根據半導體工藝路線圖的演進,40nm的下一代工藝節點應該是32nm,然后是22nm。然而,產業界從40nm向下演進時,中間經過32nm,卻很快跳躍到28nm。是什么導致了這一奇怪的現象?
28nm的性能優勢
當工藝演進到32nm時,我們發現使用基本相同的光刻設備便可以延伸縮小至28nm。在成本幾乎相同的情況下,使用28nm工藝制程無疑可以給產品帶來更加良好的性能優勢。
28nm的性能優勢
目前, 28 納米制程工藝主要分為多晶硅柵+氮氧化硅絕緣層柵極結構工藝( Poly/SiON)和金屬柵極+高介電常數絕緣層( High-k) 柵結構工藝( HKMG)。
Poly/SiON 工藝的優點是成本低、工藝簡單,適合對性能要求不高的手機和移動設備。
HKMG 工藝的優點是大幅減小漏電量,降低晶體管的關鍵尺寸,從而提高性能,但是工藝相對復雜,成本與Poly/SiON 工藝相比較高。
28nm產品產能分布結構
2011年第四季度,臺積電首先實現了28 nm全世代制程工藝的量產。隨后三星于2012年、格羅方德于2013年第四季度、聯電于2014年第二季度、中芯國際于2015年第三季度分別實現28nm工藝的量產。截止2014 年底,臺積電是目前全球28nm市場中的最大企業,它在2014年的銷售收入主要來源于28nm,占其總營收的34% ,占全球28nm代工市場份額的80%,產能達到130000片/月,占整個28nm代工市場產能的62% ;三星、格羅方德、聯電的產能分別達到了30000片/月、40000片/月和12000片/月。
2014年全球28nm工藝產品產能分布結構圖
28nm成為IC工藝制程發展的關鍵節點
推動集成電路產業前進的主要動力之一是光刻工藝尺寸的縮小。目前28nm采用的是193nm的漫液式方法,當尺寸縮小到22/20nm時,傳統的光刻技術已無能為力,必須采用輔助的兩次圖形曝光技術DP。然而這樣會增加掩膜工藝次數,從而致使成本增加和工藝循環周期的擴大。這就造成20/22nm無論從設計還是生產成本上一直無法實現很好的控制,其成本約為28nm工藝成本的1.5-2 倍左右。因此,綜合技術和成本等各方面因素, 28 nm都將成為未來很長一段時間內的關鍵工藝節點。
集成電路投資額估計值
28nm工藝制程市場優勢突出
隨著28nm工藝技術的成熟,28nm工藝產品市場需求量呈現爆發式增長態勢:從2012年的91.3萬片到2014年的294.5萬片,年復合增長率高達79.6%,并且這種高增長態勢將持續到2017年。之后隨著14/16nm工藝技術的逐漸進步,28nm產品的市場需求量將會出現小幅下滑。
全球28nm工藝產品市場年需求量預測(千片)
28nm工藝在應用領域的分布
2015年至2016年,28nm工藝主要應用領域仍然為手機處理器和基帶。2017年之后,28nm工藝雖然在手機領域的應用有所下降,但在其他多個領域的應用則迅速增加,如OTT盒子和智能電視等應用領域市場的增長速度較快。預計2019年至2020年,混合信號產品和圖像傳感器芯片也將會規模采用28nm的工藝。
28nm未來在各應用領域的市場份額預測
28nm工藝技術因其性價比高、應用領域廣泛,預計還將持續4-5年。又因為成本原因, 14/16nm不會迅速成為主流工藝,因此,28nm工藝將會在未來很長一段時向內作為高端主流的工藝節點??紤]到中國物聯網應用領域巨大的市場需求,28nm工藝技術預計在中國將持續很長時間,約為6-7年。