ВЫБОР РЕДАКЦИИ

Краткий обзор деятельности ведущих кремниевых заводов

Siemens приобретает Avatar из-за ПО размещения и трассировки

Эксперты TSMC – о перспективах 2020 г.

Перспективы и проблемы развития рынка мощных SiC-приборов

Состояние и планы развития ведущих кремниевых заводов

Состояние и планы развития ведущих кремниевых заводов

IMEC разрабатывает процесс интеграции 2D-материалов на 300-мм пластинах

Будущее ДОЗУ

Литография: восходящее формирование рисунка

Пять тенденций, меняющих микроэлектронику

Перспективы рынка и технологий корпусирования ИС

Нарастание проблем при масштабировании схем памяти

Материалы ISSCC‑2021: чиплеты

Некоторые аспекты развития 3D‑флэш-памяти NAND-типа

Динамическая флэш-память от Unisantis Electronics

FanFET – новая транзисторная структура для 3D-флэш-памяти NAND-типа

Материалы 66-й международной конференции по электронным приборам

Материалы 66-й международной конференции по электронным приборам

Изменения в индустрии кремниевых заводов

Изменения в индустрии кремниевых заводов

Выпуск 10(6734) от 20 мая 2021 г.
РУБРИКА: ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ БАЗА

В полупроводниковой промышленности назревают очередные изменения – ​на этот раз с точки зрения развития производственной базы. Корпорация Intel, пытаясь сохраниться в качестве крупнейшего производителя полупроводниковых приборов и увеличить свою конкурентоспособность, решила использовать модель кремниевого завода. В то же время TSMC и Samsung не собираются без боя сдавать завоеванные позиции.

В марте 2021 г. корпорация Intel вновь вышла на рынок услуг кремниевых заводов. Про этом она позиционирует себя и как соперник корпораций Samsung и TSMC в области новейших технологий с минимальными проектными нормами, и как конкурент множеству кремниевых заводов, использующих более зрелые технологические процессы. Объявлено о планах построить два новых завода по обработке 300-мм пластин с общим бюджетом капитальных расходов в 20 млрд долл.

В апреле 2021 г. корпорация TSMC увеличила свой бюджет капитальных расходов на 2 млрд долл. – ​до 30 млрд. В общей сложности в течение следующих трех лет планируется потратить 100 млрд долл. TSMC, как и Samsung и другие кремниевые заводы, также строит новые мощности по обработке пластин. Это напоминает события более чем десятилетней давности, когда кремниевые заводы участвовали в гонке капиталовложений, производственных мощностей и технологий, пытаясь занять лидирующие позиции. Сейчас, как и тогда, неясно, смогут ли все участники реализовать свои текущие намерения на фоне технических проблем и рыночной неопределенности.

Рынок услуг кремниевых заводов – ​это большой, но фрагментированный бизнес, где около двух десятков поставщиков конкурируют в нескольких технологических сегментах. Особенно динамично развивается сегмент передовых технологий: кремниевые заводы производят самые современные в мире ИС, такие как вентильные матрицы, программируемые пользователем (FPGA), и процессоры. Десять лет назад существовало с полдюжины передовых кремниевых заводов. Но по мере того, как затраты на производство и технологии со временем росли, этот сегмент сужался. Сегодня единственными производителями, способными изготавливать ИС с проектными нормами 7 и 5 нм (и ведущими НИОКР в области 3‑нм технологических процессов), являются Samsung и TSMC.

Потребители желают видеть на рынке больше фирм с новейшими технологическими процессами, предоставляющих больше вариантов решений по конкурентоспособным ценам. Особенно сегодня, когда высокий спрос в некоторых секторах привел к дефициту предложения. Цены на обработанные пластины растут при переходе на каждый технологический уровень с меньшими проектными нормами. Ухудшают ситуацию обостряющиеся противоречия между США и КНР, затрагивающие Тайвань, где сейчас находится большая часть мощностей под передовые технологические процессы.

Возвращение Intel на рынок кремниевых заводов способно облегчить ситуацию, но есть и проблемы. Корпорация в 2010 г. уже выходила на этот рынок, однако, не удержавшись, ушла с него восемь лет спустя. Примерно в это же время Intel также столкнулась с задержками в освоении 10‑нм процесса, в результате чего уступила технологическое лидерство корпорациям TSMC и Samsung.

Сегодня, с новым руководством, Intel намерена ликвидировать технологический отрыв от конкурентов и стать более конкурентоспособным поставщиком услуг кремниевого завода. По словам аналитиков, новое автономное подразделение корпорации, использующее модель кремниевого завода – ​Intel Foundry Services (IFS), – ​будет предлагать заказчикам 22‑нм технологический процесс и, возможно, 14‑нм процесс. Затем дойдет очередь и до 7‑нм процесса, но не раньше 2023 г.

При этом TSMC продолжает строить заводы по обработке пластин на Тайване, а также в США, где (возможно, с частичной финансовой поддержкой правительства страны) в 2024 г. планируется открыть крупный завод по изготовлению 5‑нм ИС.

Планируют строить новые мощности и другие кремниевые заводы, включая Samsung. Надо отметить, что, хотя Samsung и оспаривает в последнее время статус крупнейшего традиционного изготовителя ИС (IDM) у Intel, она уже более 15 лет имеет в своей корпоративной структуре автономное подразделение Samsung Foundry (сейчас Intel формирует IFC по его примеру, в отличие от 2010–2017 гг., когда она оказывала услуги кремниевого завода на свободных мощностях только фирмам, лицензировавшим ее технологии).

Примечательным явлением в бизнесе кремниевых заводов стал их выход в сектор услуг с использованием перспективных методик корпусирования. В целом же рынок услуг кремниевых заводов, как ожидается, в 2021 г. увеличится на 11 % (рис. 1).



Источник: TrendForce

Рисунок 1. Структура доходов кремниевых заводов в 2020–2021 гг.


Развитие сектора кремниевых заводов

В течение многих лет кремниевые заводы предоставляли услуги контрактного производства в таких секторах, как аналоговые приборы, КМОП-формирователи сигналов изображения, приборы на составных (сложных) полупроводниковых материалах, логические приборы, MEMS и радиоприборы. Для каждого из этих секторов кремниевые заводы разрабатывают специализированные технологические процессы. Крупнейшие поставщики, такие как GlobalFoundries, Samsung, SMIC, TSMC и UMC, действуют во многих технологических сегментах. Большинство же кремниевых заводов специализируются в одной или нескольких областях.

Индустрия «чистых» кремниевых заводов возникла в 1987 г., когда TSMC, еще никому не известная фирма, предложила услуги по контрактному производству ИС для сторонних компаний. Вскоре появились и другие кремниевые заводы. В то время большинство поставщиков ИС были интегрированными производителями, превосходившими по технологическому уровню кремниевые заводы, и изготавливали ИС на собственных заводах по обработке пластин.

По мере масштабирования ИС, в соответствии с т. н. законом Мура, на каждом новом технологическом поколении размеры транзисторов уменьшались в 0,7 раза, что позволяло повышать производительность на 40 % при той же потребляемой мощности и сокращать площадь кристалла ИС на 50 %. Кроме того, производители ИС могли размещать в приборе больше транзисторов и создавать новые электронные продукты с бóльшим числом функций при меньших затратах.

В 2001 г. 18 производителей ИС с заводами по обработке пластин обладали передовой на тот момент 130‑нм технологией. В то же время несколько кремниевых заводов производили ИС для недавно возникших fabless-фирм по более зрелым процессам.

К 2010 г. стоимость производственных мощностей, разработки новых технологических процессов и проектирования ИС увеличились настолько, что многие IDM оказались не в состоянии позволить себе такие расходы. Многие из них или перешли на модель fab-lite или превратились в fabless-фирмы, некоторые покинули бизнес в области полупроводниковых приборов.

Следующим крупным рубежом стало освоение 20‑нм технологического уровня, когда традиционные планарные транзисторы перестали отвечать ужесточающимся требованиям разработчиков и производителей конечных электронных систем. Поэтому Intel в 2011 г., на уровне 22‑нм процесса, представила новую транзисторную архитектуру – ​FinFET (рис. 2). Кремниевые заводы представили 16/14‑нм FinFET три года спустя. Планарные транзисторы по-прежнему используются в ИС с проектными нормами 22 нм и выше.



Источник: Lam Research

Рисунок 2. Сопоставление архитектур планарного и FinFET-транзисторов


FinFET обеспечивают лучшую производительность и меньший статический ток утечки, чем планарные транзисторы, однако в силу трехмерной конструкции их также труднее производить и масштабировать на каждом новом технологическом уровне с меньшими проектными нормами. Из-за этого резко возросли затраты на НИОКР в области технологических процессов. Цикл перехода на новый технологический уровень увеличился с 18 месяцев до 30 и более.

Тем не менее с появлением FinFET корпорация Intel расширила свое лидерство на рынке микропроцессоров и технологических процессов. Стремясь использовать эту технологию на новых рынках, Intel в 2010–2011 гг. вышла на рынок услуг кремниевых заводов и добилась некоторого успеха. В то время она изготавливала на основе своего 22‑нм FinFET-процесса FPGA для различных производителей, а позже, после поглощения в 2015 г. компании Altera, выпустила 14‑нм ПЛИС Altera. Доля Intel на рынке услуг кремниевых заводов была крошечной, однако корпорация представляла реальную угрозу из-за своего технологического лидерства. Положение изменилось в 2016 г. – ​тогда Intel впервые представила свой 10‑нм FinFET-процесс, но столкнулась с задержками при его освоении и отгрузила первые ИС только в 2019-м, на два с лишним года позже, чем ожидалось.

При этом в 2018 г. TSMC представила первый в мире 7‑нм FinFET-процесс, за ней последовала корпорация Samsung, – ​т. е. эти кремниевые заводы стали предоставлять 7‑нм, а теперь и 5‑нм ИС конкурентам Intel. Таким образом, конкуренты Intel внезапно получили преимущество в области технологических процессов (заметим, что 10‑нм процесс Intel эквивалентен 7‑нм процессам кремниевых заводов).

2018 г. стал поворотным и по другим причинам. Затраты на производство ИС продолжали расти, но отдача от масштабирования снижалась. Из-за этого GlobalFoundries и UMC прекратили свои разработки процессов с проектными нормами 7 нм и менее, ограничившись технологическим уровнем 16/14 нм и выше. Примерно в это же время корпорация Intel вышла из бизнеса кремниевых заводов. Причина неудачи – ​недостаточная ориентация на обслуживание клиентов.


Что будет делать Intel?

Сегодня рынок услуг кремниевых заводов столкнулся с новыми вызовами. Например, начиная с 2021 г. наблюдается дефицит ИС для автомобильной электроники, касающийся в основном приборов, производимых по зрелым технологиям на 200-мм и 300-мм пластинах. В настоящее время мощности по обработке 200-мм пластин загружены полностью, кремниевые заводы в третий раз с III кв. 2020 г. повысили цены на пластины. Fabless-фирмы ведут переговоры с кремниевыми заводами о размещении заказов на 2022 г.

В области новейших процессов картина неоднозначна. С III кв. 2020 г. нет дефицита 7- и 5‑нм мощностей, и с тех пор корпорация Apple расширила заказы на пластины, обработанные по 5‑нм проектным нормам, не снижая использования 7‑нм мощностей. Существует дефицит 8‑нм мощностей у корпорации Samsung, что осложняет положение ее заказчиков, корпораций nVidia и Qualcomm.

Противоречия между США и Китаем не показывают признаков ослабления, остается напряженной ситуация в Азиатско-Тихоокеанском регионе, особенно на Тайване, который Китай считает своей частью и в один прекрасный день надеется присоединить.

Эти и другие факторы побудили многих изготовителей электроники пересмотреть цепочки поставок ИС. По данным Ассоциации полупроводниковой промышленности США (SIA), все мощности TSMC по обработке пластин, на которые приходится до 92 % производства ИС по технологиям с минимальными проектными нормами, расположены на Тайване. Поэтому SIA призывает американское правительство финансировать развитие современных заводов по обработке пластин на территории США.

TSMC намерена сохранить большинство своих мощностей на Тайване. В 2020 г. были первые две очереди нового производственного комплекса в Тайнане (Fab 18) – ​там уже осуществляется серийное производство. Объекты 3–6 очередей находятся в стадии сооружения. 1–3 очереди предназначены для производства 5‑нм ИС, а 4–6 очереди – ​для 3‑нм ИС.

Недавно корпорация объявила о планах построить завод среднего размера по производству 5‑нм ИС в штате Аризона, открытие запланировано на 2024 г. Есть сведения о том, что TSMC собирается расширить масштабы проекта до «гигафабрики». Корпорация Samsung также планирует построить новый завод по обработке пластин в США.

В этих условиях Intel видит возможность возвращения на рынок кремниевых заводов путем создания автономного подразделения (IFS), оказывающего услуги контрактного производства и решающего проблемы с цепочками поставок Intel в Европе и США. Отмечается, что цифровизация каждой отрасли стремительно повышает мировой спрос на полупроводниковые приборы, а Intel занимает уникальную позицию, позволяющую удовлетворять этот растущий спрос, обеспечивая устойчивые и безопасные поставки ИС. Корпорация планирует производить большую часть ИС на собственных мощностях, а также предоставлять услуги кремниевого завода. Для этого будут использоваться существующие мощности, кроме того, в планах – ​два новых завода по обработке пластин в Аризоне стоимостью 20 млрд долл. Правда, несмотря на развитие собственного бизнеса услуг контрактного производства, часть производства ИС как по зрелым, так и по перспективным технологическим процессам будет по-прежнему передаваться на аутсорсинг конкурентоспособным кремниевым заводам.

В рамках IFS Intel намерена предлагать 22‑нм FinFET-процесс и передовые методики корпусирования. Возможно, что существующий 14‑нм и разрабатываемый 7‑нм процессы Intel также войдут в портфель IFS. Процесс с 22‑нм проектными нормами – ​это расширение 28‑нм процесса, внедренное более 10 лет назад. Тем не менее и 28‑нм планарный процесс – ​это большой рынок, охватывающий такие конечные применения, как искусственный интеллект, Интернет вещей и краевые вычисления, радиоприборы и носимая электроника. С одной стороны, 22‑нм процесс обеспечивает большую производительность, чем 28‑нм, а с другой – ​дешевле 14‑нм процесса. При этом 22‑нм технологический уровень представляет собой переполненный рынок, где конкурируют кремниевые заводы с различными решениями. Так, TSMC и UMC предлагают 22‑нм монолитный планарный процесс, а GlobalFoundries – ​22‑нм процесс на основе полностью обедненного «кремния-на-изоляторе» (fully depleted silicon-on-insulator, FD-SOI).

Отмечается, что 22‑нм и 28‑нм процессы часто предназначены для одних и тех же применений, например автомобильной электроники, которая охватывает широкий спектр технологических процессов – ​от 0,35-мкм дискретных МОП-транзисторов до 28/22‑нм ИС для ADAS, управления корпусной электроникой и шасси, информационно-развлекательных систем и Wi-Fi.

Специалисты Intel отмечают, что 14‑нм процесс корпорации, возможно, является самым зрелым в ее истории, что делает его высокорентабельным. Потенциальные клиенты 14‑нм процессов – ​заказчики, использующие кремниевые заводы для производства ИС с проектными нормами от 16 до 65 нм. По данным Gartner, доходы в этом секторе контрактного производства ИС в 2020 г. составили 35 млрд долл., или 46 % от общих доходов кремниевых заводов.

Что касается разрабатываемых 7/5‑нм процессов, то для них потребуется освоение EUV-литографии с использованием предельной УФ-области спектра (extreme ultraviolet lithography; длина волны излучения EUV-степперов – ​13,5 нм).


Войны в области новейших технологических процессов

Отмечается, что спрос на 5‑нм ИС по-прежнему высок, что обусловлено приложениями для смартфонов и высокопроизводительных вычислений (HPC). Корпорации TSMC этот технологический уровень в 2021 г. обеспечит около 20 % дохода от обработки пластин.

Однако при снижении проектных норм до 7 нм и ниже статические токи утечки снова становятся проблемой, а преимущества снижения потребляемой мощности и увеличения производительности уменьшаются при переходе на каждый новый технологический уровень. Обостряются такие проблемы масштабирования, как пределы EPE, стоимость и формирование структур с высоким аспектным отношением.

Другая проблема заключается в том, что Samsung и TSMC – ​единственные два поставщика, предлагающие 7/5‑нм процессы. Крупнейший китайский кремниевый завод, SMIC, работает над аналогом 7‑нм процесса, но США блокируют его возможности получать необходимое зарубежное оборудование и САПР. В результате усилия SMIC в области процессов с топологиями 7 нм и менее пока зашли в тупик.

В конечном итоге Intel стремится конкурировать в секторе контрактных услуг по минимальным проектным нормам – ​7 нм и менее (7‑нм процессы Intel эквивалентны 5‑нм процессам Samsung и TSMC). Но вот досада – ​с 7‑нм технологией у Intel не все в порядке. Когда корпорация первоначально работала над 7‑нм процессами, она отказалась от использования EUV-литографии в пользу традиционной 193‑нм оптической литографии в сочетании с методикой многократного формирования рисунка. Это привело к проблемам с совмещением и плотностью дефектов и, как следствие, к задержке разработки 7‑нм процесса. Теперь, когда Intel осваивает достаточно отработанную технологию EUV-литографии, появилась возможность формировать с ее помощью большее число слоев, что упростило процесс и вернуло развитие технологий корпорации в нужное русло. Сейчас Intel планирует выпустить опытные 7‑нм ИС в 2021 г. и начать их серийное производство в I половине 2023-го.

Тем не менее Intel пока отстает от Samsung и TSMC, освоивших 7‑нм процессы с помощью EUV-литографии два-три года назад и уже накопивших опыт работы с этой технологией. Оба поставщика также обладают 5‑нм FinFET-процессами и планируют вскоре освоить 3‑нм процессы: Samsung намерена представить первое поколение 3‑нм ИС на транзисторах с круговыми затворами (GAA) в IV кв. 2022 г.; маршрутная технологическая карта TSMC предусматривает продление использования FinFET до 3‑нм технологического поколения, а затем переход к GAA-транзисторам на уровне 2‑нм проектных норм в 2023–2024 гг.

Хотя Samsung и TSMC переходят к GAA-архитектуре на разных топологиях и на разных проектных нормах отказываются от FinFET, они разрабатывают один тип архитектуры GAA – ​на основе нанолистов (nanosheet FET) (рис. 3).



Источник: Lam Research

Рисунок 3. Архитектуры планарного, FinFET-транзисторов и транзистора с круговым затвором


Intel также разрабатывает нанолистовые FET – ​возможно, для своего 5‑нм технологического поколения. Когда появится 5‑нм процесс Intel, неясно, хотя и сомнительно, что компания в ближайшее время преодолеет технологический отрыв от конкурентов. Учитывая, что совокупные расходы Samsung и TSMC превышают 50 млрд долл. ежегодно, по крайней мере в течение ближайших трех лет, любой корпорации будет чрезвычайно трудно догнать этих двух лидеров в области передовых технологий логических процессов.


Соперничество в области перспективных методик корпусирования

Intel может сократить технологический отрыв и другими способами. Как правило, при совершенствовании процесса разрабатывается специализированная ИС (ASIC) с использованием масштабирования кристаллов или ядер для размещения различных функций на одном монолитном кристалле. Но масштабирование при переходе к каждому новому технологическому поколению становится все сложнее и дороже, а его преимущества в отношении потребляемой мощности и производительности сужаются.

Поэтому клиенты ищут альтернативы. Жизнеспособным способом развития проектирования на системном уровне является сборка сложных кристаллов в перспективные корпуса или модули, что позволяет использовать максимально подстроенные под требования заказчика ускорители, различные типы обрабатывающих элементов и разные стратегии межсоединений.

Поставщики IC, кремниевые заводы и фирмы, специализирующиеся на аутсорсинговых услугах по сборке и тестированию полупроводниковых приборов (OSAT), в той или иной форме работают над перспективными методиками корпусирования. Например, корпорация Intel работает над чиплетной стратегией создания серверного процессора Sapphire Rapids, в котором используются кристаллы как с 10‑нм, так и с другими проектными нормами. Появление этого прибора ожидается в 2022 г.


LaPedus Mark. Foundry Wars Begin. Semiconductor Engineering, April 19, 2021: https://semiengineering.com/foundry-wars-begin/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 23(6747) от 25 ноября 2021 г. г.