行业新闻详细内容

全球晶圆代工走向新分水岭

2018/12/27 16:07:14      材料来源:拓墣产业研究院

晶圆代工厂商的先进制程竞赛如火如荼来到7nm,但也有晶圆代工厂商就此打住,联电将止于12nm制程研发,GlobalFoundries宣告无限期停止7nm及以下先进制程发展。一直以来,半导体产业为延续摩尔定律每隔18~24个月集成电路便为晶体管数目和性能将翻倍提升而努力,10nm及以下先进制程成本有多高?让晶圆代工老二、老三的GlobalFoundries和联电纷纷打消发展念头。

一直以来半导体产业奉摩尔定律为圭臬,努力将线宽缩小,以便在芯片上塞入更多晶体管,虽然晶圆代工价格也因制程微缩而随之上升,但越精细的制程技术除了能切割出更多芯片外,也能提升产品效能和降低功耗,在良率控制得宜下,往往还是能获得追求极致产品表现的客户采用,且随着经验累积和设备摊提,将会让现下先进制程技术成本持续下探,进而吸引更多新产品和新应用导入。

但在物理极限下,先进制程微缩变得越来越困难,技术难度提高让晶圆代工厂的资本支出跟着增加,关键的微影制程为持续微缩瓶颈所在,相关设备成本也最为高昂,使得投入的晶圆代工厂商与客户减少。

晶圆代工厂商的最大难关-微影技术

微影技术透过紫外光当光源,将绘制在光罩上的电路图形微缩投影至涂布光阻的晶圆上,再经过曝光显影蚀刻去除光阻等过程,在晶圆产生集成电路。随着制程微缩线宽缩小,光罩也变得更为精细,光源波长也需变短,以避免绕射效应产生。

过去紫外光波长一路从365nm进展到目前以ArF气体雷射达到193nm,ArF 193nm曝光机原理上可制作的最小线宽为48nm,加上浸润式微影与多重曝光的搭配,众晶圆代工厂的制程辛苦走到7nm节点,采用多重曝光技术仅能做单一方向微缩,无法做2个方向的微缩,影响单位面积下所能容纳的晶体管数量,加以所需光罩数与制程数大幅增加,以往随着制程微缩,每芯片成本随之下降情况已不复见。

当制程微缩图形变得复杂,曝光次数需增加,光罩成本也就跟着飙高;根据eBeam Initiative调查,厂商到7~10nm节点光罩层数平均来到76层,甚至有厂商来到逾100层,这也代表光罩成本激增,到7nm制程节点已非一般中小型IC设计厂商所能负担。

波长更短的极紫外光(EUV)成为7nm以下制程的另一解方,以Samsung已导入EUV 的7nm LPP制程为例,光罩模块总数减少约20%。

昂贵的解方EUV

EUV虽能减少光罩,并能降低生产周期(Cycle Time)和晶圆缺陷问题,但EUV设备所费不赀,ArF浸润式曝光机价格已要价约5,600~6,200万美元,EUV曝光机价格1台更是上看1.2亿美元,大幅垫高晶圆代工厂商资本支出,而EUV波长极短,能量很容易被材料吸收,光罩须重新设计为反射式,成本也较为昂贵,EUV光源要达到250W和每小时单位产出125片(WPH),才能达到半导体厂商量产最低要求,目前ASML已突破此要求,但相较目前浸润式曝光机可达每小时250片(WPH)的产出而言,仍有很大努力空间。

EUV本身也还有光罩薄膜和光阻剂等挑战待突破,因此台积电目前7nm制程仍使用193i进行四重曝光(4P4E),预估第二代7nm制程才会在部分Layer使用EUV。

IC设计与品牌商同样面对的成本高墙

除了光罩,IP授权与人事研发成本随着最先进制程导入,成本更是节节升高,综合EETAsia与Semico估计,一般SoC IP授权与人事费用约1.5亿美元,而7nm将较10nm多出23%来到1.84亿美元,5nm节点更将来到2~2.5亿美元。

对IC制造与IC设计商而言,7nm以下制程越来越少有厂商玩得起。

从终端芯片来看,可能对芯片成本的提升更有感,以每年搭载最先进制程芯片的Apple iPhone为例,2018年新机iPhone XS Max搭载7nm制程A12 Bionic处理器,成本来到72美元,较2017年搭载10nm制程的A11 Bionic再贵上8%;而光芯片成本已直逼中阶智能型手机80~120美元整体BOM Cost。

智能型手机的行动运算、服务器、绘图与资料中心等领域,仍受益于芯片微缩计算机运算效能提升与耗电降低的好处,但当成本也节节升高,并不是所有厂商都奋不顾身投入.

目前宣告产品采用7nm的厂商Apple、Samsung、华为、NVIDIA与AMD等厂商若非前几大智能型手机品牌就是CPU/GPU重要大厂,为了产业上的领先地位,价格敏感度也较低,也有较大生产量,才能分摊光罩、设计与制造等成本;当客户群集中在少数,对非前几大晶圆代工厂商而言,持续进行先进制程的投资,后续产能若无法填补,将面临极大的财务风险,这也是为何联电和GlobalFoundries纷纷在这场奈米竞赛停止脚步,以获利为优先。


上一篇:中科大研制出自主知识产... 下一篇:中微被评为全球最佳薄膜...