臺(tái)積電 三星電子3納米制程爭(zhēng)霸戰(zhàn)

最近幾個(gè)月來(lái)，三星電子的晶圓代工業(yè)務(wù)屢傳佳報(bào)，奪下輝達(dá)(Nvidia)、高通等先進(jìn)制程大單，氣勢(shì)如虹。

 

繼高通5G 的Snapdragon 875、X60后，高通最近發(fā)表的5G 旗艦晶片Snapdragon 888 也采用三星電子的5納米制程代工。這顯示三星電子的5納米制程已經(jīng)克服外界傳聞的良率不佳的瓶頸，才能獲得高通的訂單。

 

輝達(dá)的GeForce RTX 30系列顯卡的GPU，采用三星電子8納米制程代工。三星電子能夠獲得高通、輝達(dá)等大廠先進(jìn)制程的訂單是很正常商業(yè)行為的發(fā)展。

 

三星電子是全球「唯二」有能力生產(chǎn)10納米以下制程晶片的晶圓代工廠之一，客戶為分散風(fēng)險(xiǎn)，以及取得議價(jià)空間，往往會(huì)有第二家供應(yīng)商的考量。

 

盡管三星電子陸續(xù)奪得一些重要客戶高階制程的訂單，目前臺(tái)積電的晶圓代工業(yè)務(wù)仍大幅領(lǐng)先三星電子。

 

臺(tái)積電7納米、5納米的訂單供不應(yīng)求，目前7納米制程產(chǎn)能約每月12萬(wàn)片，5納米制程產(chǎn)能約每月9萬(wàn)片。為了應(yīng)付客戶強(qiáng)勁的需求，臺(tái)積電積極擴(kuò)充先進(jìn)制程產(chǎn)能，預(yù)估明年7納米產(chǎn)能可增加到約每月14萬(wàn)片，5納米產(chǎn)能約每月10.5萬(wàn)片。

 

先進(jìn)制程是驅(qū)動(dòng)臺(tái)積電營(yíng)業(yè)額成長(zhǎng)的最大動(dòng)力，今年第三季，7納米制程占臺(tái)積電營(yíng)業(yè)額高達(dá)35%，甫于今年第2季開(kāi)始量產(chǎn)的5納米制程，第3季的營(yíng)業(yè)額占8%，16納米制程占18%。16納米及更先進(jìn)制程在今年第3季，合計(jì)占臺(tái)積電61%營(yíng)業(yè)額，由此看來(lái)先進(jìn)制程可說(shuō)是臺(tái)積電的命脈。

 

接連接到高通、輝達(dá)、IBM等大客戶訂單后，三星電子信心滿滿，最近三星電子少主李在镕，親赴荷蘭ASML總部訪問(wèn)，要求ASML提前交付三星電子已訂購(gòu)的9套EUV設(shè)備，以確保三星電子的5納米、3納米制程能夠如期量產(chǎn)。

 

三星電子晶圓代工事業(yè)部副社長(zhǎng)，對(duì)外宣稱(chēng)將于2022年量產(chǎn)3納米制程晶片，并且目前已經(jīng)與供應(yīng)商合作開(kāi)發(fā)初期設(shè)計(jì)工具。對(duì)比臺(tái)積電將于2022年下半年量產(chǎn)3納米的時(shí)程，三星電子似乎在3納米的量產(chǎn)進(jìn)度超越臺(tái)積電。然而根據(jù)以往三星電子對(duì)先進(jìn)制程量產(chǎn)進(jìn)度公布的時(shí)程，與實(shí)際量產(chǎn)時(shí)程，往往有不小落差，因此在3納米制程，臺(tái)積電、三星電子孰快孰慢，尚待時(shí)間證明。

 

臺(tái)積電董事長(zhǎng)劉德音于上月底在南科3納米廠上梁典禮中宣示，臺(tái)積電3納米制程將于2022年量產(chǎn)，初期每月產(chǎn)能將達(dá)5.5萬(wàn)片，2023年3納米制程產(chǎn)能將擴(kuò)充到每月10.5萬(wàn)片。這不僅表示臺(tái)積電對(duì)3納米制程推進(jìn)時(shí)程信心滿滿，而且應(yīng)該有客戶承諾預(yù)訂產(chǎn)能。

 

進(jìn)入3納米制程，對(duì)晶圓廠而言，將有不小的挑戰(zhàn)。20納米以下制程，半導(dǎo)體進(jìn)入FinFET (鰭式場(chǎng)效電晶體)結(jié)構(gòu)，與之前的MOS結(jié)構(gòu)不同，這一關(guān)，卡到不少晶圓制造廠，聯(lián)電、格芯、中芯等，皆曾在此節(jié)點(diǎn)面臨障礙。

 

FinFET結(jié)構(gòu)一路從16/14納米微縮到5納米，技術(shù)障礙不少，臺(tái)積電一路「過(guò)關(guān)斬將」領(lǐng)先群倫，成為先進(jìn)制程的火車(chē)頭，這不僅創(chuàng)造臺(tái)積電輝煌的業(yè)績(jī)，也為高科技添加柴火，成為推動(dòng)5G、人工智慧等新科技的推手。

 

進(jìn)入7納米制程，微影曝光設(shè)備開(kāi)始面臨考驗(yàn)，原本DUV(深紫外線)微影機(jī)的解像度無(wú)法以單次曝光，來(lái)完成微影顯影的目的，必須使用多重曝光方能達(dá)成。

 

另一解決方式是采用EUV(極紫外線)微影機(jī)。相較DUV采用EUV可以減少光罩的數(shù)目，而且可提升制程效能。

 

臺(tái)積電采保守的作法進(jìn)入7納米制程，臺(tái)積電于2018年使用DUV成為全球第一家量產(chǎn)7納米制程晶片的公司，2019年臺(tái)積電方導(dǎo)入EUV，量產(chǎn)7納米制程。

 

三星電子號(hào)稱(chēng)于2018年年底，開(kāi)始量產(chǎn)7納米EUV制程晶片，不過(guò)似乎沒(méi)有客戶采用，合理的推測(cè)是產(chǎn)能、良率皆無(wú)法達(dá)到客戶的需求。直到2019年年底，三星電子的7納米制程方真正進(jìn)入量產(chǎn)，與原先公布的時(shí)程，約相差1年。

 

三星的5納米制程，應(yīng)該確定在今年下半年量產(chǎn)，否則高通不敢將總數(shù)量達(dá)數(shù)億顆的IC交給三星電子代工。

 

3納米制程這個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果直接使用現(xiàn)有ASML的EUV微影機(jī)，單次曝光恐無(wú)法達(dá)成，必須使用雙重或多重曝光，這不僅會(huì)增加光罩的數(shù)目，而且微影機(jī)臺(tái)的吞吐量也會(huì)減少。

 

解決之道是使用ASML新開(kāi)發(fā)的高數(shù)值孔徑( High NA)的EUV，ASML首臺(tái)高數(shù)值孔徑的EUV EXE:5000 預(yù)計(jì)將于2022年推出，接著另一臺(tái)升級(jí)版的EXE:5500可望于2024年問(wèn)世。

 

盡管新的高數(shù)值孔徑EUV，推出時(shí)間可以趕上臺(tái)積電、三星電子3納米制程的量產(chǎn)時(shí)間。不過(guò)由于新機(jī)導(dǎo)入至少須1到2年的測(cè)試，因此在2024年前，3納米制程恐須使用多重曝光技術(shù)。

 

三星電子急于跟ASML高層連系，除了催貨外，另一目標(biāo)恐怕是希望ASML提早釋出高數(shù)值孔徑的EUV給三星電子，企圖領(lǐng)先臺(tái)積電搶得先機(jī)。

 

進(jìn)入3納米的另一難題是FinFET結(jié)構(gòu)似乎已走到盡頭，在這么小的間距下，容易有漏電等問(wèn)題。

 

三星電子在2019年宣稱(chēng)將在3納米制程導(dǎo)入GAA (環(huán)繞閘極)結(jié)構(gòu)，相對(duì)地臺(tái)積電在3納米仍繼續(xù)采用FinFET結(jié)構(gòu)，直到2納米制程方采用GAA結(jié)構(gòu)。

 

GAA結(jié)構(gòu)的效能較FinEET結(jié)構(gòu)佳，臺(tái)積電在3納米沒(méi)有直接使用GAA，主要的原因可能是保守的策略，確保3納米能在2022年量產(chǎn)。

 

三星電子是一家資源豐碩，企圖心高，執(zhí)行力強(qiáng)的超級(jí)公司，盡管臺(tái)積電在上半場(chǎng)，表現(xiàn)優(yōu)異甩開(kāi)三星電子的追擊。三星來(lái)勢(shì)洶洶，企圖搶走臺(tái)積電晶圓代工龍頭的寶座，臺(tái)積電必須步步為營(yíng)方能保持戰(zhàn)果。