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国内芯片制造龙头中芯国际与台积电差距到底有多大?

近日美国阻挠荷兰阿斯麦向中国出口全球最先进的EUV光刻机的消息颇受关注,我们知道光刻机是芯片制造的核心设备,这台光刻机是出售给国内芯片制造龙头中芯国际的,这就将国内芯片制造企业推向风口,有些投资者问,半导体设备半导体材料与国际企业存在差距我们了解了,那国内芯片制造企业与国际先进工艺差距多少?今天我们就来看看。
我国芯片制造龙头中芯国际官网近日刊登媒体文章透露,去年第三季度已成功量产14nm FinFET,提前一年完成了国家赋予的重任,目前良品率已经达到95%;12nm工艺已开始客户导入(官方称比14nm功耗降低20%、性能提升10%、错误率降低20%),下一代工艺的研发也已稳步开展。看到这个消息,貌似挺振奋人心的,但其实我国芯片制造产业与国际先进水平依然存在较大的差距,当然国产替代空间也是非常大的。
7nm-28nm先进制程中 国内企业位于第二梯队差距明显
全球芯片制造领域,目前居于行业领先地位的是三星台积电。它们当前已投产全球最先进的7nmEUV工艺,这领先中芯国际14nmFinFET工艺大约两代,由于它们在芯片制造工艺的领先性,华为海思的先进芯片均采用台积电的7nm或7nmEUV工艺生产,这成为中国芯片产业的瓶颈。

台积电成立于1987年,是全球首创专业集成电路制造服务公司,身为专业集成电路制造服务业的开创者和领头羊,它在提供先进的晶圆制程技术与最佳的制造效率上已经享有很高的声誉,自开山创派以来,就持续的以超高、超先进的技术给其客户提供制造服务和TSMC COMPATIBLE设计服务。它有200多种工艺制程,生产超过8800种不同的产品,被广泛用于计算机产品、通信产品、消费类电子产品。

▲台积电先进制程
台积电的芯片制程已经从14nm发展到5nm,并将进入大规模的生产节点。目前,台积电的5nm的良品率已经爬升到50%,按照此进度,预计台积电将在2020年第一季度就能投入大规模量产,初期月产能5万片,随后将逐步增加到7-8万片。
第二阵营、中芯国际、联电、格芯。随着中芯国际在2019年中投产14nmFinFET,中芯国际在先进工艺制程方面已与第二阵营的格芯、联电处于同一水平,与台积电在中国大陆的南京工厂的制造工艺水平相当,代表着中国在芯片制造工艺制程方面取得了重大的进展。
第一梯队台积电2018年就进入了7nm,2019年进入了7nmEUV,今年将进入5nm工艺,三星2019年实现7nm,英特尔还在10nm、第二梯队中芯国际、联电、格芯在14nm,差距还是很明显的。
此外,联电、格芯分别宣布暂停搁置7纳米FinFET项目。格芯表示暂停7纳米项目在裁减相关人员的同时,一大部分顶尖技术人员将被部署到14/12纳米FinFET衍生产品和其他差异化产品的工作上。
中芯国际在2019年从全球最先进的半导体生产设备商阿斯麦(ASML)购买了一台1.2亿美元极紫外(EUV)光刻机,为研发7nm工艺做好充分的准备,而这笔交易受到美国的阻挠,比较不顺,这也将会耽误中芯国际对台积电和三星先进工艺的追赶步伐。
7nm制程以下 抢先攻克物理极限
今年6月,台积电正式官宣6nm工艺,其采用EUV技术,晶体管密度相比7nm提升了18%。同时,该工艺预计在2020年第1季度进入试产阶段。在5nm制程方面,2018年6月,台积电宣布将投资250亿美元研发5nm工艺,并在今年3月进入了风险试产阶段,预计将在明年2月实现量产。
此外,台积电也早把3nm工艺的研发提上日程。今年7月,官方表示3nm制程正处于早期研发阶段,其尺寸将比前一代缩小30%,预计将在2020年实现量产。甚至在2nm工艺节点上,台积电同样布下了局。今年6月,台积电宣布正式启动2nm工艺研发,预计将于2024年投产。三星电子也不甘落后,它在前段时间公布了最新的芯片代工计划路线图,其6nm、5nm和4nm工艺也将接踵而至。
3nm以下 晶体结构将发生改变 国内获突破
Intel首发22nm FinFET工艺之后,全球主要的半导体厂商在22/16/14nm节点开始启用FinFET鳍式晶体管,一直用到现在的7nm,未来5nm、4nm等节点也会使用FinFET晶体管,但由于制造难度越来越大,其中晶体管结构的限制至关重要,3nm及之后的节点就需要采用新的晶体管结构。垂直纳米环栅晶体管是集成电路3纳米及以下技术代的主要候选器件,但其在提高器件性能和可制造性等方面面临着众多挑战。
三星在2018年率先宣布3nm节点改用GAA环绕栅极晶体管。根据官方所说,基于全新的GAA晶体管结构,三星通过使用纳米片设备制造出了MBCFET(Multi-Bridge-Channel FET,多桥-通道场效应管),该技术可以显著增强晶体管性能,主要取代FinFET晶体管技术。此外,MBCFET技术还能兼容现有的FinFET制造工艺的技术及设备,从而加速工艺开发及生产。
2019年12月初,来自中科院的消息称,中国科学家研发了一种新型垂直纳米环栅晶体管,它被视为2nm及以下工艺的主要技术候选,意义重大。中科院微电子所先导中心朱慧珑研究员及其课题组从2016年起针对相关基础器件和关键工艺开展了系统研究,提出并实现了世界上首个具有自对准栅极的叠层垂直纳米环栅晶体管(Vertical Sandwich Gate-All-Around FETs或VSAFETs),获得多项中、美发明专利授权。
总结来看,我国的芯片制造水平与国际先进工艺相比,差距还比较大,其中一方面主要原因在于芯片制造当中最关键设备光刻机受制于人。当国内上海微电子突破14nm工艺时,美国取消了对我国进口14nm光刻机的限制,使得中芯国际获得了14nm工艺的订单,而如今10nm工艺和7nm工艺依然为国内的技术瓶颈。所以,要想我国芯片制造水平达到国际领先地位,还是需要我国在光刻机上下工夫。

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