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台积电、三星电子3纳米制程争霸战

时间:2020-12-09 01:27:18 来源:www.qutaiwan.cn 作者:一个主编

三星电子是全球「唯二」有能力生产10纳米以下制程晶片的晶圆代工厂之一,客户为分散风险,以及取得议价空间,往往会有第二家供应商的考量。台积电董事长刘德音于上月底在南科

最近几个月来,三星电子的晶圆代工业务屡传佳报,夺下辉达(Nvidia)、高通等先进制程大单,气势如虹。
 
继高通5G 的Snapdragon 875、X60后,高通最近发表的5G 旗舰晶片Snapdragon 888 也采用三星电子的5纳米制程代工。这显示三星电子的5纳米制程已经克服外界传闻的良率不佳的瓶颈,才能获得高通的订单。
 
辉达的GeForce RTX 30系列显卡的GPU,采用三星电子8纳米制程代工。三星电子能够获得高通、辉达等大厂先进制程的订单是很正常商业行为的发展。
 
三星电子是全球「唯二」有能力生产10纳米以下制程晶片的晶圆代工厂之一,客户为分散风险,以及取得议价空间,往往会有第二家供应商的考量。
 
尽管三星电子陆续夺得一些重要客户高阶制程的订单,目前台积电的晶圆代工业务仍大幅领先三星电子。
 
台积电7纳米、5纳米的订单供不应求,目前7纳米制程产能约每月12万片,5纳米制程产能约每月9万片。为了应付客户强劲的需求,台积电积极扩充先进制程产能,预估明年7纳米产能可增加到约每月14万片,5纳米产能约每月10.5万片。
 
先进制程是驱动台积电营业额成长的最大动力,今年第三季,7纳米制程占台积电营业额高达35%,甫于今年第2季开始量产的5纳米制程,第3季的营业额占8%,16纳米制程占18%。16纳米及更先进制程在今年第3季,合计占台积电61%营业额,由此看来先进制程可说是台积电的命脉。
 
接连接到高通、辉达、IBM等大客户订单后,三星电子信心满满,最近三星电子少主李在镕,亲赴荷兰ASML总部访问,要求ASML提前交付三星电子已订购的9套EUV设备,以确保三星电子的5纳米、3纳米制程能够如期量产。
 
三星电子晶圆代工事业部副社长,对外宣称将于2022年量产3纳米制程晶片,并且目前已经与供应商合作开发初期设计工具。对比台积电将于2022年下半年量产3纳米的时程,三星电子似乎在3纳米的量产进度超越台积电。然而根据以往三星电子对先进制程量产进度公布的时程,与实际量产时程,往往有不小落差,因此在3纳米制程,台积电、三星电子孰快孰慢,尚待时间证明。
 
台积电董事长刘德音于上月底在南科3纳米厂上梁典礼中宣示,台积电3纳米制程将于2022年量产,初期每月产能将达5.5万片,2023年3纳米制程产能将扩充到每月10.5万片。这不仅表示台积电对3纳米制程推进时程信心满满,而且应该有客户承诺预订产能。
 
进入3纳米制程,对晶圆厂而言,将有不小的挑战。20纳米以下制程,半导体进入FinFET (鳍式场效电晶体)结构,与之前的MOS结构不同,这一关,卡到不少晶圆制造厂,联电、格芯、中芯等,皆曾在此节点面临障碍。
 
FinFET结构一路从16/14纳米微缩到5纳米,技术障碍不少,台积电一路「过关斩将」领先群伦,成为先进制程的火车头,这不仅创造台积电辉煌的业绩,也为高科技添加柴火,成为推动5G、人工智慧等新科技的推手。
 
进入7纳米制程,微影曝光设备开始面临考验,原本DUV(深紫外线)微影机的解像度无法以单次曝光,来完成微影显影的目的,必须使用多重曝光方能达成。
 
另一解决方式是采用EUV(极紫外线)微影机。相较DUV采用EUV可以减少光罩的数目,而且可提升制程效能。
 
台积电采保守的作法进入7纳米制程,台积电于2018年使用DUV成为全球第一家量产7纳米制程晶片的公司,2019年台积电方导入EUV,量产7纳米制程。
 
三星电子号称于2018年年底,开始量产7纳米EUV制程晶片,不过似乎没有客户采用,合理的推测是产能、良率皆无法达到客户的需求。直到2019年年底,三星电子的7纳米制程方真正进入量产,与原先公布的时程,约相差1年。
 
三星的5纳米制程,应该确定在今年下半年量产,否则高通不敢将总数量达数亿颗的IC交给三星电子代工。
 
3纳米制程这个节点,如果直接使用现有ASML的EUV微影机,单次曝光恐无法达成,必须使用双重或多重曝光,这不仅会增加光罩的数目,而且微影机台的吞吐量也会减少。
 
解决之道是使用ASML新开发的高数值孔径( High NA)的EUV,ASML首台高数值孔径的EUV EXE:5000 预计将于2022年推出,接着另一台升级版的EXE:5500可望于2024年问世。
 
尽管新的高数值孔径EUV,推出时间可以赶上台积电、三星电子3纳米制程的量产时间。不过由于新机导入至少须1到2年的测试,因此在2024年前,3纳米制程恐须使用多重曝光技术。
 
三星电子急于跟ASML高层连系,除了催货外,另一目标恐怕是希望ASML提早释出高数值孔径的EUV给三星电子,企图领先台积电抢得先机。
 
进入3纳米的另一难题是FinFET结构似乎已走到尽头,在这么小的间距下,容易有漏电等问题。
 
三星电子在2019年宣称将在3纳米制程导入GAA (环绕闸极)结构,相对地台积电在3纳米仍继续采用FinFET结构,直到2纳米制程方采用GAA结构。
 
GAA结构的效能较FinEET结构佳,台积电在3纳米没有直接使用GAA,主要的原因可能是保守的策略,确保3纳米能在2022年量产。
 
三星电子是一家资源丰硕,企图心高,执行力强的超级公司,尽管台积电在上半场,表现优异甩开三星电子的追击。三星来势汹汹,企图抢走台积电晶圆代工龙头的宝座,台积电必须步步为营方能保持战果。
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