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三星EUV布局未若预期 未来先进制程仍将持续苦追台积电

EUV机台。资料来源:ASML

在经历过14/16nm制程节点的激烈竞争之后,诸如格罗方德(Global Foundries)以及联电(UMC)都纷纷退出更先进制程的发展,而目前晶圆代工厂中也仅有台积电和三星仍持续推进节点技术,另外,英特尔(Intel)在2019年也终于要推出与台积电7nm技术同级的10nm制程,然而要普及到英特尔所有产品线仍要等到2020年左右。

台积电从DUV跨到EUV  产能和成本将有明显改进

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三星的Exynos 9825是该公司首款成功量产的EUV 7nm产品。资料来源:三星LSI

现有台积电7nm基于多重曝光技术,也就是使用DUV(深紫外光)机台,对晶圆进行4次的重复曝光,以求取晶体管的微小化,这是在EUV(极紫外光)机台因为技术研发瓶颈,在产能和良率难以突破之下,所以选择了成熟的DUV技术来达成。

但问题是,使用DUV加上多重曝光技术,虽然可以达到7nm的密度,但因为工序增加,成本也大幅提升,根据计算,台积电的7nm相较起10nm,在单一晶圆的制造成本上增加了至少18%,而如果以芯片成品来比较,同样晶体管规模的芯片以7nm,将会比10nm高出11.5%,过去通过制程的微缩,单一芯片的成本会明显下降,而这是在芯片制造的历史上,第一次芯片的成本会比旧制程高的状况。

为了解决高成本问题,避免被三星追上,台积电也正积极跨到EUV机台。当EUV机台成熟,作为目前营收主力的7nm制程成本就可以有效下降。机台本身的成本支出其实还是非常高昂,毕竟单一EUV机台成本就需要上亿美元,这与使用旧有DUV机台的多重曝光版7nm相较之下,所需要分摊的设备成本就比较高。

但其来自两方面的成本下降效应,仍是对客户相对有利。首先就是工序的减少,采用EUV机台制造的7nm在工序方面比DUV版本7nm减少了至少3成以上,理论上生产效率能大幅提高。

另一方面,采用EUV还可以进一步带来密度的提升,这是因为DUV加上浸润式曝光只能进行单向微缩,EUV才能进行双向,而根据台积电在股东会上给出的信息,采用EUV制程的7nm+将比DUV版增加至少17%的密度。

台积电也计画推出7nm的衍生版本6nm,6nm会分为既有7nm的升级版,以及采用EUV的升级版,既有的DUV升级版可以沿用既有7nm的芯片设计规则,有效降低成本,而EUV则是在提升密度的同时,又兼顾成本的下降。

台积电预计在今年下半年开始量产第二代7nm产品N7+,与第一代的最大差别,在于使用了EUV机台,工序可以大幅减少,不过在芯片的电气特性上改进有限,主要就是密度更高,耗电更低。属于正常程度的演进,并没有天差地远的改变。

三星EUV实现量产  但良率表现依旧落后于台积电

而三星在2018年宣称量产基于EUV的7nm制程,但目前看来也仅是小量试产,其最新的Exynos9825乃是基于9820的基础,仅是改变制程,产能也还没拉上来,在最新的Note 10手机产品中,大部份都采用高通的Snapdragon 855,仅有一小部份的市场会使用基于9825的产品。

虽然就实际而言,三星宣称实现了量产的承诺,但三星所谓量产的定义与台积电并不一致,尤其在良率标准的设定方面,三星要远低于台积电,9825的小量供应亦仅能视为验证制程的副产品,谈不上真正量产。

而近日三星也传出其为高通代工的7nm产品因良率太低而全部报废,而台积电的N7+目前也已经开始稳定量产,很快就会贡献营收,就结果论,台积电的EUV进展仍优于三星。

7nm之后的发展

三星和台积电在5nm和7nm都是采用同步发展的策略。毕竟5nm可以说是现有材料和制程技术下的极限,7nm使用的EUV机台还是可以沿用,但要进一步微缩的话,在晶体管材料和结构就必须有所变革,否则很难再继续下去。

台积电的5nm预期要在2020年量产,目前已经在进行风险试产,而三星则没有公布其5nm具体的量产时程,但如果以其7nm的时程预估,恐怕也不会早于2021年。

台积电和三星针对3nm制程的布局已经开始,技术研发和建厂工作也早就在进行,而相较于三星的高调,台积电并没有过多的揭露其技术底细,但基本上还是会以GAA(Gate All Around)为基础,而台积电也同样预估3nm的量产时程会在2022年。

三星在其论坛上进行的纸面3nm技术发布看起来相当具有说服力,但是搭配过去三星的量产时程承诺,其实又有点令人质疑。但不可否认的是,三星和台积电基本上还是属于晶圆制造的第一线技术领导者,二者的差别还是在于技术细节的掌握以及市场化的能力。

然而展望未来,3nm这个世代恐怕会是继16nm后的长寿制程,3nm之后,还需要在芯片结构与机台技术上有更进一步的发展。而根据设备大厂ASML的计画,第二代EUV机台,也就是高于0.5数值孔径(numerical aperture,NA)的新一代EUV机台可能会在2024年现身,届时2nm以下的制程产品将可能会采用该机台生产。

英特尔在先进制程挣扎前进

作为过去的晶圆制造领导者,英特尔早在2014年就已经推出14nm制程,在密度、线宽等技术特性上和台积电、三星在2017年才推出的10nm制程互别苗头,然而英特尔因为PC市场萎缩,移动通信市场失利等因素影响,制程的发展停滞不前,因此让台积电、三星反超,抢先推出7nm技术。

而英特尔在技术上足以和台积电7nm对抗的10nm制程,迟至2019年底才真正量产,且因为产能限制,只能暂时用在针对NB产品的行动处理器平台上。

为了弥补制程技术的失利,英特尔先后推出EMIB 2.5D封装技术,以及真正的3D封装技术Foveros,期望透过封装技术在异构芯片功能的集成能力上扳回一城。

同时,英特尔也积极推动7nm技术,后续的5nm和3nm也箭在弦上,在密度定义方面同样以超过台积电、三星一个世代的水平为目标。不过因为目标定的高,达成的难度也高,但对英特尔而言,这是不得不面对,也不能失败的挑战。

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