明年將是5nm製程的大年,在臺積電的5nm良率爬升再破記錄,並且擴產也進入了實質性階段之時,三星卻將他們的EUV光刻機資源幾乎都分給了存儲晶片的製造,讓人不禁疑惑,三星這是打算減緩5nm規模量產的步伐了?
本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202009/418064.htm臺積電在前陣舉辦的第26屆線上技術研討會上,除了7nm的增產計劃,以及3nm的投產計劃外,特別提到了他們5nm 缺陷密度提升數據,其提升趨勢已經超過了7nm時的同期水準。
D0=缺陷密度(Defect Density)指的是:晶圓表面每平方釐米(cm²)上的缺陷個數。
這是晶片製造中影響良品率的關鍵指標,一些公開資料裡表示其對於良率的影響權重超過了20%。因為晶圓表面的缺陷一般是隨機的,出現在哪是看它心情的,如果恰好不在晶片電路區域,那麼皆大歡喜,不會影響到良率。
由於良率一般都是各家工藝廠的機密,若非主動公布,外界一般是通過推算來得到他們的良率指標,所以廠家公布的缺陷密度的降速——D0可以看做是良率提升速度的風向標。
除了缺陷密度外,晶片製造中的良率提升速度的常見的變數主要有:晶片尺寸,電路設計的複雜度(集成度,電晶體密度等),製程步驟的數量等。
一般來說晶片尺寸比較一致; 而電路設計的複雜度取決於能不能獲取NB的客戶來幫忙「試驗工藝」以迅速提升工藝成熟度。這都屬於外部因素。
對於代工廠而言,缺陷密度和製程步驟的數量則是自己能控制的關鍵指標, 步驟越多,製程本身以及各個步驟整合時出現缺陷和偏差的機率也就越大。可以認為,製程步驟的控制是良率提升的重中之重。
然而隨著製程的複雜度加劇,工藝步驟的增加完全剎不住,步驟的精簡合併也是工藝後期優化的一個重要著力點。
而減少工藝步驟最立竿見影的方法就是EUV的引入。
在沒有EUV或EUV不足的空窗期,臺積電和三星的7nm都在中道接觸孔和金屬後道的低層(如M0,M1)金屬的製造上避開了複雜度極高的四重曝光技術,而英特爾則很「偏執」在10nm下使用了四重曝光技術,這使得他們使用193nmDUV光刻機的10nm的相關參數達到甚至超過了使用了13.5nmEUV光刻機的三星臺積電7nm的水準,但是這複雜度也導致了英特爾10nm的良率和產能一直起不來,直到今年九月才發布了全系10nm的第十一代處理器Tiger Lake(從CPU和GPU表現看,算是一屁股坐到了牙膏管上。)這番進步是因為四重曝光的技術得到了切實突破還是因引入了EUV光刻機所帶來的,目前還無法確認。
EUV的引入,使得多重曝光工序得以大大的簡化,同樣的特徵尺寸現在使用單次曝光即可完成,這將使製造缺陷出現的機率大幅降低。臺積電5nm同期良率提升速度這麼快,和EUV光刻機的大規模部署有極大的關聯。
在7nm量產時,臺積電三個季度即將缺陷率降到了0.09個/cm²,六個季度完成了營收和產能的爬坡,創造了業界的提升記錄,其實這個標準已經獨步於業界,之前看資料說是常見的D0標準是0.5個/cm²,而正常的爬坡一般是以年為單位(當然也包括臺積電早期的製程)。這樣的爬升速度,這也是龍頭的規模優勢帶來的好處之一。
然而從臺積電新發布的數據來看,他們5nm的缺陷率在量產(MP,massive production)的起點已經接近於0.1個/cm²了,大概率會在量產後一個季度就將D0降至0.09個/cm²,將7nm時所創造的記錄又提前2個季度。
這個EUV光刻機的大量部署及應用有直接關係。
在臺積電高調宣布其5nm製程在EUV光刻機的加持下,正處加速衝刺之時,市場卻傳出三星的好基友高通不滿於三星5nm低良率,準備將產品線全部移到臺積電去的新聞。
為什麼不高? 7nm以下製程的實際生產,都是EUV光刻機和DUV光刻機混用,各司其職(追求極致尺寸的關鍵層用EUV,其他層用DUV)。EUV光刻機在工序中的使用比重隨著製程的先進性的提高而逐漸增加的,也就是說5nm製程對於EUV光刻機的需求遠遠大於7nm,EUV光刻機的不足將直接影響到最終的產能。
需要強調的是良率低不代表晶片本身質量低,而是晶圓裡的廢片太多,使得整體產能太低,單晶片的成本太高。
按道理,三星今年也分到了不少的EUV,大家都在等著他們出來挽留高通的時候,三星卻宣布,他們要將大量裝備了EUV光刻機的平澤工廠二號線,用於其DRAM產品—16G LPDDR5的量產。
媒體說,在LPDDR5貨撲開佔據了市場優勢後,還將引入NAND快閃記憶體的生產。看出來了吧,儘管這三星5nm,3nm,2nm的路線圖發布得嗖嗖的,胸脯拍得砰砰直響,但是他們的親兒子還是只有一個,那就是存儲晶片。
不過這也沒辦法,從三星產能和營收佔比上看,三星半導體在2020年一季度的營收是139億美元,其中晶圓代工營收僅佔了30億美元。存儲晶片就是三星半導體的大腿,代工廠感覺也就是個為DRAM/NAND未來技術研發所準備的試驗線,驗證技術,順便掙點外快,能把大老闆三星電子自己要用的處理器之類的產夠就行了。
而今年市場熱度火得一塌糊塗的LPDDR5是明年乃至後年的市場明星級產品,目前除了三星,只有美光有量產能力,通常來說10nm是DRAM產品的製程物理極限,而美光還沒用到EUV光刻機(並且美光目前出貨給客戶的LPDDR5內存容量為6GB、8GB和12GB。)
在EUV加持下,三星LPDDR5的容量/面積和功耗,短期內將沒有對手,SK海力士儘管也有部署EUV光刻機的打算,但他們目前LPDDR5還沒開始量產。
這才是在存儲晶片領域市佔已超過50%的三星必須要保證的優勢賽道,事關重大。
對於三星的代工事業來說,後面怎麼走呢?有條新聞可以串起來看,前陣出盡風頭的Nvidia新發的RTX30系列,都是以三星的8nm製程為主(儘管Graphic DDR用的是美光),老黃的貨可都不是小批量產品。
而8nm及以上製程都是不需要使用到EUV光刻機的。這信號已經很明顯了。
儘管三星的晶圓月產能常年都是全球第一,截止2019年底,其月產能可以達到290萬片(等效200mm)佔到全球份額的15%,其中存儲晶片(DRAM和NAND)佔了其中的67%,其7nm EUV代工的月產能僅為1萬片,連業界常用的2萬片盈虧平衡點都沒達到(成熟工藝)。
臺積電的月產能為250萬片,佔全球份額的12.8%,全是商業代工,其中28nm以下製程佔了將近40%,從之前數據看臺積電目前7nm的月產能為10萬~14萬片之間,5nm產能在5萬片上下。
臺積電5nm的一家獨大已不可逆轉,兩家的產能差距將越甩越大,完全不是一個級別。在玩家越玩越少的先進位程角逐上,三星明顯放慢了前進的步伐。
先進位程的研發和量產一旦領先,就意味著擁有了很高的議價權。比如臺積電的毛利率比其他代工廠高2倍左右,能超過50%,這與其16nm以下先進位程在總營收佔比超過55%(7nm又佔了其中的35%)有莫大的關係。
這也是為什麼7nm製程在2018年第三季度開始量產,臺積電卯足馬力衝刺良率爬坡的原因,供不應求的市場更是一個贏家通吃的市場。(當然臺積電能衝刺成功,也是踏實耕耘,厚積薄發的結果。)
同樣在存儲晶片領域,特別是LPDDR5相關的市場裡如果拿到了市場先機,也就等於拿到了一枚市場的金鑰匙。存儲晶片在全球半導體市場的營收佔比就沒跌出過30%,其中三星更是佔了50%以上,在低端存儲器市場狀況日益惡化的情況下,LPDDR5的價值自不用多說。
儘管在晶圓代工的營收上面,臺積電是一騎絕塵,比如2020年1季度,臺積電的營收為102億美元,佔了全球代工領域營收的54.1%,排第二的三星代工業務僅有30億美元左右。
但放眼整個三星半導體,他們這季的營收是139億美元,落後於英特爾,位居全球第二,孰輕孰重,決策層如何取捨,一目了然,三星的只不過做了他們該做的事罷了。
兩手抓,兩手都要硬,其實是三星半導體一貫的做法,自打三星進入代工行業以來,對於先進工藝的追逐都是不遺餘力的,不然也不會成為IBM製造技術聯盟的帶頭大哥。但是無論三星多麼的富可敵國,也改變不了ASML的EUV光刻機供應不足的現狀。
在這樣的局面下,三星自然要在存儲晶片和代工龍頭之間做出一些取捨。那麼三星的決策是不是「鼠目寸光」,只圖眼前利益?自然不是。
半導體產業排名第二的三星和排名第一的英特爾一樣,主業不是代工,而是產品。
其工藝研發及產能的擴張是需要以產品及市場為指導的,IDM廠的客戶就是自己,不太可能像純代工廠一樣,產能利用率做到80%多,就敢去擴大產能的(除非有地方買單)。
若不能審時度勢,步步為營,反而是有些過於冒失,本末倒置。何況,三星對於先進技術的研發只是放慢了腳步,而不是止步。好戲依然在後面呢。