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半导体主流先进制程工艺梳理

来源:http://www.shgongjunpower.com/ │ 发表时间:2019-12-09 | 浏览数:载入中...

 目前,已经量产的主流优良半导体制程工艺已经来到了7nm,明年,5nm也将量产。而从制程工艺的发展情况来看,一般是以28nm为分水岭,来区分优良制程和传统制程。下面,就来梳理一下业界主流优良制程工艺的发展情况。

  一、28nm

  由于性能和价格之间的比率升高一直以来都被视为摩尔定律的意义,所以20nm以下制程的成本上升问题一度被认为是摩尔定律开始失效的标志,而28nm作为较具性能和价格之间的比率的制程工艺,具有很长的生命周期。

  在设计成本不断上升的情况下,只有少数客户能负担得起转向高的级别节点的费用。据Gartner统计,16nm /14nm芯片的平均IC设计成本约为8000万美元,而28nm体硅制程器件约为3000万美元,设计7nm芯片则需要2.71亿美元。IBS的数据显示:28nm体硅器件的设计成本大致在5130万美元左右,而7nm芯片需要2.98亿美元。对于多数客户而言,转向16nm/14nm的FinFET制程太贵了。

  就单位芯片成本而言,28nm形势显然,将保持较长生命周期。一方面,相比较于40nm及较早期制程,28nm工艺在频率调节、功耗控制、散热管理和尺寸压缩方面具形势。另一方面,由于16nm/14nm及较优良制程采用FinFET技能,维持高参数良率以及低缺陷密度难度大,每个逻辑闸的成本都要高于28nm制程的。

  28nm处于32nm和22nm之间,业界在较早的45nm阶段引入了high-k值绝缘层/金属栅极(HKMG)工艺,在32nm处引入了二代 high-k 绝缘层/金属栅工艺,这些为28nm的逐步成熟打下了基础。而在之后的优良工艺方面,从22nm开始采用FinFET(鳍式场效应晶体管)等。  可见,28nm正益处于制程过渡的关键点上,这也是其性能和价格之间的比率高的一个重要原因。

  目前,行业内的28nm制程主要在台积电,GF(格芯),联电,三星和中芯这5家之间竞争,另外,2018年底颁布量产联发科28nm芯片的华虹旗下的华力微电子也开始加入竞争行列。

  虽然高的端市场会被 7nm、10nm以及14nm/16nm工艺占据,但40nm、28nm等并不会退出。如28nm~16nm工艺现在仍然是台积电营收的重要组成部分,在中国大陆建设的代加工厂,就是以16nm为主。中芯则在持续升高28nm良率。

  二、14/16nm

  14nm制程主要用于中高的端AP/SoC、GPU、矿机ASIC、FPGA、汽车半导体等制造。对于各厂商而言,该制程也是收入的主要来源,额外是英特尔,14nm是其目前的主要制程工艺,以该公司的体量而言,其带来的收入可想而知。而对于中国大陆本土的晶圆代加工厂来说,额外是中芯和华虹,正在开发14nm制程技能,距离量产时间也不远了。

  目前来看,具有或将具有14nm制程产能的厂商主要有7家,分别是:英特尔、台积电、三星、格芯、联电、中芯和华虹。

  同为14nm制程,由于英特尔严格追求摩尔定律,因此其制程的水平和严谨度是较高的,就目前已发布的技能来看,英特尔持续革新的14nm制程与台积电的10nm大致同级。

  今年5月,英特尔称将于第3季度增加14nm制程产能,以解决CPU市场的缺货问题。

  然而,英特尔公司自己的14nm产能已经满载,因此,该公司投入15亿美元,用于扩大14nm产能,预计可在今年第3季度增加产出。其14nm制程芯片主要在美国亚利桑那州及俄勒冈的D1X晶圆厂生产,海外14nm晶圆厂是位于爱尔兰的Fab 24,目前还在升高14nm工艺。

  三星方面,该公司于2015年颁布正式量产14nm FinFET制程,先后为苹果和高通代加工过高的端手机处理器。目前来看,其14nm产能市场占有比率只次于英特尔和台积电。

  台积电于2015下半年量产16nm FinFET制程。与三星和英特尔相比,尽管它们的节点命名有所不同,三星和英特尔是14nm,台积电是16nm,但在实际制程工艺水平上处于同一世代。

  2018年8月,格芯颁布放弃7nm LP制程研发,将较多资源投入到12nm和14nm制程。

  格芯制定了两条工艺路线图:一是FinFET,这方面,该公司有14LPP和新的12LPP(14LPP到7LP的过渡版本);二是FD-SOI,格芯目前在产的是22FDX,当客户需要时,还会发布12FDX。

  联电方面,其14nm制程占比只有3%左右,并不是其主力产线。这与该公司的发展策略直接相关,联电主要发展工艺,无论是8吋厂,还是12吋厂,该公司会聚焦在各新的工艺发展上。

  中芯方面,其14nm FinFET已进入客户试验阶段,2019年二季在上海工厂投入新设备,规划下半年进入量产阶段,未来,其头个14nm制程客户很可能是手机芯片厂商。据悉,2019年,中芯的资本支出由2018年的18亿美升高到了22亿美元。

  华力微电子方面,在年初的SEMICON China 2019优良制造论坛上,该公司研发副总裁邵华发表演讲时表示,华力微电子今年年底将量产28nm HKC+工艺,2020年底将量产14nm FinFET工艺。

  三、12nm

  从目前的晶圆代加工市场来看,具备12nm制程能力的厂商很少,主要有台积电、格芯、三星和联电。联电于2018年颁布停止12nm及较优良制程工艺的研发。因此,目前来看,圆代加工市场,12nm的主要玩家就是台积电、格芯和三星这三家。

  台积电的16nm制程经历了16nm FinFET、16FF+和16FFC三代,之后进入了第四代16nm制程技能,此时,台积电改变策略,推出了改版制程,也就是12nm技能,用以吸引较多客户订单,从而升高12吋晶圆厂的产能利用率。因此,台积电的12nm制程就是其第四代16nm技能。

  格芯于2018年颁布退出10nm及较优良制程的研发,这样,该公司的较优良制程就是12nm了。该公司是分两条腿走路的,即FinFET和FD-SOI,这也体现在了12nm制程上,在FinFET方面,该公司有12LP技能,而在FD-SOI方面,有12FDX。12LP主要针对人工能智、虚拟现实、能智手机、网络基础设施等应用,利用了格芯在纽约萨拉托加县Fab 8的技能,该工厂自2016年初以来,一直在大规模量产格芯的14nm FinFET产品。

  由于许多连接设备既需要高集成,又要求具有较敏捷的性能和功耗,而这是FinFET较难实现的,12FDX则提供了一种替代路径,可以实现比FinFET产品功耗较低、成本较低、射频集成较优。

  三星方面,其晶圆代加工路线图中原本是没有12nm工艺的,只有11nm LPP。不过,三星的11 LPP和格芯的12nm LP其实是“师出同门”,都是对三星14nm改良的产物,晶体管密度变化不大,效能则有所增加。因此,格芯的12nm LP与三星的12nm制程有比较多的共同之处,这可能也是AMD找三星代加工12nm产品的原因之一。

  中芯方面,不仅14nm FinFET制程已进入客户风险量产阶段,而且在2019年头一季度,其12nm制程工艺开发进入客户导进阶段,二代FinFET N+1研发取得成功,进度超过预期,同时,上海中芯南方FinFET工厂顺利建造完成,进入产能布建阶段。这意味着用不了多久,一个新的12nm制程玩家将杀入战团。

  四、10nm

  到了10nm这个节点,行业玩家就只剩下台积电、三星和英特尔了。

 总的来说,台积电还是当先的,其典型产品就是2017年为苹果代加工的A11处理器。而三星也紧跟步伐,在10nm这个点,双方的进度相差不大,但总体水平,台积电仍然略高一筹。

  今年,英特尔的老对手AMD打起了翻身仗,凭借台积电代加工的7nm锐龙3000系列处理器,让AMD在CPU处理器的制程工艺上越过了英特尔。

  而目前,英特尔的主流制程是14nm,不过,前不久传来消息,经过多年的攻关,该公司终于解决了10nm工艺的技能难题,已经开始量产。

  不过,英特尔对制程节点的严谨追求是很值得称道的,从具体的性能指标,额外是PPA和晶体管密度来看,英特尔的10nm比台积电的10nm形势显然

  五、7nm

  在7nm,目前只有台积电和三星两家了,而且三星的量产时间相对于台积电滞后,这让三星须越过7nm,直接上7nm EUV,这使得像苹果、华为、AMD、英伟达这样的7nm制程客户订单,都被台积电抢走了。在这种先发优下,台积电的7nm产能已经有些应接不暇。而在7nm EUV量产方面,台积电也当先了一步,代加工的华为麒麟990已经商用,三星7nm EUV代加工的高通新的一代处理器也在生产当中,估计很快就会面市了。

  英特尔方面,在10nm之后,该公司称会在2021年推出7nm工艺,据悉,其7nm工艺已经走上正轨,功耗及性能看起来都比较好,根据之前的消息,7nm工艺会在2021年的数据焦点GPU上头发。

 以上,就业界已经量产的主流优良制程工艺的发展情况,以及相关厂商的进展进行了阐述。而较优良的5nm、3nm、2nm等还没有进入量产阶段,就不详述了。这些制程节点已经鲜有玩家了,目前只有台积电和三星这两家,台积电称将于明年量产5nm,而三星似乎要越过5nm,直接上3nm。(摘自半导体观察)

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