六大芯片製造廠的製程工藝演進之路_風聞

當下，半導體制造業發展得如火如荼，特別是以台積電為代表的晶圓代工業，在對更先進製程工藝的不斷追求下，使得產業鏈上的相關企業備受關注，也拉動着產業投資。

10nm、7nm、7nm+，以及明年就將試產的5nm等，先進製程發展到目前階段，已經進入了緩慢發展期。這些製程與當年作為最具經濟效益，且被看作是先進製程分界點的28nm相比，玩兒家越來越少，看客越來越多。因此，它們的演進過程值得回味。

從製程工藝節點演變角度來看，28nm及以上相對成熟製程，憑藉高性價比依然擁有較大的市場規模，存量上基本保持不變或輕微下降，但是由於28nm及更先進製程的市場規模逐漸擴大，成熟製程的市場佔比會不斷下降。總的來説，目前代工市場還是主要以成熟製程為主，先進製程佔比不斷提高。2018年，28nm及更先進製程市場佔比45%左右，預計到2021年可以達到56%。

而從芯片製造廠商角度來看，目前，28nm及更先進製程的玩家也只有6家了，它們分別是純晶圓代工廠台積電、格芯、聯電和中芯國際，以及IDM大廠三星和英特爾。

下面，我們就針對這6家芯片製造大廠的製程工藝演進情況做一下梳理。

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台積電在晶圓代工領域，無論是製程技術覆蓋範圍、先進製程領導力，還是營收水平等，台積電都是行業老大。該公司排名一直位列行業第一，目前的市佔率已經接近60%。而在製程技術種類方面，2017年，台積電就以258種製程技術，為465個客户生產了9920種芯片。工廠方面，該公司擁有三座12英寸超大晶圓廠，分別是晶圓12廠、晶圓14廠和晶圓15廠，此外，其在中國大陸和台灣地區還在新建工廠，以滿足客户對更先進製程工藝的需求。

下面看一下台積電各種製程工藝的演進情況。

2003年，該公司推出了當時業界領先的0.13μm低介質銅導線邏輯製程技術，也就是從那時開始，台積電開始大幅領先於聯電（UMC）。

2004年，台積電成為第一家採用浸沒式光刻工藝生產90nm芯片的廠商。

2005年，台積電開始風險試產65nm產品；2008年，使用40nm製程工藝為多個客户大規模生產芯片；2011年，全球首家推出28nm通用工藝技術。

由於台積電在業內率先實現了28nm的量產，使其長期霸佔28nm市場佔有率的第一名，高通驍龍800採用了台積電的28nm HPM HKMG標準制程，高通MSM8960和聯發科四核芯片MT6589T芯片使用的則是28nm LP工藝。

2014年，台積電成為全球首家採用其獨創的雙模式20nm技術量產芯片的公司；2015年，開始量產16nm FinFET製程；2017年，開始大規模出貨10nm FinFET製程，並開始風險試產7nm FinFET製程，並於2018年實現量產；2019年，開始量產7nm+（EUV版的7nm）。

2020年將風險試產5nm製程。此外，該公司已經開始建設3nm製程工藝晶圓廠，並有望於2022年實現量產。

在製程工藝演進方面，台積電有一大特點，那就是每一代製程的推出間隔時間逐步拉長，例如：其45nm到28nm之間相隔9個季度，28nm到16nm之間相隔11個季度，16nm到 10nm之間相隔12個季度。但是，從65nm以後的歷次新制程產能推進情況來看，新制程量產後的擴產和替代速度正在迅速加快，例如：40nm/45nm製程的產能佔比從0提升到20%耗時9個季度，28nm耗時7個季度，16nm製程耗時5個季度，而10nm只耗時 3個季度。

**通過以上這些現象可以看出：**一、高端大客户對於更高性能、更低功耗的先進製程產品的需求迫切；二、反映出台積電的研發能力和生產經驗在不斷增強，對新產能的良率控制和產能推進越來越得心應手。

圖：台積電在2009~2017年間先進製程的迭代速度逐年加快

台積電的盈利能力很強，下面就以人們非常關注的中芯國際為對象，做一下簡單的對比。以2017年第四季度的台積電和中芯國際的營收結構和毛利率為例，先進製程（28nm及以下）為台積電帶來的營收佔總營收比重為63%，而中芯國際的先進製程營收佔比僅為11%，該季度台積電毛利率為50.5%，而中芯國際毛利率為19%。台積電2017年Q4營收為94.37億美元，晶圓出貨量為607.28萬片8英寸約當晶圓，綜合單價為1554美元/片。中芯國際同期營收為7.87億美元，晶圓出貨量為112.48萬片8英寸約當晶圓，綜合單價為 700美元/片。二者產品均價相差超過一倍，毛利率相差近2.5倍，先進製程具有的產品價值和利潤空間可見一斑。

三星三星於2005年成立了晶圓代工業務部門，並於2017年開始將其獨立出來經營，獨立的主要目的就是為了加強在全球晶圓代工市場的競爭力，以求拉近與台積電的距離。

下面看一下三星晶圓代工業務在先進製程方面的演進情況。

2016年初，三星第二代14nm FinFET開始量產；2016年10月，該公司第一代10nm FinFETLPE製程大批量生產；2017年4月，第二代10nm FinFET工藝技術10LPP通過認證；2017年10月，8nm FinFET工藝技術8LPP通過認證；2017年11月，第二代10nm FinFET工藝技術量產；2019年，7nm+製程實現量產。

最近兩年，三星與台積電在10nm製程工藝競爭較為激烈。台積電在2017年Q2開始為蘋果量產10nm的A11處理器，並於2018年開始量產7nm製程，三星也開始進行10nm投片，但跳過了採用浸潤式光刻技術的7nm，直接推出採用EUV光刻技術的7nm。總體而言，台積電在10nm和7nm製程上有領先優勢。

在工廠方面，三星從2005年開始進入12英寸晶圓代工領域，目前，該公司的晶圓代工專屬線有4條，包括3條12英寸和一條8英寸線。12英寸晶圓代工線分佈在韓國和美國，主要針對高端工藝，包括65nm、45nm、32nm /28nm HKMG、14nm FinFET工藝，客户包括蘋果、高通、AMD、XILINX、NVIDIA等。8英寸晶圓代工線於2016年開放，從180nm到65nm製程節點都已經涵蓋，工藝技術包括嵌入式閃存(eFlash)、功率器件、CMOS圖像傳感器CIS，以及高壓制程的生產。

格芯格芯（Global Foundries）制定了兩條工藝路線圖：對於FinFET，該公司有14LPP（14nm FinFET技術）和12LPP；對於FD-SOI，格芯在產的是22FDX，當客户需要時，還可以生產12FDX芯片。

格芯14LPP主要用於製造計算、互聯網、移動、服務器市場的低功耗SoC；28nm及FDX系列工藝主要用於中低端處理器；22FDX-RFA技術主要應用於射頻領域；180nm和55nm等成熟工藝主要應用於模擬芯片，以及電源管理芯片等領域。

聯電聯電於2003年開始試產90nm芯片，並於2004年通過驗證並實現量產；2005年，該公司推出了65nm芯片；2006年產出第一片45nm芯片；2008年，推出業界第一個代工的28nm製程SRAM芯片；2009年出產了40nm芯片；2011年，開始試產28nm芯片，並於2014年量產；2017年，量產14nm芯片。

2013年，聯電還成功開發出了28nm的PolySiON製程技術，並通過客户產品驗證逐步導入量產。2014年，成功開發出28nm的HKMG製程技術，並通過先期客户產品驗證逐步導入量產。2015年，成功開發出28nm高效能精簡型（HPC+）製程技術，可提供更低的漏電流，從而降低功耗。

中芯國際2000年成立的中芯國際，於2001年在上海投產8英寸廠，並於2005年實現90nm試產；2009年實現65nm量產；2011年，55nm量產，且40nm驗證成功，2012年，40nm量產；2015年Q2，開始量產28nm。

中芯國際的28nm有3種製程，分別是PolySiON，HKMG和HKC。該公司的28nm技術現已成功進入多項目晶圓(MPW)和量產階段，並提出了發展三階段概念：第一階段的PolySiON製程已經量產，第二階段HKMG製程已經在2017年第2季開始產出，而第三階段是HKC製程，在2018年量產。

自28nm量產以後，中芯國際在該製程節點處的發展就遇到了一系列的困難。對此，該公司CEO趙海軍曾經表示：“對28nm擴產持謹慎態度”。而中芯國際在2018年投入量產的主要新制程是第二階段的28nm HKMG（中芯國際稱之為HKC）。而28nm Poly/SiON和HKMG都已經是對手的成熟製程，價格方面的壓力基本相當，因此，28nm HKMG的擴產從盈利能力的角度來看，帶來的貢獻有限。因此，該公司暫時放緩了盈利艱難的28nm，暫時通過成熟製程穩固業績，為14nm在2019年的量產做好充足準備。

成熟工藝方面，55nm/65nm和0.15μm/0.18μm兩大製程平台放量，預計對應該公司的NOR和PMIC兩大關鍵平台。此外，中芯國際擁有中國大陸地區最大的8英寸晶圓產能，成熟製程平台和定製化應用的火熱程度使其8英寸線產能利用率保持高位，對該公司業績也有進一步拉動作用。

目前，14nm FinFET製程技術是中芯國際的重中之重，因為從14nm節點起，集成電路中的場效應管結構從2D轉變為3D。雖然目前先進製程的劃分依然以28nm為界，但從晶圓代工廠商的競爭格局來看，14nm FinFET技術才是主流大廠與中小廠商的分野所在。因此，14nm FinFET技術的突破對於中芯國際來説有着里程碑意義。

英特爾從1971年，採用10μm製程工藝生產出全球首個微處理器4004，一直到2019年實現10nm處理器量產，英特爾近50年的半導體制程工藝發展之路堪稱史上之最。

在製程工藝技術方面，英特爾一向以要求嚴苛而聞名，也正是因為如此，使其在商業化製程方面落在了台積電和三星的後面。但是，由於英特爾並不是專做晶圓代工的企業，其在該領域的產能和市場佔有率都比較低。工廠主要還是用於生產自家的處理器和存儲器芯片。

Intel旗下的晶圓廠非常多，該公司70%的處理器及芯片組晶圓都產自美國的晶圓廠，包括亞利桑那州、俄勒岡州、新墨西哥州、馬薩諸州，其中馬薩諸州是英特爾目前唯一、也是最後一座8英寸晶圓廠了。該公司的14nm製程工藝主要在美國亞利桑那州及俄勒岡的D1X晶圓廠生產。美國本土以外的14nm晶圓廠主要是愛爾蘭的Fab 24，還在升級14nm工藝中。

該公司在中國大連、成都還有兩座晶圓廠，不過，製程工藝還是以90nm和65nm為主。

在發展晶圓代工業務方面，英特爾有可能會引入戰略投資者。在未來的7nm及5nm、3nm等技術的投資越來越大，引入戰略投資者有助於分擔風險。