六大晶片製造廠的製程工藝演進之路

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當下,半導體製造業發展得如火如荼,特別是以台積電為代表的晶圓代工業,在對更先進位程工藝的不斷追求下,使得產業鏈上的相關企業備受關注,也拉動著產業投資。

10nm、7nm、7nm+,以及明年就將試產的5nm等,先進位程發展到目前階段,已經進入了緩慢發展期。這些製程與當年作為最具經濟效益,且被看作是先進位程分界點的28nm相比,玩兒家越來越少,看客越來越多。因此,它們的演進過程值得回味。

從製程工藝節點演變角度來看,28nm及以上相對成熟製程,憑藉高性價比依然擁有較大的市場規模,存量上基本保持不變或輕微下降,但是由於28nm及更先進位程的市場規模逐漸擴大,成熟製程的市場占比會不斷下降。總的來說,目前代工市場還是主要以成熟製程為主,先進位程占比不斷提高。2018年,28nm及更先進位程市場占比45%左右,預計到2021年可以達到56%。

而從晶片製造廠商角度來看,目前,28nm及更先進位程的玩家也只有6家了,它們分別是純晶圓代工廠台積電、格芯、聯電和中芯國際,以及IDM大廠三星和英特爾。

下面,我們就針對這6家晶片製造大廠的製程工藝演進情況做一下梳理。

台積電

在晶圓代工領域,無論是製程技術覆蓋範圍、先進位程領導力,還是營收水平等,台積電都是行業老大。該公司排名一直位列行業第一,目前的市占率已經接近60%。而在製程技術種類方面,2017年,台積電就以258種製程技術,為465個客戶生產了9920種晶片。工廠方面,該公司擁有三座12英寸超大晶圓廠,分別是晶圓12廠、晶圓14廠和晶圓15廠,此外,其在中國大陸和台灣還在新建工廠,以滿足客戶對更先進位程工藝的需求。

下面看一下台積電各種製程工藝的演進情況。

2003年,該公司推出了當時業界領先的0.13μm低介質銅導線邏輯製程技術,也就是從那時開始,台積電開始大幅領先於聯電(UMC)。

2004年,台積電成為第一家採用浸沒式光刻工藝生產90nm晶片的廠商。

2005年,台積電開始風險試產65nm產品;2008年,使用40nm製程工藝為多個客戶大規模生產晶片;2011年,全球首家推出28nm通用工藝技術。

由於台積電在業內率先實現了28nm的量產,使其長期霸占28nm市場占有率的第一名,高通驍龍800採用了台積電的28nm HPM HKMG標準製程,高通MSM8960和聯發科四核晶片MT6589T晶片使用的則是28nm LP工藝。

2014年,台積電成為全球首家採用其獨創的雙模式20nm技術量產晶片的公司;2015年,開始量產16nm FinFET製程;2017年,開始大規模出貨10nm FinFET製程,並開始風險試產7nm FinFET製程,並於2018年實現量產;2019年,開始量產7nm+(EUV版的7nm)。

2020年將風險試產5nm製程。此外,該公司已經開始建設3nm製程工藝晶圓廠,並有望於2022年實現量產。

在製程工藝演進方面,台積電有一大特點,那就是每一代製程的推出間隔時間逐步拉長,例如:其45nm到28nm之間相隔9個季度,28nm到16nm之間相隔11個季度,16nm到 10nm之間相隔12個季度。但是,從65nm以後的歷次新製程產能推進情況來看,新製程量產後的擴產和替代速度正在迅速加快,例如:40nm/45nm製程的產能占比從0提升到20%耗時9個季度,28nm耗時7個季度,16nm製程耗時5個季度,而10nm只耗時 3個季度。

通過以上這些現象可以看出:一、高端大客戶對於更高性能、更低功耗的先進位程產品的需求迫切;二、反映出台積電的研發能力和生產經驗在不斷增強,對新產能的良率控制和產能推進越來越得心應手。

圖:台積電在2009~2017年間先進位程的疊代速度逐年加快

台積電的盈利能力很強,下面就以人們非常關注的中芯國際為對象,做一下簡單的對比。以2017年第四季度的台積電和中芯國際的營收結構和毛利率為例,先進位程(28nm及以下)為台積電帶來的營收占總營收比重為63%,而中芯國際的先進位程營收占比僅為11%,該季度台積電毛利率為50.5%,而中芯國際毛利率為19%。台積電2017年Q4營收為94.37億美元,晶圓出貨量為607.28萬片8英寸約當晶圓,綜合單價為1554美元/片。中芯國際同期營收為7.87億美元,晶圓出貨量為112.48萬片8英寸約當晶圓,綜合單價為 700美元/片。二者產品均價相差超過一倍,毛利率相差近2.5倍,先進位程具有的產品價值和利潤空間可見一斑。

三星

三星於2005年成立了晶圓代工業務部門,並於2017年開始將其獨立出來經營,獨立的主要目的就是為了加強在全球晶圓代工市場的競爭力,以求拉近與台積電的距離。

下面看一下三星晶圓代工業務在先進位程方面的演進情況。

2016年初,三星第二代14nm FinFET開始量產;2016年10月,該公司第一代10nm FinFET LPE製程大批量生產;2017年4月,第二代10nm FinFET工藝技術10LPP通過認證;2017年10月,8nm FinFET工藝技術8LPP通過認證;2017年11月,第二代10nm FinFET工藝技術量產;2019年,7nm+製程實現量產。

最近兩年,三星與台積電在10nm製程工藝競爭較為激烈。台積電在2017年Q2開始為蘋果量產10nm的A11處理器,並於2018年開始量產7nm製程,三星也開始進行10nm投片,但跳過了採用浸潤式光刻技術的7nm,直接推出採用EUV光刻技術的7nm。總體而言,台積電在10nm和7nm製程上有領先優勢。

在工廠方面,三星從2005年開始進入12英寸晶圓代工領域,目前,該公司的晶圓代工專屬線有4條,包括3條12英寸和一條8英寸線。12英寸晶圓代工線分布在韓國和美國,主要針對高端工藝,包括65nm、45nm、32nm /28nm HKMG、14nm FinFET工藝,客戶包括蘋果、高通、AMD、XILINX、NVIDIA等。8英寸晶圓代工線於2016年開放,從180nm到65nm製程節點都已經涵蓋,工藝技術包括嵌入式快閃記憶體(eFlash)、功率器件、CMOS圖像傳感器CIS,以及高壓製程的生產。

格芯

格芯(Global Foundries)制定了兩條工藝路線圖:對於FinFET,該公司有14LPP(14nm FinFET技術)和12LPP;對於FD-SOI,格芯在產的是22FDX,當客戶需要時,還可以生產12FDX晶片。

格芯14LPP主要用於製造計算、網際網路、移動、伺服器市場的低功耗SoC;28nm及FDX系列工藝主要用於中低端處理器;22FDX-RFA技術主要應用於射頻領域;180nm和55nm等成熟工藝主要應用於模擬晶片,以及電源管理晶片等領域。

聯電

聯電於2003年開始試產90nm晶片,並於2004年通過驗證並實現量產;2005年,該公司推出了65nm晶片;2006年產出第一片45nm晶片;2008年,推出業界第一個代工的28nm製程SRAM晶片;2009年出產了40nm晶片;2011年,開始試產28nm晶片,並於2014年量產;2017年,量產14nm晶片。

2013年,聯電還成功開發出了28nm的PolySiON製程技術,並通過客戶產品驗證逐步導入量產。2014年,成功開發出28nm的HKMG製程技術,並通過先期客戶產品驗證逐步導入量產。2015年,成功開發出28nm高效能精簡型(HPC+)製程技術,可提供更低的漏電流,從而降低功耗。

中芯國際

2000年成立的中芯國際,於2001年在上海投產8英寸廠,並於2005年實現90nm試產;2009年實現65nm量產;2011年,55nm量產,且40nm驗證成功,2012年,40nm量產;2015年Q2,開始量產28nm。

中芯國際的28nm有3種製程,分別是PolySiON,HKMG和HKC。該公司的28nm技術現已成功進入多項目晶圓(MPW)和量產階段,並提出了發展三階段概念:第一階段的PolySiON製程已經量產,第二階段HKMG製程已經在2017年第2季開始產出,而第三階段是HKC製程,在2018年量產。

自28nm量產以後,中芯國際在該製程節點處的發展就遇到了一系列的困難。對此,該公司CEO趙海軍曾經表示:「對28nm擴產持謹慎態度」。而中芯國際在2018年投入量產的主要新製程是第二階段的28nm HKMG(中芯國際稱之為HKC)。而28nm Poly/SiON和HKMG都已經是對手的成熟製程,價格方面的壓力基本相當,因此,28nm HKMG的擴產從盈利能力的角度來看,帶來的貢獻有限。因此,該公司暫時放緩了盈利艱難的28nm,暫時通過成熟製程穩固業績,為14nm在2019年的量產做好充足準備。

成熟工藝方面,55nm/65nm和0.15μm/0.18μm兩大製程平台放量,預計對應該公司的NOR和PMIC兩大關鍵平台。此外,中芯國際擁有中國大陸地區最大的8英寸晶圓產能,成熟製程平台和定製化應用的火熱程度使其8英寸線產能利用率保持高位,對該公司業績也有進一步拉動作用。

目前,14nm FinFET製程技術是中芯國際的重中之重,因為從14nm節點起,集成電路中的場效應管結構從2D轉變為3D。雖然目前先進位程的劃分依然以28nm為界,但從晶圓代工廠商的競爭格局來看,14nm FinFET技術才是主流大廠與中小廠商的分野所在。因此,14nm FinFET技術的突破對於中芯國際來說有著里程碑意義。

英特爾

從1971年,採用10μm製程工藝生產出全球首個微處理器4004,一直到2019年實現10nm處理器量產,英特爾近50年的半導體製程工藝發展之路堪稱史上之最。

在製程工藝技術方面,英特爾一向以要求嚴苛而聞名,也正是因為如此,使其在商業化製程方面落在了台積電和三星的後面。但是,由於英特爾並不是專做晶圓代工的企業,其在該領域的產能和市場占有率都比較低。工廠主要還是用於生產自家的處理器和存儲器晶片。

Intel旗下的晶圓廠非常多,該公司70%的處理器及晶片組晶圓都產自美國的晶圓廠,包括亞利桑那州、俄勒岡州、新墨西哥州、馬薩諸州,其中馬薩諸州是英特爾目前唯一、也是最後一座8英寸晶圓廠了。該公司的14nm製程工藝主要在美國亞利桑那州及俄勒岡的D1X晶圓廠生產。美國本土以外的14nm晶圓廠主要是愛爾蘭的Fab 24,還在升級14nm工藝中。

該公司在中國大連、成都還有兩座晶圓廠,不過,製程工藝還是以90nm和65nm為主。

在發展晶圓代工業務方面,英特爾有可能會引入戰略投資者。在未來的7nm及5nm、3nm等技術的投資越來越大,引入戰略投資者有助於分擔風險。

*免責聲明:本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點,半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點,不代表半導體行業觀察對該觀點讚同或支持,如果有任何異議,歡迎聯繫半導體行業觀察。

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