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【制造/封测】N+1来了,中芯国际离台积电还有多远?

来源:全球半导体观察    原作者:张明花    

中芯国际的先进制程工艺再获突破。

日前,一站式IP和定制芯片企业芯动科技官方宣布,已完成了全球首个基于中芯国际FinFET N+1先进工艺的芯片流片和测试,所有IP全自主国产,功能一次测试通过。

芯动科技表示,自2019年始,芯动科技在中芯国际N+1工艺尚待成熟的情况下,团队全程攻坚克难,投入数千万元设计优化,率先完成NTO流片。基于N+1制程的首款芯片经过数月多轮测试迭代,助力中芯国际突破N+1工艺良率瓶颈。

从0.18微米到N+1

作为中国大陆技术最先进、规模最大的晶圆代工企业,中芯国际的制程工艺发展一直备受关注。历经20年,其制程工艺从0.18微米技术节点发展至如今的N+1工艺。

2000年,中芯国际在上海浦东开工建设,2001年其上海8英寸生产基地建设完成;2002年,中芯国际实现0.18微米制程的全面技术认证和量产;2003年,中芯国际实现0.35微米-0.13微米制程的技术认证和量产,这标志着其完成技术的初步积累;接着,中芯国际分别于2006年、2009年、2011年实现90纳米、65/55纳米、45/40纳米制程的量产升级。

在2011年40纳米量产之后,中芯国际继续向28纳米制程进发。2015年,中芯国际28纳米制程工艺正式量产,成为中国大陆第一家实现28纳米量产的企业。随后,中芯国际开始攻坚14纳米制程工艺。然而,随着摩尔定律持续发展,资本投入大幅提升叠加技术难度增加,技术升级节奏放缓,中芯国际在14纳米制程工艺研发上步履缓慢。

2017年10月,中芯国际延揽三星及台积电前高管梁孟松来担任联席首席执行官,以进一步加速14纳米制程工艺的研发进程。2019年第四季度,中芯国际终于迎来了14纳米制程工艺量产,这无论对中芯国际还是整个中国集成电路产业而言都是一个喜讯。

中芯国际关键技术节点量产时间,图片来源:中芯国际招股书

在14纳米制程工艺量产的同时,中芯国际亦披露,其第二代FinFET N+1制程工艺已进入了客户导入阶段。如今,中芯国际低调通过客户芯动科技官方新闻稿证实N+1制程工艺成功流片,算是其制程工艺的又一大突破,业界相信其正式量产指日可待。

N+1流片意味着什么?

据中芯国际招股书介绍,N+1第一次采用了SAQP形成fin,SADP形成dummy gate,以达到更小pitch的需求。相比于前代技术,单位面积的晶体管密度大幅提升,同时提供不同的Vt选择,满足不同市场应用的需求。

此前,梁孟松亦曾在财报电话会议上披露,中芯国际N+1制程工艺与14纳米制程工艺相比,性能提升20%、功耗降低57%、逻辑面积缩小63%、SoC面积减少55%。梁孟松还指出,在功率和稳定性方面,N+1制程工艺和7纳米制程工艺非常相似,区别在于性能及成本方面,N+1制程工艺的提升幅度为20%,市场基准的性能提升幅度为35%。

那么,中芯国际N+1制程工艺流片意味着什么?市场调研机构TrendForce集邦咨询指出,在半导体晶圆代工领域中,流片仅是试生产,这次N+1制程工艺流片即芯动科技设计完电路以后先委托中芯国际进行小规模生产(一般是数片到数十片),以供测试用,因此到可大量量产仍有一段努力空间。

成功流片后,目前依然得视生产此芯片时的各环节(薄膜沉积、蚀刻、光刻、清洗、研磨等)产线良率,若能逐步提升,就可接续进行小量量产,以及观察后续在其他N+1设计芯片上的生产良率。

一般而言,单一产品试产完会需要测试评估,再到小量量产通常需要2个季度,即2021年第二季度中芯国际有机会能小量量产此产品;而从小量量产到可大量量产就需视制程技术与相关产品的经验。

此前,中芯国际曾在投资者关系互动平台上披露,N+1制程工艺有望于2020年底小批量试产。若N+1制程工艺真正实现量产,TrendForce集邦咨询表示,相信量产后会对中国大陆广大的内需有所帮助,之后吸引国际客户下单。

与台积电、三星的距离

纵观全球先进制程竞争格局,联电已宣布未来经营策略将着重在成熟制程,不再投资12纳米以下的先进制程,格芯亦于2018年宣布暂缓7纳米制程工艺研发,并将资源转而投入成熟制程服务上,如今仍在持续投资研发先进制程的晶圆代工厂商仅剩下台积电、三星、英特尔以及中芯国际。

虽然中芯国际N+1制程工艺距离量产仍需时间,但我们不妨先将其与台积电、三星等厂商的先进制程做一下对比。按照中芯国际的说法,N+1制程工艺和台积电的7纳米制程工艺非常相似,但却也不是7纳米制程工艺;亦有消息称,N+1制程工艺可对标台积电8纳米制程工艺,但台积电并无正式量产8纳米制程工艺。

因此,TrendForce集邦咨询认为,从现有对外量产的10纳米制程工艺与7纳米制程工艺来观察,中芯国际的N+2制程工艺才有机会对应到台积电的7纳米制程工艺,保守来看N+1制程工艺应该只能对应到台积电的10纳米制程工艺,与三星10纳米制程工艺相近。

目前,全球最先进的量产制程工艺已来到7纳米至5纳米,主要厂商为台积电和三星,英特尔因着重晶体管密度设计及自家产品研发,宣布其7纳米制程将递延半年至2022年推出。

台积电方面,7纳米制程工艺已成为营收主力。根据其最新发布的第三季度财报,台积电7纳米制程工艺营收占比35%;此外,台积电的5纳米制程工艺已在今年第二季度规模量产Apple A14芯片,第三季财报显示其5纳米制程工艺已贡献8%的营收占比。

据悉,目前台积电4纳米制程工艺正在进行试产。台积电此前在第二季度财报电话会议上表示,4纳米制程工艺是5纳米制程工艺的延伸,将兼容5纳米制程工艺的设计规则,但相较5纳米工艺更有性价比优势,计划在2022年大规模量产。3纳米制程工艺则预计将于2021年风险试产、2022年下半年量产。

三星方面,其在第二季度财报电话会议上表示,5纳米制程工艺已于今年第二季度量产,预计下半年开始拓展客户并正式投入大量生产。据悉,三星5纳米制程工艺自第三季度起将进一步扩大产能。

由此可见,即便中芯国际的N+1制程工艺实现量产,其与台积电、三星依然存在明显代差;此外,相较于台积电先进制程已成为营收主力,中芯国际的主要收入来源仍为成熟制程,目前28纳米及以下制程工艺收入占比仍非常小。

无论如何,N+1制程工艺成功流片都是中芯国际在先进制程研发上取得的阶段性突破,从去年14纳米制程工艺量产到现在N+1制程工艺流片,可见其正在加速制程升级,业界期待N+1制程工艺早日实现量产。不过,在追赶国际先进水平方面,中芯国际仍有很长很长的路要走,正所谓道阻且长,但我们相信行之将至。

封面图片来源:SMIC