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六大芯片制造厂的制程工艺演进之路

2019-10-15 10:22:50 暂无 阅读:1825 评论:0
六大芯片制造厂的制程工艺演进之路

当下,半导体系造业成长得如火如荼,稀奇是以台积电为代表的晶圆代工业,在对更进步制程工艺的络续追求下,使得财富链上的相关企业备受存眷,也拉动着财富投资。

10nm、7nm、7nm+,以及来岁就将试产的 5nm 等,进步制程成长到今朝阶段,已经进入了迟缓成长期。这些制程与昔时作为最具经济效益,且被看作是进步制程分界点的 28nm 比拟,玩儿家越来越少,看客越来越多。是以,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,存量上根基连结不变或稍微下降,然则因为 28nm 及更进步制程的市场规模逐渐扩大,成熟制程的市场占比会络续下降。总的来说,今朝代工市场照样首要以成熟制程为主,进步制程占比络续提高。2018 年,28nm 及更进步制程市场占比 45% 摆布,估计到 2021 年能够达到 56%。

而从芯片制造厂商角度来看,今朝,28nm 及更进步制程的玩家也只有 6 家了,它们离别是纯晶圆代工场台积电、格芯、联电和中芯国际,以及 IDM 大厂三星和英特尔。

六大芯片制造厂的制程工艺演进之路

下面,我们就针对这 6 家芯片制造大厂的制程工艺演进情形做一下梳理。

台积电

在晶圆代工范畴,无论是制程手艺笼盖局限、进步制程向导力,照样营收水平等,台积电都是行业老迈。该公司排名一向位列行业第一,今朝的市占率已经接近 60%。而在制程手艺种类方面,2017 年,台积电就以 258 种制程手艺,为 465 个客户生产了 9920 种芯片。工场方面,该公司拥有三座 12 英寸超大晶圆厂,离别是晶圆 12 厂、晶圆 14 厂和晶圆 15 厂,此外,其在中国大陆和..区域还在新建工场,以知足客户对更进步制程工艺的需求。

下面看一下台积电各类制程工艺的演进情形。

2003 年,该公司推出了其时业界领先的 0.13 μ m 低介质铜导线逻辑制程手艺,也就是从那时起头,台积电起头大幅领先于联电(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,台积电起头风险试产 65nm 产物;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 通用工艺手艺。

因为台积电在业内率先实现了 28nm 的量产,使其历久并吞 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 尺度制程,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 手艺量产芯片的公司;2015 年,起头量产 16nm FinFET 制程;2017 年,起头大规模出货 10nm FinFET 制程,并起头风险试产 7nm FinFET 制程,并于 2018 年实现量产;2019 年,起头量产 7nm+(EUV 版的 7nm)。

2020 年将风险试产 5nm 制程。此外,该公司已经起头扶植 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距离时间慢慢拉长,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。然则,从 65nm 今后的历次新制程产能推进情形来看,新制程量产后的扩产和替代速度正在敏捷加速,例如:40nm/45nm 制程的产能占比从 0 提拔到 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。

经由以上这些现象能够看出:一、高端大客户对于更高机能、更低功耗的进步制程产物的需求急迫;二、反映出台积电的研发能力和生产经验在络续增加,对新产能的良率掌握和产能推进越来越轻车熟路。

六大芯片制造厂的制程工艺演进之路

图:台积电在 2009~2017 年间进步制程的迭代速度逐年加速

台积电的盈利能力很强,下面就以人们非常存眷的中芯国际为对象,做一下简洁的对比。以 2017 年第四时度的台积电和中芯国际的营收构造和毛利率为例,进步制程(28nm 及以下)为台积电带来的营收占总营收比重为 63%,而中芯国际的进步制程营收占比仅为 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。二者产物均价相差跨越一倍,毛利率相差近 2.5 倍,进步制程具有的产物价格和利润空间可见一斑。

三星

三星于 2005 年成立了晶圆代工买卖部门,并于 2017 年起头将其自力出来经营,自力的首要目的就是为了增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买卖在进步制程方面的演进情形。

2016 岁首,三星第二代 14nm FinFET 起头量产;2016 年 10 月,该公司第一代 10nm FinFET LPE 制程多量量生产;2017 年 4 月,第二代 10nm FinFET 工艺手艺 10LPP 经由认证;2017 年 10 月,8nm FinFET 工艺手艺 8LPP 经由认证;2017 年 11 月,第二代 10nm FinFET 工艺手艺量产;2019 年,7nm+ 制程实现量产。

比来两年,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 起头为苹果量产 10nm 的 A11 处理器,并于 2018 年起头量产 7nm 制程,三星也起头进行 10nm 投片,但跳过了采用浸润式光刻手艺的 7nm,直接推出采用 EUV 光刻手艺的 7nm。总体而言,台积电在 10nm 和 7nm 制程上有领先优势。

在工场方面,三星从 2005 年起头进入 12 英寸晶圆代工范畴,今朝,该公司的晶圆代工专属线有 4 条,包罗 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,首要针对高端工艺,包罗 65nm、45nm、32nm /28nm HKMG、14nm FinFET 工艺,客户包罗苹果、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,工艺手艺包罗嵌入式闪存 ( eFlash ) 、功率器件、CMOS 图像传感器 CIS,以及高压制程的生产。

格芯

格芯(Global Foundries)制订了两条工艺路线图:对于 FinFET,该公司有 14LPP(14nm FinFET 手艺)和 12LPP;对于 FD-SOI,格芯在产的是 22FDX,当客户需要时,还能够生产 12FDX 芯片。

格芯 14LPP 首要用于制造较量、互联网、移动、办事器市场的低功耗 SoC;28nm 及 FDX 系列工艺首要用于中低端处理器;22FDX-RFA 手艺首要应用于射频范畴;180nm 和 55nm 等成熟工艺首要应用于模拟芯片,以及电源治理芯片等范畴。

联电

联电于 2003 年起头试产 90nm 芯片,并于 2004 年经由验证并实现量产;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,起头试产 28nm 芯片,并于 2014 年量产;2017 年,量产 14nm 芯片。

2013 年,联电还成功斥地出了 28nm 的 PolySiON 制程手艺,并经由客户产物验证慢慢导入量产。2014 年,成功斥地出 28nm 的 HKMG 制程手艺,并经由先期客户产物验证慢慢导入量产。2015 年,成功斥地出 28nm 高效能精简型(HPC+)制程手艺,可供应更低的漏电流,从而降低功耗。

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,起头量产 28nm。

中芯国际的 28nm 有 3 种制程,离别是 PolySiON,HKMG 和 HKC。该公司的 28nm 手艺现已成功进入多项目晶圆 ( MPW ) 和量产阶段,并提出了成长三阶段概念: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 季起头产出,而第三阶段是 HKC 制程,在 2018 年量产。

自 28nm 量产今后,中芯国际在该制程节点处的成长就碰到了一系列的难题。对此,该公司 CEO 赵水师曾经透露:" 对 28nm 扩产持郑重立场 "。而中芯国际在 2018 年投入量产的首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 都已经是敌手的成熟制程,价钱方面的压力根基相当,是以,28nm HKMG 的扩产从盈利能力的角度来看,带来的进献有限。是以,该公司临时放缓了盈利艰难的 28nm,临时经由成熟制程稳定业绩,为 14nm 在 2019 年的量产做好足够预备。

成熟工艺方面,55nm/65nm 和 0.15 μ m/0.18 μ m 两大制程..放量,估计对应该公司的 NOR 和 PMIC 两大要害..。此外,中芯国际拥有中国大陆区域最大的 8 英寸晶圆产能,成熟制程..和定制化应用的火热水平使其 8 英寸线产能行使率连结高位,对该公司业绩也有进一步拉动感化。

今朝,14nm FinFET 制程手艺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构造从 2D 改变为 3D。固然今朝进步制程的划分依然以 28nm 为界,但从晶圆代工场商的竞争款式来看,14nm FinFET 手艺才是主流大厂与中小厂商的分野地点。是以,14nm FinFET 手艺的冲破对于中芯国际来说有着里程碑意义。

英特尔

从 1971 年,采用 10 μ m 制程工艺生产出全球首个微处理器 4004,一向到 2019 年实现 10nm 处理度量产,英特尔近 50 年的半导体系程工艺成长之路堪称史上之最。

在制程工艺手艺方面,英特尔一贯以要求严苛而著名,也恰是因为如斯,使其在贸易化制程方面落在了台积电和三星的后背。然则,因为英特尔并不是专做晶圆代工的企业,其在该范畴的产能和市场占有率都对照低。工场首要照样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,包罗亚利桑那州、俄勒冈州、新墨西哥州、马萨诸州,个中马萨诸州是英特尔今朝独一、也是最后一座 8 英寸晶圆厂了。该公司的 14nm 制程工艺首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 晶圆厂首要是爱尔兰的 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,不外,制程工艺照样以 90nm 和 65nm 为主。

在成长晶圆代工买卖方面,英特尔有或者会引入计谋投资者。在将来的 7nm 及 5nm、3nm 等手艺的投资越来越大,引入计谋投资者有助于分管风险。

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