[原创] 六大芯片制造厂的制程工艺演进之路

2019-10-15
14:00:03
来源: 半导体行业观察

 

 

当下,半导体制造业发展得如火如荼,特别是以台积电为代表的晶圆代工业,在对更先进制程工艺的不断追求下,使得产业链上的相关企业备受关注,也拉动着产业投资。

 

10nm、7nm、7nm+,以及明年就将试产的5nm等,先进制程发展到目前阶段,已经进入了缓慢发展期。这些制程与当年作为最具经济效益,且被看作是先进制程分界点的28nm相比,玩儿家越来越少,看客越来越多。因此,它们的演进过程值得回味。

 

从制程工艺节点演变角度来看,28nm及以上相对成熟制程,凭借高性价比依然拥有较大的市场规模,存量上基本保持不变或轻微下降,但是由于28nm及更先进制程的市场规模逐渐扩大,成熟制程的市场占比会不断下降。总的来说,目前代工市场还是主要以成熟制程为主,先进制程占比不断提高。2018年,28nm及更先进制程市场占比45%左右,预计到2021年可以达到56%。

 

而从芯片制造厂商角度来看,目前,28nm及更先进制程的玩家也只有6家了,它们分别是纯晶圆代工厂台积电、格芯、联电和中芯国际,以及IDM大厂三星和英特尔。
 
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下面,我们就针对这6家芯片制造大厂的制程工艺演进情况做一下梳理。

 

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台积电

 

在晶圆代工领域,无论是制程技术覆盖范围、先进制程领导力,还是营收水平等,台积电都是行业老大。该公司排名一直位列行业第一,目前的市占率已经接近60%。而在制程技术种类方面,2017年,台积电就以258种制程技术,为465个客户生产了9920种芯片。工厂方面,该公司拥有三座12英寸超大晶圆厂,分别是晶圆12厂、晶圆14厂和晶圆15厂,此外,其在中国大陆和台湾地区还在新建工厂,以满足客户对更先进制程工艺的需求。

 

下面看一下台积电各种制程工艺的演进情况。

 

2003年,该公司推出了当时业界领先的0.13μm低介质铜导线逻辑制程技术,也就是从那时开始,台积电开始大幅领先于联电(UMC)。

 

2004年,台积电成为第一家采用浸没式光刻工艺生产90nm芯片的厂商。

 

2005年,台积电开始风险试产65nm产品;2008年,使用40nm制程工艺为多个客户大规模生产芯片;2011年,全球首家推出28nm通用工艺技术。

 

由于台积电在业内率先实现了28nm的量产,使其长期霸占28nm市场占有率的第一名,高通骁龙800采用了台积电的28nm HPM HKMG标准制程,高通MSM8960和联发科四核芯片MT6589T芯片使用的则是28nm LP工艺。

 

2014年,台积电成为全球首家采用其独创的双模式20nm技术量产芯片的公司;2015年,开始量产16nm FinFET制程;2017年,开始大规模出货10nm FinFET制程,并开始风险试产7nm FinFET制程,并于2018年实现量产;2019年,开始量产7nm+(EUV版的7nm)。

 

2020年将风险试产5nm制程。此外,该公司已经开始建设3nm制程工艺晶圆厂,并有望于2022年实现量产。

 

在制程工艺演进方面,台积电有一大特点,那就是每一代制程的推出间隔时间逐步拉长,例如:其45nm到28nm之间相隔9个季度,28nm到16nm之间相隔11个季度,16nm到 10nm之间相隔12个季度。但是,从65nm以后的历次新制程产能推进情况来看,新制程量产后的扩产和替代速度正在迅速加快,例如:40nm/45nm制程的产能占比从0提升到20%耗时9个季度,28nm耗时7个季度,16nm制程耗时5个季度,而10nm只耗时 3个季度。

 

通过以上这些现象可以看出: 一、高端大客户对于更高性能、更低功耗的先进制程产品的需求迫切;二、反映出台积电的研发能力和生产经验在不断增强,对新产能的良率控制和产能推进越来越得心应手。
 
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图:台积电在2009~2017年间先进制程的迭代速度逐年加快

 

台积电的盈利能力很强,下面就以人们非常关注的中芯国际为对象,做一下简单的对比。以2017年第四季度的台积电和中芯国际的营收结构和毛利率为例,先进制程(28nm及以下)为台积电带来的营收占总营收比重为63%,而中芯国际的先进制程营收占比仅为11%,该季度台积电毛利率为50.5%,而中芯国际毛利率为19%。台积电2017年Q4营收为94.37亿美元,晶圆出货量为607.28万片8英寸约当晶圆,综合单价为1554美元/片。中芯国际同期营收为7.87亿美元,晶圆出货量为112.48万片8英寸约当晶圆,综合单价为 700美元/片。二者产品均价相差超过一倍,毛利率相差近2.5倍,先进制程具有的产品价值和利润空间可见一斑。

 

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三星

 

三星于2005年成立了晶圆代工业务部门,并于2017年开始将其独立出来经营,独立的主要目的就是为了加强在全球晶圆代工市场的竞争力,以求拉近与台积电的距离。

 

下面看一下三星晶圆代工业务在先进制程方面的演进情况。

 

2016年初,三星第二代14nm FinFET开始量产;2016年10月,该公司第一代10nm FinFET LPE制程大批量生产; 2017年4月,第二代10nm FinFET工艺技术10LPP通过认证; 2017 年10月,8nm FinFET工艺技术8LPP通过认证; 2017年11月,第二代10nm FinFET工艺技术量产; 2019年,7nm+制程实现量产。

 

最近两年,三星与台积电在10nm制程工艺竞争较为激烈。台积电在2017年Q2开始为苹果量产10nm的A11处理器,并于2018年开始量产7nm制程,三星也开始进行10nm投片,但跳过了采用浸润式光刻技术的7nm,直接推出采用EUV光刻技术的7nm。总体而言,台积电在10nm和7nm制程上有领先优势。

 

在工厂方面,三星从2005年开始进入12英寸晶圆代工领域,目前,该公司的晶圆代工专属线有4条,包括3条12英寸和一条8英寸线。12英寸晶圆代工线分布在韩国和美国,主要针对高端工艺,包括65nm、45nm、32nm /28nm HKMG、14nm FinFET工艺,客户包括苹果、高通、AMD、XILINX、NVIDIA等。8英寸晶圆代工线于2016年开放,从180nm到65nm制程节点都已经涵盖,工艺技术包括嵌入式闪存(eFlash)、功率器件、CMOS图像传感器CIS,以及高压制程的生产。

 

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格芯

 

格芯(Global Foundries)制定了两条工艺路线图:对于FinFET,该公司有14LPP(14nm FinFET技术)和12LPP;对于FD-SOI,格芯在产的是22FDX,当客户需要时,还可以生产12FDX芯片。

 

格芯14LPP主要用于制造计算、互联网、移动、服务器市场的低功耗SoC;28nm及FDX系列工艺主要用于中低端处理器;22FDX-RFA技术主要应用于射频领域;180nm和55nm等成熟工艺主要应用于模拟芯片,以及电源管理芯片等领域。

 

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联电

 

联电于2003年开始试产90nm芯片,并于2004年通过验证并实现量产;2005年,该公司推出了65nm芯片;2006年产出第一片45nm芯片;2008年,推出业界第一个代工的28nm制程SRAM芯片;2009年出产了40nm芯片;2011年,开始试产28nm芯片,并于2014年量产;2017年,量产14nm芯片。

 

2013年,联电还成功开发出了28nm的PolySiON制程技术,并通过客户产品验证逐步导入量产。2014年,成功开发出28nm的HKMG制程技术,并通过先期客户产品验证逐步导入量产。2015年,成功开发出28nm高效能精简型(HPC+)制程技术,可提供更低的漏电流,从而降低功耗。

 

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中芯国际

 

2000年成立的中芯国际,于2001年在上海投产8英寸厂,并于2005年实现90nm试产;2009年实现65nm量产;2011年,55nm量产,且40nm验证成功,2012年,40nm量产;2015年Q2,开始量产28nm。

 

中芯国际的28nm有3种制程,分别是PolySiON,HKMG和HKC。该公司的28nm技术现已成功进入多项目晶圆(MPW)和量产阶段,并提出了发展三阶段概念:第一阶段的PolySiON制程已经量产,第二阶段HKMG制程已经在2017年第2季开始产出,而第三阶段是HKC制程,在2018年量产。

 

自28nm量产以后,中芯国际在该制程节点处的发展就遇到了一系列的困难。对此,该公司CEO赵海军曾经表示:“对28nm扩产持谨慎态度”。而中芯国际在2018年投入量产的主要新制程是第二阶段的28nm HKMG(中芯国际称之为HKC)。而28nm Poly/SiON和HKMG都已经是对手的成熟制程,价格方面的压力基本相当,因此,28nm HKMG的扩产从盈利能力的角度来看,带来的贡献有限。因此,该公司暂时放缓了盈利艰难的28nm,暂时通过成熟制程稳固业绩,为14nm在2019年的量产做好充足准备。

 

成熟工艺方面,55nm/65nm和0.15μm/0.18μm两大制程平台放量,预计对应该公司的NOR和PMIC两大关键平台。此外,中芯国际拥有中国大陆地区最大的8英寸晶圆产能,成熟制程平台和定制化应用的火热程度使其8英寸线产能利用率保持高位,对该公司业绩也有进一步拉动作用。
 
目前,14nm FinFET制程技术是中芯国际的重中之重,因为从14nm节点起,集成电路中的场效应管结构从2D转变为3D。虽然目前先进制程的划分依然以28nm为界,但从晶圆代工厂商的竞争格局来看,14nm FinFET技术才是主流大厂与中小厂商的分野所在。因此,14nm FinFET技术的突破对于中芯国际来说有着里程碑意义。

 

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英特尔

 

从1971年,采用10μm制程工艺生产出全球首个微处理器4004,一直到2019年实现10nm处理器量产,英特尔近50年的半导体制程工艺发展之路堪称史上之最。

 

在制程工艺技术方面,英特尔一向以要求严苛而闻名,也正是因为如此,使其在商业化制程方面落在了台积电和三星的后面。但是,由于英特尔并不是专做晶圆代工的企业,其在该领域的产能和市场占有率都比较低。工厂主要还是用于生产自家的处理器和存储器芯片。

 

Intel旗下的晶圆厂非常多,该公司70%的处理器及芯片组晶圆都产自美国的晶圆厂,包括亚利桑那州、俄勒冈州、新墨西哥州、马萨诸州,其中马萨诸州是英特尔目前唯一、也是最后一座8英寸晶圆厂了。该公司的14nm制程工艺主要在美国亚利桑那州及俄勒冈的D1X晶圆厂生产。美国本土以外的14nm晶圆厂主要是爱尔兰的Fab 24,还在升级14nm工艺中。

 

该公司在中国大连、成都还有两座晶圆厂,不过,制程工艺还是以90nm和65nm为主。

 

在发展晶圆代工业务方面,英特尔有可能会引入战略投资者。在未来的7nm及5nm、3nm等技术的投资越来越大,引入战略投资者有助于分担风险。

 

*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。

 

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