台積電與三星的3nm之爭
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4月18日,在台積電召開第一季度財報會議中,台積電指出3nm技術已經進入全面開發的階段。
5月15日,三星在Foundry Forum活動中,發布了公司第一款3nm工藝的產品設計套件。
由此看來,在英特爾還在糾結10nm如何向前發展之際。
先進工藝的戰火已經在台積電和三星的推動下,燃燒到了3nm。
去年,三星的Foundry Forum活動中強調了先進封裝的重要性;今年,三星的Foundry Forum則將重點放在了先進位程的進度上。
就此,我們也能夠很明顯地感受到,三星與台積電之間的競爭越發激烈。
戰略部署:3nm何時到來?
在先進位程方面,台積電和三星的關係可以說是針尖對麥芒,兩者之間的龍爭虎鬥也著實精彩。
2015~2016年,三星Foundry先進位程能力的逐步成熟,從台積電那裡奪得了不少大客戶訂單。
2016~2017年,台積電先進位程的進一步成熟,並憑藉InFO技術獨攬蘋果大單。
2017年,三星又宣布將晶圓代工部分獨立,擴大純晶圓代工業務份額,直接對標台積電。
至此以後,兩者之間關於先進位程的搶灘戰越來越激烈。
就目前公開的消息來看,台積電和三星都已經透露了一些關於3nm工藝節點上的進展。
目前來看,5nm、3nm節點主要面向FPGA等高性能計算領域,智能處理器和5G晶片。
而2019年被視為是5G商用元年,在接下來的兩三年中,5G將會被大規模使用。
或許,這也是兩大晶圓代工龍頭紛紛選擇透露3nm進程的誘因之一。
2018年12月,據台灣媒體報導稱,台積電的3nm晶圓廠方案已經獲得台灣主管部門批准,選址台灣南部科技園區。
據悉,台積電3nm工廠建設預計會花費超過200億美元,同時有望帶動相關供應商跟進建廠。
依照台積電規劃藍圖,3nm應可在2021年試產、2022年量產,成為全球第一家提供晶圓代工服務,同時解決很多AI人工智慧晶片功效更強大的晶圓代工廠。
前不久,三星也公布了未來的製程工藝路線圖,公司計劃今年推出7nm EUV工藝,明年有5/4nm EUV工藝,2020年則會推出3nm EUV工藝,同時電晶體類型也會從FinFET轉向GAA結構。
據悉,三星3GAE工藝中還在開發當中,不過他們4月份就發布了3GAE工藝的PDK
1.0工藝設計套件,旨在幫助客戶儘早開始設計工作,提高設計競爭力,同時縮短周轉時間(TAT)。
基於GAA的工藝節點有望在下一代應用中廣泛採用,例如移動、網絡通訊、汽車電子、人工智慧(AI)和IoT物聯網等。
三星還透露,通過使用全新的電晶體結構可使性能提升35%、功耗降低50%,晶片面積縮小45%。
不過,三星官方沒有明確3GAE工藝量產時間,但根據市場猜測,三星3nm在2021年實現量產是大機率事件。
而就以上消息來看,三星將早於台積電一年推出3nm工藝。
誰能更快地推出可靠的新工藝,誰就有可能掌握在該製程上的最大話語權。
為了能夠贏得3nm這場搶灘戰的勝利,都需要哪些技術來助攻?
助攻一:電晶體結構
目前,先進位程多數採用立體結構,即"FinFET"(鰭式場效電晶體),此結構的通道是豎起來而被閘極給包圍起來的,因為形狀像魚類的鰭而得名,如此一來閘極偏壓便能有效調控通道電位,因而改良開關特性。
但是FinFET在經歷14/16nm、7/10nm階段後,不斷拉高的深寬比(aspect
ratio)讓前段製程已逼近物理極限,再繼續微縮的話,先不提電性是否還能有效提升,就結構而言就已有許多問題。
為了擴展,通道和柵極之間的接觸面積需要增加,Gate-All-Around(GAA)設計被提了出來。
GAA調整了電晶體的尺寸,以確保柵極也位於通道下方,而不僅僅在頂部和側面。
這允許GAA設計垂直堆疊電晶體,而不是橫向堆疊電晶體。
三星方面,據公開消息整理,三星與IBM合作開發了GAAFET(Gate-All-Around)工藝節點,同時,三星也已宣布對早期工藝進行定製。
三星Foundry市場副總裁Ryan Sanghyun
Lee稱,自2002年以來,三星一直在開發其GAA技術的專有實現,稱為多橋通道FET(MBCFET)。
該公司指出,其MBCFET技術使用納米片器件來增強柵極控制,這可以顯著改善電晶體的性能。
據悉,它可以通過用納米片代替Gate All
Around的納米線來實現每堆更大的電流。
取代增加了傳導面積,允許增加更多的柵極而不增加橫向足跡。
三星聲稱MBCFET的設計將改善工藝的開關行為,並允許處理器將工作電壓降至0.75V以下。
MBCFET的關鍵點在於該工藝與FinFET設計完全兼容,不需要任何新的製造工具。
在前不久三星舉行的Foundry Forum上,三星稱3nm工藝時代不再使用FinFET電晶體,而是使用全新的電晶體結構——GAA(Gate-All-Around環繞柵極)電晶體,通過使用納米片設備製造出了MBCFET(Multi-Bridge-Channel
FET,多橋-通道場效應管),該技術可以顯著增強電晶體性能,主要取代FinFET電晶體技術。
在台積電方面,官方公布有關於3nm技術方面的消息較少。
據芯科技消息稱,台積電3nm製程技術已進入實驗階段,業內人士更透露,3nm製程在"Gate All Around(GAA) "、環繞式閘極技術上已有新突破。
業內人士進一步表示,台積電已經做出環繞式閘極的結構,外型就像類圓形般,但因為尺寸比前一代縮小30%,也必須導入新材料InAsGe
nanowire and Silicon nanowire,因此製程技術上相當困難,尤其是在蝕刻部分是大挑戰,不過以優勢來說,環繞式閘極的結構將可以改善ESD靜電放電、且優化尖端放電的問題,材料廠的高管也認為,環繞式閘極的結構得以繼續微縮柵長尺寸。
由此可見,GAA架構將成為3nm工藝上不可缺少的技術。
助攻二:EUV
在上文三星所提到的先進位程路線圖時,我們不止一次看到了EUV的身影。
同時,我們也通過台積電在今年來的動作上,發現了EUV對於先進位程能夠得到進一步發展的重要性——前不久,台積電宣布已完成其5納米工藝節點的基礎設施設計,該節點將利用該公司的第二代極紫外(EUV)以及深紫外(DUV)光刻技術。
據Techshop消息稱,從3月底開始,台積電準備開始使用極紫外光刻技術批量生產7nm晶圓。
ASML已經為台積電在2019年計劃的30個系統中分配了18個。
接下來,台積電的7nm
EUV產量將全面運行,該公司的5nm工藝將轉向風險生產狀態。
EUV將繼續用於5nm,預計可行至3nm。
到2019年底,台積電將在5nm節點上進行晶片設計,預計到2020年初量產。
據悉,2018年,7nm EUV僅占台積電銷售額的9%。
今年,新工藝有望占其總銷售額的四分之一。
在三星方面,去年 10 月,三星就宣布了準備初步生產 7nm 工藝,這是三星首個採用 EUV 光刻技術的工藝節點。
據悉,三星已提供業界首批基於EUV的新產品的商業樣品,並於今年年初開始量產 7nm 工藝。
與其前身的10nm
FinFET相比,三星的7LPP技術不僅大大降低了工藝複雜性,而且層數更少,產量更高,而且面積效率提高了40%,性能提高了20%,功耗降低了50%。
到2020年,三星希望通過新的EUV系列為需要大批量生產下一代晶片設計的客戶提供額外的容量。
作為EUV的先驅,三星還開發了專有功能,例如獨特的掩模檢測工具,可在EUV掩模中執行早期缺陷檢測,從而可以在製造周期的早期消除這些缺陷。
據悉,三星位於韓國華成的S3生產線正在生產基於EUV的工藝的晶片產品。
此外,三星還在華城部署了新的EUV生產線,該生產線預計將在2019年下半年完成,並從明年開始增產。
助攻三:封裝
除此之外,先進封裝也是各大代工廠的主攻方向。
此前有媒體報導稱,台積電完成全球首顆3D IC封裝,預計將於2021年量產。
台積電此次揭露3D IC封裝技術成功,正揭開半導體製程的新世代。
目前業界認為,此技術主要為是為了應用在 5
納米以下先進位程,並為客制化異質晶片鋪路,當然也更加鞏固蘋果訂單。
Digitimes的研究也指出,為了搭配先進位程微縮及異質晶片整合趨勢,台積電研發整合的10nm邏輯晶片及DRAM的整合扇出層疊封裝(InFO-PoP),以及12nm系統單晶片與8層HBM2存儲器的CoWoS封裝等均進入量產,並推出整合多顆單晶片的整合扇出型基板封裝(InFO-oS)、整合扇出存儲器基板封裝(InFO-MS)、整合扇出天線封裝(InFO-AIP)等新技術。
三星推出了可與台積電晶圓級扇出型封裝(InFO)抗衡的FOPLP-PoP封裝,其目標2019年前為新製程建立量產系統,藉此贏回蘋果供應訂單。
但DIGITIMES認為,FOPLP 仍面臨不小的挑戰,以目前 FOPLP 剛起步的狀況來看,經濟規模將是技術普及的最大挑戰,在初期良率還不夠好的狀態下,FOPLP
產能要達到理想的成本優勢,短期內恐不易達成。
在其他先進封裝上,針對2.5D封裝,三星推出了可與台積電CoWoS封裝製程相抗衡的I-Cube封裝製程,在2019年三星晶圓代工論壇上,該公司的FD-SOI(FDS)流程和eMRAM的擴展以及一系列最先進的封裝解決方案也在今年的Foundry論壇上亮相。
據悉,三星今年將完成28FDS工藝,18FDS和1Gb容量eMRAM的繼任者的開發。
投資規模
無論是電晶體架構,還是EUV,亦或是先進封裝,都是先進位程在向前發展的過程中不可缺少的技術。
但每一項技術,都需要大量的資金來做支持。
國際商業戰略(IBS)執行長漢德爾•瓊斯(Handel Jones)曾表示,「該行業需要大幅增加功能,並小幅增加電晶體成本,以證明使用3納米。
3nm工藝開發成本將達到40億至50億美元,而每月40,000片晶圓的晶圓廠成本將達到150億至200億美元。
」
為此,三星電子於4月24日宣布,三星電子將在2030年投資1150億美元用於系統半導體領域的研發和生產技術。
根據已批准的未來12年計劃,這1150億美元中,將投資73萬億韓元(634億美元)用於韓國的研發(這可能意味著晶片研發和工藝技術的研發),60萬億韓元(521億美元)將投資於用於製造邏輯晶片的生產設施和基礎設施為各種客戶。
台積電方面,根據台積電14日董事會消息稱,台積電通過了1,217.81億元資本預算,除升級先進位程產能外,也用於轉換部分邏輯製程產能為特殊製程產能。
台積電預定今年度資本支出金額約100億美元至110億美元,其中80%經費將用於3
納米、5納米及7納米先進位程技術。
台積電預期,今年7納米與第二代7納米製程將貢獻約25%業績。
另外有10%經費用於先進封裝與光罩,10%用於特殊製程。
三星與台積電除了在3nm製程上爭奪激烈,在其他先進位程方面的碰撞也不少。
自2019年以來,台積電接連發布了6nm、5nm、5nm+的發展路線。
三星方面,雖在7nm的進度上稍顯遜色,但其EUV技術卻不容小覷。
另外,從本次三星積極布局3nm的動作上來看,也許,三星正在企圖利用3nm技術來反超台積電。
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