不是像过去那样可以形成两三家企业竞争的局面，这也在一定程度上影响了设备供应商推动其产品更新换代的积极性。我认为，从12英寸升级到18英寸，最大的障碍与其说是技术上的，不如说是经济上的。不过，TSMC会一如既往推动半导体产业的升级。
记者：TSMC在28nm节点转向了Gate Last(后栅)工艺，你如何看待Gate Last和Gate First(先栅)两种技术的前景？集成电路设计公司对此持何种态度？
蒋尚义：我们现在面临的情况跟上世纪80年代初所遇到的问题有些类似。当时，半导体业界刚刚开始从NMOS工艺转向CMOS工艺。我们知道，CMOS器件融合了NMOS和PMOS两种器件的构造，CMOS工艺至今仍是主流的工艺技术。当时，人们试图沿用NMOS工艺的做法，在CMOS器件中统一采用N+掺杂的多晶硅材料来制作栅极，但发现其中的PMOS性能非常不好。为此，部分厂商试图往PMOS管的沟道中掺杂补偿性的杂质材料，尽管取得了一些效果，但此举又带来了很多副作用。
我们今天面临的难题仍然是NMOS和PMOS两种构造在CMOS器件中共存的问题。以前，TSMC一直采用先制作栅极、后制作源/漏极的Gate First工艺，但Gate First工艺有一个先天的限制，就是同一个器件其栅极材料只能用一种。对于单纯的NMOS器件或PMOS器件来说这是没有问题的。但对CMOS工艺而言就无法兼顾两种构造，目前业界普遍的做法是在选择栅极材料的时候尽量迁就性能较强的NMOS器件，因此PMOS的性能就相对较差。
TSMC在28nm节点转向Gate Last工艺，Gate Last工艺是在制作完源/漏极之后再制作栅极，可以分别针对NMOS和PMOS沉积不同的栅极材料。这样，就解决了栅极材料无法使NMOS和PMOS两种构造同时达到性能最佳化的问题。尽管有业内企业在28nm节点仍然采用Gate First工艺，但我相信，在20nm节点，他们必然也会转向Gate Last。对集成电路设计企业而言，他们也非常希望工艺路线能尽快得到统一，否则会给他们的设计工作带来很大的困扰。
记者：从IC制造的角度来看，光刻技术也是必须突破的瓶颈。你认为目前193nm浸润光刻技术会在哪个技术节点宣告终结？
蒋尚义：在40nm节点，TSMC仍然使用的是193nm波长的浸润式光刻设备，在28nm和20nm节点，我们还将继续使用这种设备，但在光罩技术方面需要进一步的创新做法。我认为，在未来的15nm或14nm节点，即便193nm波长的光刻设备在技术上还能满足需求，但在成本上已不具经济效益优势。届时，就需要引入EUV(极紫外)光刻设备或E-Beam(电子束直写)光刻设备。当然，引入新工艺和新设备的成本也不容小觑。以EUV为例，一台EUV设备目前的售价是1亿美元，而为给这台EUV配套，我们还需要事先在洁净室里安装一台价值180万美元的起重机。另外，从产能角度来看，EUV的单台产能要达到每小时100片晶圆才能具有生产效益；E-Beam的弱点也在于生产能力，但如果E-Beam能保证每小时加工10片晶圆，那么10台E-Beam的价格合计也会低于1台EUV。此外，E-Beam具备另一个优势是不再需要掩模(Mask)。

“摩尔定律”或将失效

记者：在过去的半个世纪里，集成电路工艺技术一直按照“摩尔定律”稳步提升，到今天已经进入32nm节点。业界始终有人在探讨“摩尔定律”究竟何时将失效，你对此持什么观点？
蒋尚义：现在的集成电路中的晶体管被称为“平面晶体管”，从物理结构上来看，平面晶体管可以延续到18nm工艺，因此这种结构在20nm节点仍然适用。如果器件的特征尺寸继续减小，就需要引入新的结构。就目前而言，FinFet和SOI是两个主要发展方向，TSMC更看好充分利用三维空间的FinFet结构。如果采用FinFet技术，那么器件的特征尺寸可以做到7nm～8nm。当然，我们也希望在今后10年内能有新的技术涌现出来，让“摩尔定律”能够延续下去。值得注意的是，工艺技术继续向上提升，每升级一代研发成本和生产成本都会大幅增加，如果获得效益的增加幅度小于成本增加的幅度，那么工艺技术的升级就难以为继了。
我们可以通过粗略的计算来比较一下效益与成本。摩尔定律每升级一代，晶体管的尺寸便缩小为上一代产品的70%%，转化为面积则缩小一半；也就是说，同样面积的芯片上晶体管数量将翻一番，从理论上讲这意味着芯片厂的效益将增长100%%。但由于系统中的输入/输出、模拟器件等无法将面积缩小一半，所以，其晶体管数量的增长仅为85%%左右，相应的，其效益的增长也仅为85%%。另外，开发新产品的研发成本将抵消30%%的效益，相比上一代技术，新技术带来的效益仅为55%%。集成电路产品的价格每年都在下跌，通常每年会下跌12%%左右，而升级一代产品大约需要两年时间，因此，价格的下跌又将抵消25%%的效益；同时，工艺的升级会导致晶圆制造厂的成本增加，未来，如果因为晶圆制造成本增加使得工艺升级失去投资效益，届时，可能就是摩尔定律走到尽头的时候。
记者：如果严格按照“摩尔定律”的工艺路径，65nm之后的各个节点应该是45nm、32nm、22nm，但TSMC从45nm节点开始就不再遵循这个路径，而是每每领先“半步”，先是采用了40nm工艺，随后跳过32nm直接进入28nm，最近又宣布将跳过22nm直接进入20nm。请问TSMC采取这样的策略是出于何种考虑？
蒋尚义：TSMC采取这样的策略，主要是配合客户的需求，以及为了充分发挥自己在研发能力、产能规模和融资能力上的优势。在晶圆代工领域，与和我们最接近的竞争对手相比，TSMC的销售收入超过他们的3倍，因此我们在研发上的投资额度也可以保持2～3倍的领先，这使得我们拥有足够的资源优势，在技术上拉开与竞争对手的距离。这也是我们从45nm节点开始采取领先“半步”策略的原因。从目前来看，我们采取的这种策略是成功的。
在晶圆制造领域，因为不同芯片的面积不同，所以我们通常以整片晶圆的缺陷密度来衡量制造过程中的良率。任何公司进入一个新的技术节点，一开始缺陷密度总是比较高；随着时间推移，缺陷密度会逐渐降低。如果用横坐标为时间、纵坐标为缺陷密度的曲线来表征这个过程，我们可以看到一条逐渐下降的曲线。这条曲线在横向持续的长度远远超出我们的想象，因为缺陷密度降低(即良率提高)的过程往往会持续10年以上。我们在10年前推出的0.13μm的工艺，直到今天仍在改进中。我们领先竞争对手推出更先进的工艺，并不仅仅是着眼于当前的利益，而是要在之后的10多年中始终保持技术上的领先地位。
记者：那么，除了英特尔仍然严格遵循“摩尔定律”的路径之外，是否还有其他公司会和TSMC走同样的工艺路径？
蒋尚义：的确，目前业内很多专业的晶圆制造企业在其工艺标准上向TSMC靠拢，因为很多集成电路设计公司是按照TSMC的工艺标准进行设计，这样，一旦TSMC的产能无法满足市场需求，他们就可以很方便地争取到这部分客户。因此，TSMC领先“半步”的策略被同行所效仿也就不足为奇了，或许TSMC现在所走的工艺路径还会成为Foundry业界新的标准。

加速拓展新业务领域

记者：随着集成电路产品的升级换代，设计成本也不断提升，过高的成本门槛一定会阻碍一些公司进入这个行业。此外，由于针对特定产品的开发成本上升，需要该产品具有更大的市场空间才能保证涉足该领域的企业能够赢利。所有这些是否意味着Foundry企业的客户数量将大为减少？TSMC如何看待这一潜在的危机？
蒋尚义：在集成电路进入45nm节点之后，开发一款新产品的成本将超过5000万美元；而对于集成电路设计公司来说，他们通常希望成本占销售收入的比例不超过20%%。因此，设计公司对于销售收入期望值的底线应该是2.5亿美元。的确，无论是市场空间还是研发成本对于很多初创的公司而言都是一个很大的挑战，很多初创公司和融资能力较差的公司会因此无法跻身一些主流产品市场。
这样的情形对专业从事晶圆制造的企业而言应该是喜忧参半。在上世纪90年代，由于某些产品领域的竞争非常激烈，客户把资源集中在产品的某一代，在该领域处于主导地位，然而到了产品的下一代因没有及时投入研发资源，其统治地位就被另一家公司所取代，业内有人把这种现象戏称为“一代拳王”。这种现象就给我们的研发人员带来一些困难，因为我们在同一类产品更新换代的过程中往往要面对不同的合作伙伴，在上一代产品开发过程中建立的默契关系无法延续到新一代产品。
现在，这样的现象明显减少了，这对研发部门而言自然是一件好事，可以提高工作效率；当然，对于市场部门而言，客户数量减少意味着谈判难度加大。
所幸的是，有能力提供先进工艺的晶圆制造企业数目也在下降，我们所面临的竞争压力也有所减少，因此TSMC高端客户的数量反而不断增加。一个令人欣慰的消息是，在28nm节点，全球排名前20位的集成电路企业都与TSMC有合作关系，这在公司历史上还是第一次。
记者：如今，节能减排已经成为全世界关注的话题，在“大力培育战略性新兴产业”政策指引之下，中国政府也非常重视新能源产业和节能减排技术的发展。TSMC从去年开始涉足光伏产业，针对这个新兴产业，TSMC有哪些具体的规划？
蒋尚义：针对光伏产业链，从多晶硅和单晶硅的制造，到电池与组件的生产，再到太阳能电站的建设，TSMC都做了很长时间的评估。我们认为，在光伏领域，TSMC还是应该发挥自身技术方面的特长，以工艺技术为依托，寻找一个切入点。虽然太阳能电池的发展历程已有30～40年，但仍有很多新工艺、新技术不断涌现。最近5年，薄膜太阳能电池和CIGS(铜铟镓硒)太阳能电池获得业界的青睐，这些领域在技术上还有很大的发展空间。
记者：除了光伏产业之外，LED也是TSMC近期比较关注的领域。针对LED照明产业TSMC将采取哪些竞争策略？
蒋尚义：LED产业方面，TSMC位于新竹科学园区的LED照明技术研发中心暨量产厂房已在今年3月动土兴建，这是我们跨入绿色能源新事业的重要里程碑。我们将充分发挥TSMC在半导体技术的领先地位以及优异的制造能力两项优势，全力进行LED照明技术、制程、封装与测试的研发与整合，从明年起公司将率先以LED光源(Light Source)以及LED光引擎(Light Engine)等产品切入市场，来追求LED照明产业的广大商机。我认为，在LED领域，中国大陆也有很多的市场机会。

记者点评
贵在坚持自我
晓伟

或许每一个了解TSMC的人都能列出一堆理由来阐释其成功之道，但在记者看来，在产业发展和技术进步的关键节点能坚持自己的选择才是其营运思想的精髓。晶圆代工模式是一条因为“走的人多了”才踏出来的道路，作为这条道路上的先行者，TSMC在创业之初的艰辛程度可想而知。
10年前，半导体工艺在0.13微米节点由于铜制程的引入而遇到很大的困难，TSMC坚持走自主研发之路，攻克了工艺难关；如今，TSMC又在28纳米节点果断转向Gate Last工艺，为迈向更高世代工艺奠定基础。对半导体企业而言，无论是市场策略还是技术路线，业界的“主流观点”无疑具有非常大的参考价值，但如果完全沉溺于“众意”之中，不敢坚持自我，是无法造就一家成功企业的。
构筑一个共赢的平台是TSMC成功的另一个要素，TSMC发展壮大的过程也不妨被视为与产业上下游寻求合作共赢的过程。IC设计企业、IP供应商、EDA工具供应商、封测企业、设备供应商都是晶圆代工企业的合作伙伴，而一些传统的IDM企业也越来越多地选择把IC制造外包。对TSMC而言，其业务已经由单纯的晶圆代工转变为打造一个以晶圆制造为核心的服务平台。

相关链接

TSMC新工艺计划

2010年中
推出28纳米低功耗工艺28LP(SiON)；
2010年下半年
推出28纳米高性能工艺28HP(HKMG)
2010年底
推出28纳米高性能低功耗工艺28HPL(HKMG)
2011年下半年
推出28纳米高性能工艺28HPM(HKMG)
2012年下半年
推出20纳米高性能工艺20G(HKMG)
2013年上半年
推出20纳米SoC工艺20SoC(HKMG)