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臺(tái)積電與三星開啟“全戰(zhàn)”模式

2021-07-09
來源:半導(dǎo)體行業(yè)觀察
關(guān)鍵詞: 三星 臺(tái)積電 良率

  本周,據(jù)韓國(guó)媒體報(bào)道,三星韓國(guó)華城(Hwaseong)晶圓廠V1的不良率過高,仍需克服良率問題。該廠是目前三星最先進(jìn)的晶圓廠,于2020年2月啟動(dòng)生產(chǎn),是全球首座將EUV設(shè)備導(dǎo)入7nm制程的產(chǎn)線。不過,多名業(yè)界人士透露,該廠自量產(chǎn)以來,先進(jìn)制程的良率提升速度遲緩,部分5nm芯片的良率甚至不到50%。

  對(duì)晶圓代工廠而言,良率是爭(zhēng)取訂單的關(guān)鍵,一般來說,這一關(guān)鍵指標(biāo)必須超過95%,才能被業(yè)界廣泛接受。

  業(yè)界認(rèn)為,三星的晶圓代工業(yè)務(wù)有先天弱點(diǎn),即旗下設(shè)有負(fù)責(zé)手機(jī)AP設(shè)計(jì)的系統(tǒng)LSI部門,為避免技術(shù)外流,高通和英偉達(dá)等客戶較傾向委托臺(tái)積電代工。

  近一年以來,隨著先進(jìn)制程技術(shù)不斷成熟,三星也在不斷加緊追趕臺(tái)積電的腳步,無論是7nm,還是5nm,以及還未量產(chǎn)的3nm,爭(zhēng)奪似乎越來越激烈。這也促使臺(tái)積電不斷加大研發(fā)和擴(kuò)充產(chǎn)能投入力度,這樣的競(jìng)爭(zhēng)顯然是有利于廣大客戶的。

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  先進(jìn)制程量產(chǎn)情況

  這里所說的先進(jìn)制程,主要是指7nm及更先進(jìn)制程。

  7nm制程方面,有統(tǒng)計(jì)顯示,在2020年,三星每月的產(chǎn)能約為2.5萬片晶圓,而臺(tái)積電每月約為14萬片,而在5nm方面,雙方的差距更大,三星每月約為5000片晶圓,而臺(tái)積電每月約為9萬片。由此看來,在先進(jìn)制程產(chǎn)能方面,臺(tái)積電明顯領(lǐng)先于三星。

  而在制程工藝方面,三星一直在追趕臺(tái)積電,特別是在5nm方面,三星的低功耗版本5LPE性能比7nm的提升了10%,而在相同的時(shí)鐘和復(fù)雜度下,功耗可降低20%。據(jù)悉,5LPE在原始工藝中增加了幾個(gè)新模塊,包括具有智能擴(kuò)散中斷(Smart Diffusion Break:SDB)隔離結(jié)構(gòu)的FinFET,以提供額外的性能,第一代靈活的觸點(diǎn)設(shè)置(三星的技術(shù)類似于英特爾的COAG,有源柵上的觸點(diǎn)),可用于低功耗的鰭式器件。

  三星表示,5LPE在很大程度上與7LPP兼容,這樣,5LPE設(shè)計(jì)可以重新使用至少一些為原始工藝設(shè)計(jì)的IP,從而降低了成本并加快了上市時(shí)間。但是,對(duì)于可以充分利用SDB等優(yōu)勢(shì)的IP,三星建議重新設(shè)計(jì)。

  另外,三星代工負(fù)責(zé)人表示,該公司已完成第二代5nm和第一代4nm產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

  客戶方面,2020年,三星將其晶圓代工廠產(chǎn)能的60%用于其公司內(nèi)部使用,主要用于智能手機(jī)的Exynos芯片。其余產(chǎn)能分給客戶,包括高通(20%),另外20%由英偉達(dá)、IBM和英特爾瓜分。而隨著三星在2021年增加7nm、5nm等制程的產(chǎn)能,其自用比例將會(huì)下降,可能降至50%,更多滿足客戶需求。

  臺(tái)積電方面,7nm產(chǎn)能已經(jīng)非常穩(wěn)健,在此基礎(chǔ)上,不僅是5nm,該公司還在6nm制程方面不斷進(jìn)行拓展,就在近期,臺(tái)積電還發(fā)布了6nm RF(N6RF)制程,將先進(jìn)的N6邏輯制程所具備的功耗、效能、面積優(yōu)勢(shì)帶入到5G射頻(RF)與WiFi 6/6e解決方案。相較于前一世代的16nm射頻技術(shù),N6RF晶體管的效能提升超過16%。臺(tái)積電表示,N6RF制程針對(duì)6GHz以下及毫米波頻段的5G射頻收發(fā)器研發(fā),可大幅降低功耗和面積。

  5nm方面,臺(tái)積電表示,由于客戶對(duì)5nm需求強(qiáng)勁,該公司5nm系列在2021年的產(chǎn)能擴(kuò)充計(jì)劃比2020年會(huì)翻倍,2022年比2020年增長(zhǎng)3.5倍以上,并在2023年達(dá)到2020年的4倍以上。

  臺(tái)積電還推出了5nm的最新版本-N5A制程,目標(biāo)在于滿足汽車應(yīng)用對(duì)于運(yùn)算能力日益增加的需求,例如支持人工智能的駕駛輔助及數(shù)字車輛座艙。

  目前,位于臺(tái)南的晶圓18廠第1、2、3、4期是5nm生產(chǎn)基地,其中,第1、2、3期已經(jīng)開始量產(chǎn),4期正在興建中。

  4nm方面,臺(tái)積電表示,與5nm設(shè)計(jì)法則幾近兼容的4nm加強(qiáng)版減少了光罩層,進(jìn)一步提升了效能、功耗效率、以及晶體管密度,預(yù)計(jì)于2021年第3季度開始試產(chǎn)。據(jù)悉,4nm制程工藝將繼續(xù)把芯片尺寸縮小6%,同時(shí)帶來功耗和性能上的進(jìn)一步改善,比如與FinFET晶體管相比,能夠?qū)崿F(xiàn)更嚴(yán)格的閾值電壓(Vt)控制,Vt是半導(dǎo)體電路工作所需的最小電壓,即使是最輕微的變化,也會(huì)對(duì)芯片的設(shè)計(jì)造成束縛、并導(dǎo)致性能下降,臺(tái)積電則取得了15% 的提升。

  3nm方面,臺(tái)積電將于下半年試產(chǎn),預(yù)計(jì)2022年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。而三星于近期成功流片,但量產(chǎn)時(shí)間恐怕要晚于臺(tái)積電。

  由于3nm技術(shù)難度很大,如果三星美國(guó)工廠生產(chǎn)3nm制程芯片,按照正常進(jìn)度,目前還處于初步計(jì)劃階段的德州奧斯汀晶圓工廠,在2023年前還難以正式量產(chǎn)。相較于臺(tái)積電3nm制程將于2022年量產(chǎn),這對(duì)于力求趕超臺(tái)積電的三星來說,壓力太大。因此,預(yù)計(jì)三星要量產(chǎn)3nm芯片,還要依靠韓國(guó)本土晶圓廠。

  就產(chǎn)能而言,臺(tái)積電南科廠3nm的單月產(chǎn)能計(jì)劃為5.5萬片起,2023年,有望達(dá)到10.5萬片。三星還沒有相應(yīng)的產(chǎn)能規(guī)劃。

  先進(jìn)制程客戶方面,臺(tái)積電的頭部客戶包括蘋果,博通,AMD,聯(lián)發(fā)科,英偉達(dá),高通和英特爾等。最近有消息稱,蘋果和英特爾將分食掉臺(tái)積電的首批3nm產(chǎn)能,目前,這兩家正在與臺(tái)積電密切合作,進(jìn)行相應(yīng)產(chǎn)品的測(cè)試工作。

  先進(jìn)封裝保駕護(hù)航

  先進(jìn)制程工藝對(duì)封裝提出了更高要求,或者說,先進(jìn)封裝在一定程度上可以彌補(bǔ)制程工藝的不足。因此,最近幾年,臺(tái)積電和三星不斷在先進(jìn)封裝技術(shù)方面加大投入,爭(zhēng)取把更多的先進(jìn)技術(shù)掌握在自己手中。

  將芯片從2D平鋪封裝改成3D立體式堆疊式封裝已經(jīng)成為半導(dǎo)體業(yè)界的共識(shí),這種在第三維度上進(jìn)行拓展的封裝技術(shù)能夠有效降低整個(gè)芯片的面積,提升集成度。

  臺(tái)積電推出了3DFabric系統(tǒng)整合方案,其針對(duì)高效能運(yùn)算應(yīng)用,將于2021年提供更大的光罩尺寸,以支持整合型扇出封裝(InFO),以及CoWoSR封裝方案,運(yùn)用范圍更大的布局布線來整合小芯片及高帶寬內(nèi)存。

  此外,芯片堆棧于晶圓之上(CoW)的版本預(yù)計(jì)今年完成7nm的驗(yàn)證,并于2022年在新的全自動(dòng)化晶圓廠開始生產(chǎn)。

  針對(duì)移動(dòng)應(yīng)用,臺(tái)積電推出了InFO_B,將移動(dòng)處理器整合于輕薄精巧的封裝中,提供強(qiáng)化的效能與功耗效率,并支持移動(dòng)應(yīng)用器件封裝時(shí)所需的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存堆棧。

  三星研發(fā)的3D封裝技術(shù)為X-Cube,該技術(shù)利用TSV封裝,可讓多個(gè)芯片進(jìn)行堆疊,制造出單一的邏輯芯片。

  三星在7nm制程的測(cè)試過程中,利用TSV 技術(shù)將SRAM 堆疊在邏輯芯片頂部,這也使得在電路板的配置上,可在更小的面積上裝載更多的存儲(chǔ)單元。X-Cube還有諸多優(yōu)點(diǎn),如芯片間的信號(hào)傳遞距離更短,以及將數(shù)據(jù)傳送、能量效率提升到最高。

  三星表示,X-Cube可讓芯片工程師在進(jìn)行定制化解決方案的設(shè)計(jì)過程中,能享有更多彈性,也更貼近他們的特殊需求。

  半導(dǎo)體設(shè)備水漲船高

  先進(jìn)制程對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備提出了更高要求,特別是EUV光刻機(jī),成為了行業(yè)明星。

  有專家分析,臺(tái)積電Fab 18廠第三期在2021年第一季度開始量產(chǎn),5nm生產(chǎn)線全數(shù)到位,每月可提供超過9萬片的投片產(chǎn)能。另外,臺(tái)積電以7nm制程優(yōu)化而來的6nm制程也同樣產(chǎn)能吃緊。高通和聯(lián)發(fā)科除了7nm制程增加投片,其5G處理器將采用6nm制造。英特爾也會(huì)采用臺(tái)積電6nm制程制造GPU產(chǎn)品。

  臺(tái)灣地區(qū)產(chǎn)業(yè)分析人士認(rèn)為,截至2021年底,臺(tái)積電將拿到55臺(tái)ASML的EUV光刻機(jī),三星為30臺(tái)。

  三星副董事長(zhǎng)李在镕于2020年10月訪問了ASML總部,并希望后者在2020年交付9臺(tái)EUV光刻機(jī)、在2021年后每年交付20臺(tái)EUV光刻機(jī)。

  根據(jù)該假設(shè)得出的結(jié)論,臺(tái)積電在2021-2015年,總共需要292臺(tái)EUV光刻機(jī),每年平均需新增58臺(tái)。如果自2021年以后,臺(tái)積電平均每年需要近60臺(tái)EUV光刻機(jī),加上三星每年需要20臺(tái),一共年需求為80臺(tái)左右。

  除了EUV,先進(jìn)制程還需要其它較為特殊的設(shè)備,如APMI(光化圖案掩膜檢查)系統(tǒng)和制造掩膜的電子束寫入器。當(dāng)芯片制程小于5nm時(shí),這兩種設(shè)備將決定生產(chǎn)率和質(zhì)量。像EUV光刻系統(tǒng)一樣,這兩種設(shè)備也僅由單個(gè)制造商提供。

  電子束寫入器扮演“畫筆”角色,將集成電路布圖印刷到掩模上,這對(duì)于在光刻過程中將集成電路布圖印刷到晶圓上是絕對(duì)必要的。由日本的NuFlare制造的電子束寫入器目前用于基于ArF的光刻工藝。

  但是,NuFlare的電子束編寫器很難在EUV環(huán)境下充分發(fā)揮其潛力。EUV光刻工藝要求在單個(gè)掩模中快速印刷各種精細(xì)的集成電路,而NuFlare的具有單個(gè)E束以印刷掩模圖形的單束方法會(huì)大大降低生產(chǎn)率。目前,出現(xiàn)了一種基于多光束的新解決方案,該方法在240,000個(gè)密集排列的電子束同時(shí)移動(dòng)時(shí)繪制圖案。據(jù)報(bào)道,該方法的生產(chǎn)率比單束方法快得多,該方法被認(rèn)為非常先進(jìn)。

  EUV掩模的高科技檢查系統(tǒng)也吸引了人們的注意力,因?yàn)樗軌驒z查基于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的EUV掩模,比目前使用ArF光源的檢查系統(tǒng)更精確,更緊密。這個(gè)新的檢查系統(tǒng)在將掩模引入生產(chǎn)線之前和之后進(jìn)行檢查。業(yè)界將此系統(tǒng)稱為APMI系統(tǒng)。

  問題在于,像EUV光刻系統(tǒng)一樣,多光束寫入器和APMI系統(tǒng)也都是由單個(gè)公司制造的。奧地利的IMS和日本的Lasertec是世界上唯一分別提供多光束記錄器和EUV掩模檢測(cè)系統(tǒng)的公司。

  據(jù)報(bào)道,他們的年生產(chǎn)能力甚至沒有達(dá)到10個(gè)單位。因此,對(duì)于芯片制造商而言,要為基于EUV的工藝配置大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng),以確保生產(chǎn)率和質(zhì)量,但又很可能無法及時(shí)確保這些系統(tǒng)正常運(yùn)行,成為了一個(gè)困擾它們的難題。

  結(jié)語

  在7nm、6nm、5nm,以及即將量產(chǎn)的4nm和3nm制程技術(shù)日臻成熟的情況下,晶圓代工廠在產(chǎn)能、封裝、半導(dǎo)體設(shè)備等方面進(jìn)入“全面戰(zhàn)爭(zhēng)”狀態(tài),且競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈,廠商方面,雖然目前只有臺(tái)積電和三星兩家,但隨著英特爾晶圓代工業(yè)務(wù)的展開,以及其先進(jìn)制程技術(shù)的成熟和量產(chǎn),這些爭(zhēng)奪戰(zhàn)恐怕會(huì)更加激烈。這些對(duì)于廣大客戶來說,無疑是福音。



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