В настоящее время производственная база микроэлектроники демонстрирует разнонаправленные тенденции. С одной стороны, идет освоение новых технологических процессов, характеризующихся все меньшими топологическими нормами, что приводит к сооружению новых, все более дорогостоящих производств по обработке 300-мм пластин. С другой стороны, возрождается интерес к 200-мм пластинам. Сформированные на них чипы востребованы в применениях, не требующих новейших ИС – ​например, в Интернете вещей, электромобилях и т. д.

Мировые лидеры по установленному оборудованию обработки пластин

Корпорация IC Insights недавно опубликовала новое исследование – ​Global Wafer Capacity 2020–2024 report, – ​в котором проводится детальный анализ современного состояния и перспектив развития производственной базы микроэлектроники. Мощности даются в разбивке по диаметру обрабатываемых пластин, применяемым технологическим процессам (с учетом топологических норм), типам производимой продукции и географическому размещению.

В исследовании также представлен рейтинг 25 крупнейших фирм с точки зрения установленных мощностей по обработке пластин (месячная обработка в натуральном выражении по состоянию на декабрь 2019 г.) в пересчете на эквивалент 200-мм структур. У пяти мировых лидеров мощность превышает 1 млн пластин, начатых обработкой, в месяц (табл. 1). По состоянию на конец 2019 г. на них в совокупности приходится 55% установленных мощностей. В 2009 г. этот показатель для пяти лидирующих полупроводниковых фирм составлял 36%. Мощности других ведущих поставщиков полупроводниковых приборов за пределами пятерки, таких как Intel (817 тыс. пластин в месяц), UMC (753 тыс. пластин в месяц), GlobalFoundries, Texas Instruments и STMicroelectronics, быстро падают.

Таблица 1

Лидеры по объему установленных мощностей по обработке пластин (в пересчете на эквивалент 200-м структур)

* Включая доли в совместных предприятиях SSMC и VIS.

** Включая долю в СП IM Flash в 2018 г.

Относительно указанных фирм IC Insights приводит еще ряд данных.

По состоянию на декабрь 2019 г. Samsung обладала самой большой базой установленного оборудования по обработке пластин, что соответствовало 15% мирового парка. Около двух третей обрабатываемых пластин использовалось для изготовления ДОЗУ и флэш-памяти NAND-типа. Основные проекты сооружения новых заводов по обработке пластин реализуются на территориях существующих производственных комплексов в Хвасоне, Пхентхэке (Южная Корея) и Сиане (КНР).

Крупнейший в мире «чистый» кремниевый завод TSMC осуществляет строительство новых мощностей (Fab 15, этапы 9/10 сооружения) в Тайчжуне (Тайвань) и нового завода (Fab 18) рядом с производственным комплексом Fab 14 в Тайнане (Тайвань).

Для корпорации Micron основным событием 2019 г. с точки зрения производственных мощностей стало открытие нового завода по обработке 300-мм пластин в Сингапуре. Также была выкуплена доля корпорации Intel в совместном предприятии в Лихае (шт. Юта). В 2020 г. Micron планирует открыть второй завод в Манассасе (шт. Вирджиния).

Южнокорейская корпорация SK Hynix более 80% обрабатываемых пластин использует для производства ДОЗУ и флэш-памяти NAND-типа. В 2019 г. фирма завершила сооружение новых заводов по обработке пластин M15 (Чхонджу, Южная Корея) и C2F (Уси, КНР). Следующий крупный производственный комплекс (Fab M16) будет построен в Инчхоне (Южная Корея).

Корпорация Kioxia (ранее Toshiba Memory) обладает значительными мощностями по изготовлению флэш-памяти NAND-типа, ее партнером по расширению производственных мощностей и совершенствованию технологических процессов является корпорация Western Digital (Ирвайн, шт. Калифорния). В мощностях Kioxia не учитываются данные Toshiba Electronic Devices.

Крупнейшие пять «чистых» кремниевых заводов – ​TSMC, GlobalFoundries, UMC, SMIC и Powerchip (включая Nexchip) входят в число 12 крупнейших обладателей производственных мощностей. В целом на них в декабре 2019 г. пришлось около 4,8 млн обработанных пластин, что составило примерно 24% общемирового показателя [1].

Освоение новейших технологических процессов

Успех на рынке и распространение ИС во многом зависели от способности производителей и дальше предлагать все больше производительности и функциональности за те же деньги. Снижение удельной стоимости ИС (на функцию или единицу производительности) неизбежно связано с растущим арсеналом технологий и методов обработки пластин, поскольку основные КМОП-процессы достигают своих пределов развития с теоретической, практической и экономической точек зрения.

По данным исследовательской корпорации IC Insights за январь 2020 г., многие поставщики ИС в настоящее время разрабатывают высокопроизводительные микропроцессоры, прикладные процессоры и перспективные логические приборы на основе 10-нм и 7-нм технологий (рис. 1) [2].

Источник: отчеты фирм, IC Insights

Рисунок 1. Маршрутные карты разработки перспективных технологических процессов для серийного производства

Примечание. Знаки «+»/«++» после топологической нормы означают усовершенствованные варианты базовой технологии (с малой потребляемой мощностью или высокой производительностью).

* EUV (extreme ultraviolet) – наиболее коротковолновая часть ультрафиолетовой области спектра. Длина волны излучения EUV-степперов – 13,5 нм.

** FDSOI – полностью обедненный «кремний-на-изоляторе».

*** FinFET – полевой МОП-транзистор с двумя изолированными затворами, созданный на КНИ-подложке. Затвор расположен на двух, трех или четырех сторонах канала или окружает канал, формируя таким образом структуру двойного затвора. Форма области истока и стока на поверхности кремния напоминает спинной плавник рыбы (fin).

Важным фактором освоения новых технологических процессов стало внедрение EUV-литографии. Недавно корпорация Samsung Electronics начала массовое изготовление ИС с использованием EUV-литографии на новой производственной линии V1, предназначенной для выпуска ИС с топологическими нормами 7 нм и менее. Ее сооружение было начато в феврале 2018 г., опытное производство открыто в июле 2019 г. Сейчас здесь делаются современные микросхемы для мобильной техники по 7-нм и 6-нм технологическим процессам, в дальнейшем планируется освоить 3-нм процесс. С пуском V1 число линий Samsung в Южной Корее и США, оказывающих услуги по контрактному производству ИС на пластинах диаметром 200 и 300 мм, достигло шести (табл. 2). Стоит отметить, что если на момент формирования автономного foundry-подразделения Samsung к нему относились только линии техасского комплекса, то сейчас в его распоряжении и линии в Южной Корее.

Таблица 2

Линии Samsung, оказывающие услуги кремниевого завода

К концу 2020 г. суммарные инвестиции в линию V1 достигнут 6 млрд долл., а общий объем производственных мощностей, способных производить ИС с топологиями 7 нм и менее, по сравнению с концом 2019 г. более чем утроится. Совместно с линией S3 линия V1, как ожидается, сыграет важную роль в удовлетворении быстро растущего спроса на услуги кремниевого завода по проектным нормам менее 10 нм. По мере перехода полупроводниковой промышленности к технологиям со все меньшими размерами топологических элементов растет важность освоения EUV-литографии, обеспечивающей масштабирование сложных структур кристаллов ИС на пластинах, и происходит ускорение ее внедрения. Микросхемы, изготовленные при помощи данной технологии, – ​оптимальный выбор для таких применений, как сети и средства связи 5G, искусственный интеллект и автомобильная электроника [3].

Рентабельность ведущих кремниевых заводов

Разнообразие предлагаемых при переходе к меньшим топологическим нормам новых технологических процессов высоко как никогда ранее, что затрудняет их сопоставление. Кроме того, стали регулярно появляться «плюсовые» или производные версии каждого поколения процесса и полуэтапы между основными технологическими уровнями. Например, 14LPP (low power plus) – ​это версия с расширенными параметрами 14-нм процесса изготовления приборов с малой потребляемой мощностью.

В мире кремниевых заводов обладание передовыми производственными мощностями дает явные преимущества. В 2019 г. корпорация TSMC была единственным кремниевым заводом, производящим ИС по 7-нм процессу. Ее валовой доход на одну обработанную пластину значительно увеличился, так как ведущие fabless-фирмы выстроились в очередь за изготовлением их новейших ИС. TSMC стал единственным «чистым» кремниевым заводом, удельная стоимость обработанных пластин которого в 2019 г. увеличилась по сравнению с 2014 г. на 13%, в то время как стоимость пластин GlobalFoundries, UMC и SMIC (наименьшие топологические нормы 12/14 нм) снизилась за указанный период на 2, 14 и 19% соответственно (рис. 2).

Источник: отчеты фирм, IC Insights

Рисунок 2. Динамика стоимости обработанных пластин основных кремниевых заводов, долл.

Помимо кремниевых заводов и производителей логических ИС передовые технологии также применяют поставщики схем памяти, такие как Samsung, Micron, SK Hynix и Kioxia/WD, – ​для изготовления ДОЗУ и флэш-памяти NAND-типа (в том числе 3D). Независимо от типа приборов микроэлектронная промышленность эволюционировала до такой степени, что только очень небольшая группа компаний может разрабатывать передовые технологические процессы и изготавливать по ним ИС. Растущие проблемы проектирования и производства, а также колоссальные затраты разделили мир производителей ИС на «имущих» и «неимущих». Увеличивается степень монополизации рынка, когда крупнейшие и технологически передовые игроки занимают все большую долю, а сокращающееся число «малых сих» довольствуется сжимающимися остатками [2].

Ожидается рост спроса на оборудование и производственные мощности по обработке 200-мм пластин

В ближайшие месяцы возможно возникновение дефицита производственных мощностей и оборудования – ​из-за растущего спроса на них. Долгие годы рынки ИС, производимых на 200-мм пластинах, и оборудования для их обработки были очень крупными. Сейчас заводы по обработке 200-мм пластин представляют собой в основном устаревшие предприятия, производящие ИС по зрелым технологиям с топологическими нормами в диапазоне от 350 нм (0,35 мкм) до 90 нм. Подобных производств в мире около двухсот. Более современные заводы производят ИС на 300-мм пластинах, однако в зависимости от года их запуска и ассортимента продукции на них могут применяться технологии с проектными нормами 65 нм и более, а на самых современных предприятиях – ​технологии с размерами критических элементов 16/14 нм и менее.

Развитие Интернета вещей и ряда других секторов конечного потребления ИС меняет ситуацию. Для подобных применений не нужны сверхсовременные технологии с минимальными топологиями – ​вполне подходят ИС, выпускаемые на 200-мм производствах. Соответственно, в ближайшее время возможно сооружение 10–17 заводов по обработке 200-мм пластин (табл. 3) – ​при том что потребуется решить проблемы с оборудованием для них. Отмечается, что большинство новых производств может появиться в КНР.

Таблица 3

Динамика изменения численности заводов по обработке 200-мм пластин

Сегодня заводы по обработке 200-мм пластин являют собой пеструю картину – ​во многом все определяется коэффициентом использования производственных мощностей. У кремниевых заводов он составляет 80–100%, а у предприятий полного цикла (IDM) – 50–100%. При этом 200-мм линии китайских кремниевых заводов демонстрируют загрузку своих мощностей на уровне более 90%.

Конъюнктура рынка побуждает поставщиков сооружать новые линии по обработке 200-мм пластин, но этому препятствует дефицит оборудования. Действительно, промышленности требуется более 2–3 тыс. новых или модернизированных инструментальных средств, а доступно только 500. Корпорации Lam Research, TEL, Applied Materials и ряд других поставщиков оборудования приступили к производству новых инструментальных средств с целью удовлетворения существующего спроса. Разработку 200-мм инструментальных средств начали и китайские производители. Поставщики бывшего в использовании оборудования также пытаются извлечь выгоды из сложившейся ситуации. Тем не менее пока оборудование для обработки 200-мм пластин трудно найти, или же оно оказывается слишком дорогим.

Спрос на 200-мм оборудование стимулируется не только Интернетом вещей, но и поставщиками мощных полупроводниковых приборов и рынком электромобилей. В настоящее время многие производители SiC-приборов, изготавливающие их на пластинах диаметром 150 мм, пытаются перейти на обработку 200-мм пластин – ​с целью снижения издержек производства (при увеличении диаметра на пластине можно разместить в 1,3–1,8 раза больше кристаллов при тех же проектных нормах, а при одновременном уменьшении топологий этот показатель существенно возрастает). Построить новые 200-мм заводы для изготовления мощных SiC-приборов планируют фирмы Cree, Rohm и STMicroelectronics. Заметим, что мощные SiC-приборы часто используются в различных узлах электромобилей.

Для производства наиболее сложны литографические системы обработки 200-мм пластин. Сейчас их поставляет – ​как новые, так и модернизированные – ​корпорация Nikon и еще несколько фирм. Nikon, в частности, предлагает платформы с длиной волны излучения 365 и 248 нм. Специалисты корпорации считают, что дефицит установок литографии для 200-мм пластин продлится весь 2020 г.

Корпорация Lam Research продолжает производить оборудование осаждения, травления и очистки для заводов по обработке 200-мм пластин. Интересно отметить, что некоторые системы осаждения и удаления резиста выводились на рынок в качестве решений, предназначенных только для 300-мм пластин. Теперь специалисты корпорации предлагают версии этих установок для обработки 200-мм пластин, что, как ожидается, расширит возможности и повысит производительность 200-мм линий.

Также большое значение для заводов по обработке 200-мм пластин имеет контрольно-измерительное и метрологическое оборудование. Здесь, по оценкам отраслевых обозревателей, ситуация легче, так как многие подобные системы не привязаны жестко к диаметру обрабатываемых пластин.

Заключение

Гонка за все меньшими топологиями с точки зрения создания перспективных производств давно превратилась в дорогостоящее занятие, которое под силу только крупнейшим корпорациям. Правда, современные инструментальные средства САПР позволяют проектировать ИС с новейшими технологиями достаточно большому числу fabless-фирм разных размеров, основным фактором успеха для которых становится гарантированный доступ к соответствующим производственным мощностям. В то же время у владельцев зрелых производственных мощностей остается достаточно пространства для маневра – ​за счет развивающихся применений, не требующих использования ИС с минимальными топологиями.

1. Five Semiconductor Companies Hold 53% of Global Wafer Capacity. IC Insights, February 13, 2020: http://www.icinsights.com/news/bulletins/Five-Semiconductor-Companies-Hold‑53-Of-Global-Wafer-Capacity/

2. Revenue per Wafer Rising As Demand Grows for sub‑7nm IC Processes. Design & Reuse, February 20, 2020: https://www.design-reuse.com/news/47566/revenue-per-wafer-rising-as-demand-grows-for-sub‑7nm-ic-processes.html 

3. Samsung Electronics Begins Mass Production at New EUV Manufacturing Line. Semiconductor Digest, February 20, 2020: www.semiconductor-digest.com/2020/02/20/samsung-electronics-begins-mass-production-at-new-euv-manufacturing-line/ 

4. LaPedus Mark. Demand Picks Up For 200mm. Semiconductor Engineering, February 20, 2020: https://semiengineering.com/demand-picks-up-for‑200mm/