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材料之殇 老司机英特尔折戟7nm的背后

作者:李健时间:2020-07-29来源:EEPW收藏

很多人在谈到中国半导体的问题时,归根结底溯源到了基础科学的落后,特别是半导体材料和基础理论的缺乏,其实这样的问题不止中国半导体有,半导体工艺近20年来绝对领导者英特尔也因为材料问题遇到大麻烦。

本文引用地址:http://www.gzmtlsjy.com/article/202007/416314.htm

英特尔最近有点烦,虽然二季度交出了亮眼的季报,但一条预计会延迟半年以上的消息硬生生让其股价下跌了7%。五六年前还曾在工艺上领先半年的英特尔,为何会在工艺方面如此迅速的落后?据不确切的消息,英特尔折戟很大程度因为新材料的应用中的问题始终无法解决。

先看英特尔交出的财报,英特尔第二季度营收为197.28亿美元,与去年同期的165.05亿美元相比增长20%;净利润为51.05亿美元,与去年同期的41.79亿美元相比增长22%。这要是放在很多公司,得是乐疯了的财务数据啊!英特尔第二季度营收和调整后每股收益以及全年业绩展望均超出华尔街分析师此前预期,但第三季度调整后每股收益展望未达预期,导致其盘后股价大幅下跌逾7%。虽然新冠疫情席卷全球,但英特尔连续两季都实现了非常接近200亿的营收,全年甚至可以展望一下800亿这个无人企及的高度,但不幸的是,工艺问题的迟迟无法解决,让英特尔的股价大幅下滑,相比于今年初的高位,整整下滑了30%,市值跌去了一个AMD9.19PE Ratio从某种角度来说,让英特尔的这一数据接近于传统制造业,而不像个高科技企业该有的样子。(对比参考美国半导体股的PE R 大概在30左右,而中国科创板半导体股平均高达70

相比于投资界只看结果,技术角度我们还是一起分析一下为啥英特尔这个半导体工艺的老司机这次遇到这么大的新问题,硬生生的从之前绝对领先到现在几乎半代以上的工艺落后。一切的原因大概是从当初10nm工艺节点开始的,而问题的核心就是这个“钴”材料。正是钴材料应用的难产,让英特尔从工艺上开始大幅落后,为何要归咎到新材料?因为以英特尔和半导体设备厂之间的密切关系(在很多设备厂商那里,英特尔拥有最高的权限,专门的研发和服务团队,定制化的设备等),加上雄厚的半导体技术研发经验,很难想象他们会在其他方面落后这么多。

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钴这个材料,算得上是普通金属材料中比较特别的一个,元素符号Co,银白色铁磁性金属,在周期表中位于第4周期、第Ⅷ族,原子序数27,钴在地壳中的平均含量为0.001%(质量),主要的工业用途是制造各种合金材料。值得一提的是,钴是维生素B12组成部分,钴元素能刺激人体骨髓的造血系统,促使血红蛋白的合成及红细胞数目的增加,而钴和钴化合物在2B类致癌物清单中。目前大家了解最多的可能是钴60,作为常见的放射性元素用作放疗化疗应用, 最近炒的比较热的一颗就可以摧毁世界的正是基于钴元素的。

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电子传输是半导体芯片工作的物理基础,半导体芯片是靠铜来作为基础导电材料的,铜的电阻率低(金也一样),综合性价比最好。但当工艺下降到10nm以下时,以铜作为导线材料就会出现导电速率不足的问题,这个时候就需要新的材料来替代成熟的铜导电方案,英特尔在这个时候选择了钴这个材料。201712IEEE IEDM会议上,英特尔公司公开了将钴金属应用于10纳米芯片最细连接线的设想,并介绍了用钴代替钨制成的电接触材料设备的性能。当然这个技术并不是英特尔首创的,最早研究这个技术的是半导体设备老大应用材料,他们早就布局研发来了一整套整合钴金属互连工艺解决是针对10纳米/7纳米以下制程的,可以满足加速芯片效能,缩短芯片上市时间的需求。

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相比于铜来说,钴的电阻率是其3倍,但受到电迁移的可能性要小得多。当电子加速穿过超薄线路时,它们会将原子驱赶到金属中,就像是一位急匆匆的行人将另外一个人推到人行道外面一样。为了保护铜互连,需要在纤细的线路中镶嵌其他材料,如氮化钽甚至是钴。英特尔的报告中指出,在10纳米加工技术的两层超薄布线层中使用钴互联,电迁移减少了1/101/5,电阻率是原来的一半。改善后的互连线路将有助于半导体行业克服线路问题,进一步缩小晶体管尺寸。在工艺改进过程中,英特尔公司还曾经将与晶体管栅极接触的钨金属层替换成钴金属层。之前选择用钨是因为钨有弹性且不会有电迁移问题。但是钨的电阻率很高。

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大家可以记住这个时间节点,在2017年的时候,英特尔的14nm工艺和16nm工艺不相上下,而在密度上英特尔表现更好,这个时候英特尔工艺依然有领先优势。这样的重大技术革新,对英特尔这个老司机来说似乎是驾轻就熟的,毕竟过去20年来,几乎所有的半导体工艺的重要革新,英特尔都是第一个尝鲜者,甚至衍生出跟着英特尔走不会有错的论断。比如最早的HKMG材料的应用,比如最早的Gate-firstGate-Last之争,比如第一个FINFET工艺应用等。即使第一个应用新工艺新材料会带来高额的成本压力,即使钴材料的基础成本是铜材料的5-6倍,但财大气粗的英特尔当时有六百亿的营收和30%+的净利率支撑,加上CPU垄断地位带来的高额附加价值和丰富的调试新材料的经验,一切看起来都那么美好,很多人可能都在期待在不远的将来英特尔带着钴材料引领半导体产业走向新的篇章。

 

但时间给出了截然不同的答案,选择用铜合金的台积电成了最大赢家,今天其市值已经从18年初只有英特尔的一半到现在是英特尔的1.7倍。虽然在工艺追赶英特尔的路上,台积电经历过40nm的难产(据透露背后的原因是台积电从选择IBM体系下的Gate-first研发到一半多之后转而从头研究Gate-Last,认为英特尔当初的方案才是能继续走向28nm甚至22nm的正确方向),在张仲谋和蒋尚义的二次出山之后,台积电的路逐渐走得越来越稳健,并且在10nm工艺上选择了更为稳妥的铜合金而没有去跟随英特尔激进的策略,从而实现了工艺节点上的反超,在目前英特尔7nm还没有明确日期的情况下,台积电今年下半年5nm即将量产并且已经排满了订单。

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虽然英特尔选择让首席工程师Murthy Renduchintala离职,并将技术部门重组为5个团队来应对7nm工艺的难产和股价的下跌,但从另一个角度来说,这是选择革命性工艺不得不承受的代价,赌就有风险,而这个赌注似乎只有英特尔承担的起。素有牙膏厂雅号的英特尔正是因为垄断地位才会不慌不忙的进行技术更新和迭代,也才有底气去挑战新材料,而对于以代工为生的台积电来说,一点点的失误都可能带来极大的损失,毕竟现在不是40nm时代即使出了问题后续依然有机会弥补(40nm的延误不仅没有让台积电失去客户,反而因为28nm的快速推出拿下了当时前十大半导体厂中从未合作过的三个),三星的步步紧逼让台积电必须确保自己的工艺演进稳定可靠。毕竟,材料这个问题让英特尔去解决好了,反正两家又不竞争,等技术真的成熟了之后自己再采用,这也是台积电客户们共同的呼声吧。

于是我们现在看到的结果是,各种流言伴随着英特尔的7nm量产推迟纷纷爆发出来,甚至还有人认为英特尔会出售制造业务,笔者认为这点很难出现,毕竟英特尔最核心的优势就是半导体工艺,这也是造就其cpu市场垄断地位的最关键因素,即使现在英特尔的工艺方面依然有非常多行业顶尖的积累,而英特尔的工艺问题核心还是在材料应用方面进展迟缓,正如某位分析师所言,“英特尔一旦在互连材料的替代上取得先机,将锐不可挡。笔者认为,如果英特尔真的能在1-2年时间内彻底解决钴材料的问题,他们依然有机会在后续工艺制程中重新夺回领先的优势,毕竟新材料的威力值得任何人去期待。

800亿的英特尔,据说迫于竞争压力即将下单给400亿的台积电,这样此消彼长情况下,台积电的研发又有了新的支撑,而被迫大量代工的英特尔净利率似乎要受到不小的影响,不过从半导体研发和设备投资来看,英特尔依然以百亿美元的规模大幅领先台积电,这依然是我们期待英特尔能成功突围材料应用难点的关键支撑,毕竟谁也不知道,真的到了3nm,铜合金材料是否还能继续保持足够可靠的电迁移表现呢?



关键词: Intel 7nm 台积电

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