[原创] 六大芯片制造厂的制程工艺演进之路
2019-10-15
14:00:03
来源: 半导体行业观察
当下，半导体制造业发展得如火如荼，特别是以台积电为代表的晶圆代工业，在对更先进制程工艺的不断追求下，使得产业链上的相关企业备受关注，也拉动着产业投资。
10nm、7nm、7nm+，以及明年就将试产的5nm等，先进制程发展到目前阶段，已经进入了缓慢发展期。这些制程与当年作为最具经济效益，且被看作是先进制程分界点的28nm相比，玩儿家越来越少，看客越来越多。因此，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，存量上基本保持不变或轻微下降，但是由于28nm及更先进制程的市场规模逐渐扩大，成熟制程的市场占比会不断下降。总的来说，目前代工市场还是主要以成熟制程为主，先进制程占比不断提高。2018年，28nm及更先进制程市场占比45%左右，预计到2021年可以达到56%。
而从芯片制造厂商角度来看，目前，28nm及更先进制程的玩家也只有6家了，它们分别是纯晶圆代工厂台积电、格芯、联电和中芯国际，以及IDM大厂三星和英特尔。
下面，我们就针对这6家芯片制造大厂的制程工艺演进情况做一下梳理。
台积电
在晶圆代工领域，无论是制程技术覆盖范围、先进制程领导力，还是营收水平等，台积电都是行业老大。该公司排名一直位列行业第一，目前的市占率已经接近60%。而在制程技术种类方面，2017年，台积电就以258种制程技术，为465个客户生产了9920种芯片。工厂方面，该公司拥有三座12英寸超大晶圆厂，分别是晶圆12厂、晶圆14厂和晶圆15厂，此外，其在中国大陆和台湾地区还在新建工厂，以满足客户对更先进制程工艺的需求。
2003年，该公司推出了当时业界领先的0.13μm低介质铜导线逻辑制程技术，也就是从那时开始，台积电开始大幅领先于联电（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，台积电开始风险试产65nm产品；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通用工艺技术。
由于台积电在业内率先实现了28nm的量产，使其长期霸占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标准制程，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技术量产芯片的公司；2015年，开始量产16nm FinFET制程；2017年，开始大规模出货10nm FinFET制程，并开始风险试产7nm FinFET制程，并于2018年实现量产；2019年，开始量产7nm+（EUV版的7nm）。
2020年将风险试产5nm制程。此外，该公司已经开始建设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间隔时间逐步拉长，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。但是，从65nm以后的历次新制程产能推进情况来看，新制程量产后的扩产和替代速度正在迅速加快，例如：40nm/45nm制程的产能占比从0提升到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。
通过以上这些现象可以看出： 一、高端大客户对于更高性能、更低功耗的先进制程产品的需求迫切；二、反映出台积电的研发能力和生产经验在不断增强，对新产能的良率控制和产能推进越来越得心应手。
图：台积电在2009~2017年间先进制程的迭代速度逐年加快
台积电的盈利能力很强，下面就以人们非常关注的中芯国际为对象，做一下简单的对比。以2017年第四季度的台积电和中芯国际的营收结构和毛利率为例，先进制程（28nm及以下）为台积电带来的营收占总营收比重为63%，而中芯国际的先进制程营收占比仅为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。二者产品均价相差超过一倍，毛利率相差近2.5倍，先进制程具有的产品价值和利润空间可见一斑。
三星
三星于2005年成立了晶圆代工业务部门，并于2017年开始将其独立出来经营，独立的主要目的就是为了加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业务在先进制程方面的演进情况。
2016年初，三星第二代14nm FinFET开始量产；2016年10月，该公司第一代10nm FinFET LPE制程大批量生产； 2017年4月，第二代10nm FinFET工艺技术10LPP通过认证； 2017 年10月，8nm FinFET工艺技术8LPP通过认证； 2017年11月，第二代10nm FinFET工艺技术量产； 2019年，7nm+制程实现量产。
最近两年，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开始为苹果量产10nm的A11处理器，并于2018年开始量产7nm制程，三星也开始进行10nm投片，但跳过了采用浸润式光刻技术的7nm，直接推出采用EUV光刻技术的7nm。总体而言，台积电在10nm和7nm制程上有领先优势。
在工厂方面，三星从2005年开始进入12英寸晶圆代工领域，目前，该公司的晶圆代工专属线有4条，包括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，主要针对高端工艺，包括65nm、45nm、32nm /28nm HKMG、14nm FinFET工艺，客户包括苹果、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，工艺技术包括嵌入式闪存(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）制定了两条工艺路线图：对于FinFET，该公司有14LPP（14nm FinFET技术）和12LPP；对于FD-SOI，格芯在产的是22FDX，当客户需要时，还可以生产12FDX芯片。
格芯14LPP主要用于制造计算、互联网、移动、服务器市场的低功耗SoC；28nm及FDX系列工艺主要用于中低端处理器；22FDX-RFA技术主要应用于射频领域；180nm和55nm等成熟工艺主要应用于模拟芯片，以及电源管理芯片等领域。
联电
联电于2003年开始试产90nm芯片，并于2004年通过验证并实现量产；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，开始试产28nm芯片，并于2014年量产；2017年，量产14nm芯片。
2013年，联电还成功开发出了28nm的PolySiON制程技术，并通过客户产品验证逐步导入量产。2014年，成功开发出28nm的HKMG制程技术，并通过先期客户产品验证逐步导入量产。2015年，成功开发出28nm高效能精简型（HPC+）制程技术，可提供更低的漏电流，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，开始量产28nm。
中芯国际的28nm有3种制程，分别是PolySiON，HKMG和HKC。该公司的28nm技术现已成功进入多项目晶圆(MPW)和量产阶段，并提出了发展三阶段概念：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季开始产出，而第三阶段是HKC制程，在2018年量产。
自28nm量产以后，中芯国际在该制程节点处的发展就遇到了一系列的困难。对此，该公司CEO赵海军曾经表示：“对28nm扩产持谨慎态度”。而中芯国际在2018年投入量产的主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都已经是对手的成熟制程，价格方面的压力基本相当，因此，28nm HKMG的扩产从盈利能力的角度来看，带来的贡献有限。因此，该公司暂时放缓了盈利艰难的28nm，暂时通过成熟制程稳固业绩，为14nm在2019年的量产做好充足准备。
成熟工艺方面，55nm/65nm和0.15μm/0.18μm两大制程平台放量，预计对应该公司的NOR和PMIC两大关键平台。此外，中芯国际拥有中国大陆地区最大的8英寸晶圆产能，成熟制程平台和定制化应用的火热程度使其8英寸线产能利用率保持高位，对该公司业绩也有进一步拉动作用。
目前，14nm FinFET制程技术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结构从2D转变为3D。虽然目前先进制程的划分依然以28nm为界，但从晶圆代工厂商的竞争格局来看，14nm FinFET技术才是主流大厂与中小厂商的分野所在。因此，14nm FinFET技术的突破对于中芯国际来说有着里程碑意义。
英特尔
从1971年，采用10μm制程工艺生产出全球首个微处理器4004，一直到2019年实现10nm处理器量产，英特尔近50年的半导体制程工艺发展之路堪称史上之最。
在制程工艺技术方面，英特尔一向以要求严苛而闻名，也正是因为如此，使其在商业化制程方面落在了台积电和三星的后面。但是，由于英特尔并不是专做晶圆代工的企业，其在该领域的产能和市场占有率都比较低。工厂主要还是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，包括亚利桑那州、俄勒冈州、新墨西哥州、马萨诸州，其中马萨诸州是英特尔目前唯一、也是最后一座8英寸晶圆厂了。该公司的14nm制程工艺主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晶圆厂主要是爱尔兰的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，不过，制程工艺还是以90nm和65nm为主。
在发展晶圆代工业务方面，英特尔有可能会引入战略投资者。在未来的7nm及5nm、3nm等技术的投资越来越大，引入战略投资者有助于分担风险。
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