芯片是腦力密集型產(chǎn)業(yè)，隨著時(shí)間的推移，全球擁有芯片設(shè)計(jì)和制造全產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)僅僅剩下三星和英特爾，不同于英特爾的穩(wěn)中求進(jìn)，三星似乎更加激進(jìn)。近日，據(jù)外媒曝光，三星公布了自己的芯片制造工藝的路線圖，三星方面表示，它們將于2019年底采用6nm工藝芯片代工，明年將完成5nm工藝和4nm工藝的芯片，在先進(jìn)半導(dǎo)體制程技術(shù)上，三星只有臺(tái)積電一個(gè)對手了。
三星為何急于推出自己的先進(jìn)制程工藝？
摩爾定律揭示了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)律，也是芯片巨頭們決勝江湖的一本“武林秘籍”，正是這個(gè)規(guī)律的存在，讓英特爾、三星、德州儀器等企業(yè)稱霸半導(dǎo)體界幾十年。如今，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)走到了一個(gè)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)上，那就是7納米制程，很多專家表示，7納米將是推進(jìn)摩爾定律的下一重要關(guān)卡，因?yàn)殡S著半導(dǎo)體進(jìn)入7nm節(jié)點(diǎn)，包括半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、材料、制造工藝和封裝測試等，每個(gè)半導(dǎo)體制程環(huán)節(jié)都面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，成本和效能已經(jīng)不能成正比了。
目前能夠設(shè)計(jì)7nm芯片的企業(yè)有華為、三星、英特爾、高通和蘋果等頂尖集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)，但是擁有7nm制程技術(shù)的僅有三星和臺(tái)積電，英特爾似乎已經(jīng)落戶了這兩大對手。英特爾高層曾表示，7nm工藝會(huì)在兩年內(nèi)推出，最早將在2021年問世。
三星、臺(tái)積電在先進(jìn)制程工藝上的你追我趕，無非是為了在市場的爭奪中占據(jù)先機(jī)。在代工模式方面，英特爾在電腦方面的領(lǐng)先是統(tǒng)治級別的，三星則擅長于智能手機(jī)芯片，而臺(tái)積電則是兩者皆通，甚至現(xiàn)在還占據(jù)了挖礦機(jī)芯片9成的市場。在10nm工藝上，臺(tái)積電拿下了華為麒麟970和蘋果A11兩款芯片的代工訂單，而三星則搶到了高通驍龍845代工訂單。
在7nm工藝上，華為麒麟980也選擇了繼續(xù)和臺(tái)積電合作，在三星的7nm制程工藝研制出來之前，蘋果A12、高通驍龍855的意向合作伙伴也是臺(tái)積電，但三星突然提前半年完成7nm新工藝的研發(fā)，讓高通和臺(tái)積電的合作存在一定的變數(shù)。有消息稱，高通已經(jīng)將新的芯片樣品送交三星進(jìn)行測試，但具體是不是驍龍855就不得而知。不過在此之前，三星已經(jīng)宣布自己的7nm工藝已經(jīng)贏得了高通5G芯片的訂單，不出意外的話，三星拿下驍龍855也只是時(shí)間問題。
面對臺(tái)積電和三星的步步緊逼，英特爾也不得不做出改變，英特爾在去年向包括ARM陣營在內(nèi)的所有廠商開放代工業(yè)務(wù)，并表示代工業(yè)務(wù)營收在英特爾總營收中的比重將逐漸提升，三星對7nm、5nm工藝的執(zhí)著上，的確是比英特爾更加激進(jìn)。
芯片巨頭的半導(dǎo)體制程“競賽”
2018年發(fā)生了讓業(yè)內(nèi)人驚訝的一件大事，那就是聯(lián)電與格芯先后退出先進(jìn)制程的軍備競賽，加上英特爾的10nm制程處理器量產(chǎn)出貨時(shí)程再度遞延到2019年底，均顯示先進(jìn)制程的技術(shù)進(jìn)展已面臨瓶頸。展望未來，還有能力持續(xù)推動(dòng)半導(dǎo)體制程微縮的業(yè)者，或只剩下臺(tái)積電、三星和英特爾三家公司。
從進(jìn)度上看，臺(tái)積電公布的7nm芯片已有50多款在流片，可算是遙遙領(lǐng)先。英特爾則仍苦苦掙扎于10nm。而三星近年來逐漸將代工業(yè)務(wù)視為發(fā)展重點(diǎn)，先后在美國、中國、日本等多地先后舉辦的三星代工論壇上還公布了其7nm以后的最新工藝路線圖，預(yù)計(jì)2018年推出7nm FinFET EUV工藝，而8nm LPU工藝也會(huì)開始風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)，2019年推出7nm的優(yōu)化版，即5／4nm FinFET EUV工藝，同時(shí)面向RF射頻、eMRAM等芯片的18nm FD－SoI工藝開始風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)，到2020年推出3nm EUV工藝，同時(shí)晶體管架構(gòu)從FinFET轉(zhuǎn)向GAA。三星目前已將GAA視為7nm節(jié)點(diǎn)之后取代FinFET晶體管的新一代候選技術(shù)。
三星作為全球最大的存儲(chǔ)芯片生產(chǎn)企業(yè)，通過在存儲(chǔ)芯片上錘煉先進(jìn)工藝，在過去三年間，三星就采用EUV技術(shù)處理了20萬片晶圓生產(chǎn)SRAM。2017年五月，三星推出了首款使用EUV光刻解決方案的半導(dǎo)體工藝技術(shù)7nm LPP EUV，預(yù)期可借此突破摩爾定律的擴(kuò)展障礙，為單納米半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展鋪平道路。另外，三星位于華城市的7nm廠預(yù)計(jì)最快明年量產(chǎn)，并計(jì)劃投入56億美元升級晶圓產(chǎn)能，其中三星在韓國華城的S3生產(chǎn)線上部署了由原本的10nm工藝改造而來的ASML NXE3400 EUV光刻機(jī)，這條生產(chǎn)線的EUV產(chǎn)能據(jù)稱已經(jīng)達(dá)到了大規(guī)模量產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。
除此之外，三星還將新建一條EUV工藝專用的產(chǎn)線，計(jì)劃在2019年底全面完成后，2020年實(shí)現(xiàn)EUV量產(chǎn)。相較之下，臺(tái)積電今年才宣布和聯(lián)發(fā)科合作試產(chǎn)7nm制程12核心芯片，但根據(jù)臺(tái)積電10nm今年難產(chǎn)的現(xiàn)狀來看，臺(tái)積電的研發(fā)進(jìn)程顯得相當(dāng)落后了。
EUV技術(shù)是7nm工藝的關(guān)鍵
7nm工藝是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一個(gè)非常重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而要想獲得非常好的良率，引入EUV技術(shù)是7nm工藝的關(guān)鍵，同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)也是摩爾定律延續(xù)到5nm以下的關(guān)鍵技術(shù)，引入EUV工藝可以大幅提升性能，縮減曝光步驟、光罩?jǐn)?shù)量等制造過程，節(jié)省時(shí)間和成本。不過，引入EUV技術(shù)并不容易，其需要投入大量資金購買昂貴的EUV設(shè)備，同時(shí)需要進(jìn)行大量的工藝驗(yàn)證以確保在生產(chǎn)過程中獲得較佳的良率，才能以經(jīng)濟(jì)的成本適用于生產(chǎn)芯片。
EUV技術(shù)也叫極紫外光刻技術(shù)，它以波長為10－14nm的極紫外光作為光源的光刻技術(shù)，極紫外線需要通電激發(fā)紫外線管的K極放射出紫外線。EUV光刻技術(shù)也被業(yè)內(nèi)人稱為下一代半導(dǎo)體工藝的最佳技術(shù)選擇。
雖然EUV技術(shù)備受關(guān)注，但是目前僅有少數(shù)廠商掌握其核心技術(shù)。對于大多數(shù)的半導(dǎo)體制造商而言，EUV光刻的基本設(shè)備仍需進(jìn)步，這樣才能滿足成熟的量產(chǎn)需求。如光刻膠的靈敏度，掩模技術(shù)的成熟度，還有需要提升光源的透射率等等，這些都是目前面臨的最大技術(shù)難題。
三星采用的是激進(jìn)式的EUV技術(shù)
2018年，三星和高通宣布擴(kuò)大晶圓代工業(yè)務(wù)合作，該合作計(jì)劃將長達(dá)十年，三星將授權(quán)“EUV光刻工藝技術(shù)”給高通使用，其中包括使用三星7nm LPP EUV工藝技術(shù)制造未來的驍龍5G移動(dòng)芯片組，預(yù)計(jì)高通下一代5G移動(dòng)芯片，將采用三星7nm LPP EUV制程，通過7nm LPP EUV工藝，驍龍5G芯片組可減少占位空間，讓OEM廠有更多使用空間增加電池容量或做薄型化設(shè)計(jì)。除此之外，結(jié)合更先進(jìn)芯片設(shè)計(jì)，可明顯增進(jìn)電池續(xù)航力。
三星如此堅(jiān)定地在其首個(gè)7nm就激進(jìn)地采用EUV技術(shù)，是三星綜合許多因素考慮的結(jié)果，包括EUV設(shè)備是否準(zhǔn)備好，成本、多重曝光復(fù)雜性、保真度和間距縮放等。對三星自家的7nm而言，（柵極）間距可以控制在單次曝光，這使得整個(gè)光刻工藝流程減少了與曝光相關(guān)的大部分設(shè)計(jì)復(fù)雜性，這也恰恰說明三星內(nèi)部開發(fā)的EUV光罩檢測工具，是三星的一個(gè)重要優(yōu)勢。目前市場還沒有類似的商業(yè)工具被開發(fā)出來，不僅如此，三星也在開發(fā)EUV微影光阻劑，并有望在今年稍晚達(dá)到大規(guī)模量產(chǎn)要求的目標(biāo)良率。
EUV技術(shù)的進(jìn)展還是比較緩慢的，而且將消耗大量的資金。盡管目前很少廠商將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)中，但是極紫外光刻技術(shù)卻一直是近些年來的研究熱點(diǎn)，所有廠商對這項(xiàng)技術(shù)也都充滿了期盼，希望這項(xiàng)技術(shù)能有更大的進(jìn)步，能夠早日投入大規(guī)模使用。各家廠商都清楚，半導(dǎo)體工藝向往下刻，使用EUV技術(shù)是必須的。在摩爾定律的規(guī)律下，以及在如今科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的信息時(shí)代，新一代的光刻技術(shù)就應(yīng)該被選擇和研究，因?yàn)镋UV與其他技術(shù)相比有明顯的優(yōu)勢。比如，EUV的分辨率至少能達(dá)到30nm以下，且更容易收到各集成電路生產(chǎn)廠商的青睞；EUV是傳統(tǒng)光刻技術(shù)的拓展，同時(shí)集成電路的設(shè)計(jì)人員也更喜歡選擇這種全面符合設(shè)計(jì)規(guī)則的光刻技術(shù)；EUV技術(shù)掩模的制造難度不高，具有一定的產(chǎn)量優(yōu)勢等。
雖然半導(dǎo)體摩爾定律終將會(huì)失效，但是EUV技術(shù)帶來的進(jìn)步仍讓廠商期待這個(gè)定律的延續(xù)。未來，EUV技術(shù)定會(huì)成為這些廠商重點(diǎn)研究的一門技術(shù)，三星激進(jìn)式的做法是否是正確的決策，還有待時(shí)間的驗(yàn)證。