台积电的第三代半导体布局

日期:2021-12-29 来源:半导体行业观察作者:杜芹DQ阅读:662
核心提示:第三代半导体逐渐迎来爆发期,这就给相关代工带来了需求。虽然台积电方面认为,第三代半导体是个小市场。但这不影响台积电对碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等化合物半导体市场潜力的兴趣。尤其看好GaN,称其逐渐被市场接受,预期未来十年将有延展更多应用。下面,我们来看一下台积电在这些方面的布局。
第三代半导体逐渐迎来爆发期,这就给相关代工带来了需求。虽然台积电方面认为,第三代半导体是个小市场。但这不影响台积电对碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等化合物半导体市场潜力的兴趣。尤其看好GaN,称其逐渐被市场接受,预期未来十年将有延展更多应用。下面,我们来看一下台积电在这些方面的布局。
 
为特殊进程加大马力
 
无论是SiC还是GaN都属于特殊制程(专业技术)。台积电目前正在加速先进制造工艺的开发和量产,但台积电今年的目标是将其专业技术占成熟工艺的份额提高到60%,首次超过50%,这是一个新的高度。三年前,专业技术仅占台积电成熟工艺的45%。随着台积电今年同时扩大成熟节点的产能,预计特种技术产能,特别是从28nm到16nm的产能,也将增长12%。
 
据了解,台积电今年的资本出将达250-280亿美元,年增45-62%;其中80%将用于3nm、5nm及7nm等先进制程,10%用于先进封装技术量产需求,10%用于特殊制程。据悉,台积电竹科12厂与中科15厂都有对应优化制程设计,南科厂方面,南科晶圆14厂第八期也规划为特殊制程应用生产。
 
先前《日刊工业新闻》曾报导,在日本政府经济产业省的主导下,台积电与索尼可能会在日本合资设厂,该工厂瞄准的也是特殊制程,将生产40nm至20nm的制程为主,主要用于汽车、家用电子与机械产业等类别。
 
台积电研发资深处长段孝勤此前在论坛中提到,台积电一直投入资源在功率相关的制程工艺技术上,朝降低能耗的目标前进,包括使用在电源管理芯片上的 BCD 工艺。
 
台积电是第一家采用300mm晶圆生产Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)电源管理工艺的代工厂。2020年台积电针对各种快速增长的移动电源管理IC的不同集成级别的应用扩展了90nm、55nm和22nm的12英寸双极Bipolar-CMOS - DMOS (BCD)技术组合。其中,90nm BCD技术覆盖了从5V到35V的广泛应用,并将在2021年继续扩展。台积电专门优化了5V电源开关,它是用来处理由锂离子电池驱动的不断增长的电力需求。此外,其0.18微米第三代BCD制程技术于2020年完成AEC-Q100验证。
 
重点发力GaN
 
台积电看到未来十年复合半导体的增长机会,尤其是在五个领域的应用:快充、数据中心、太阳能电力转换器、48V DC/DC以及电动车OBC/转换器。 看好GaN充电特性更快、更轻薄以及更有效率,效率大于过往三倍,同时在数据中心设计上也是如此。
 
早在2014年,台积电就开始在其6英寸晶圆厂制造GaN组件,并于2015年开始生产用于低压和高压应用的GaN组件。凭借其在硅基半导体制造领域的领先地位,台积电于2017年开始量产GaN-on-Si组件。
 
在此需要科普一下,氮化镓半导体器件主要可分为GaN-on-Si(硅基氮化镓)、GaN-on-SiC(碳化硅基氮化镓),GaN-on-sapphire(蓝宝石基氮化镓)等几种晶圆。不同的厂商对这几种方式也有不同的看法,由于价格的因素,硅基氮化镓成为了目前半导体市场主流,而也有人士认为GaN-on-SiC在未来大有可为。我们看到,台积电也是采用的GaN-on-Si(硅基氮化镓)技术。英特尔最近在IEDM 2021上发布关于GaNg新的突破,英特尔在300毫米的硅晶圆上首次集成氮化镓基(GaN-based)功率器件,此研究验证了300毫米工艺兼容可行性,更适配高电压应用,增加了功能,提升了大规模制造可能性。不知道此举是否也意味着,英特尔将代工GaN。
 
2020年台积电开始量产第一代650V和100V增强GaN高电子迁移率晶体管(E-HEMT),该晶体管在2020年迅速达到满负荷生产。其第二代650V和100V功率E-HEMT的FOM(性能)提高了50%,预计2021年投入生产。此外,其100伏空乏型高电子移动率晶体管(D-HEMT)已完成元件开发,具备优异的性能,且通过多家5G基地台模块设计公司的工程验证,预计于2011年进入试产。
 
台积电研发资深处长段孝勤在今年9月的SEMICON 台湾在线论坛提到,GaN on Si的挑战主要是表面的不平整程度考验,台积电开发了GaN-on-Silicon技术来满足功率和RF组件要求,而外延代工也开发了6英寸GaN-on-Silicon晶圆制造技术等。
 
台积电在GaN代工领域的客户主要是意法半导体和纳微半导体。2020年,台积电和意法半导体也开始在GaN产品上进行合作,将为ST提供分立产品供应GaN IC,已促成累计超过1 ,300万颗氮化镓芯片出货。除此之外,纳微半导体专有的 GaN 工艺设计套件 (PDK) 也是基于台积电的 GaN-on-Si 平台开发的。此前纳微半导体首席运营官/首席技术官兼联合创始人Dan Kinzer说。“台积电的交付和质量结果不言而喻,每月出货量超过 100 万个 GaNFast 电源 IC,总出货量超过 1300 万个,现场故障为零。”
 
据科技产业咨询室的报道,目前,台积电拥有三到四个能够生产6英寸Epi GaN晶片的MOCVD单元,生产能力为1.5-2Kwpm。而且今年初,业界也传出了台积电开始采购氮化镓机台设备,数量达十多台,预估增加产能上万片,业界推测是有重要客户显著增加下单量。
 
SiC代工模式渐起
 
碳化硅代工业务比硅代工业务更困难。目前也很少有专门的SiC代工厂。但是随着SiC的需求越来越大,根据Yole的预测,到2026年整个碳化硅功率器件的市场规模有望达到50亿美元,市场空间巨大,其中60%以上用于新能源汽车领域。因此不少代工企业开始加码布局SiC代工。
 
德国的X-Fab将其位于美国的晶圆厂的 SiC 代工产能翻了一番,X-FAB 被认为是第一家在 6 英寸晶圆上提供 SiC 技术的代工厂。英国的Clas-SiC、台湾的Episil(台湾)、大陆的三安和韩国YPT最近进入了SiC代工业务。此外一些 IDM 和硅代工厂也在探索这个市场。
 
台积电也开始了SiC的相关研究,此前据钜亨网的报道,台积电董事长刘德音透露,台积电已经做了很多与SiC相关的高压产品,正在与国研院合作,而且台厂的SiC产能最大。SiC也属于Spectialy(特殊工艺)技术,据台积电称,其目前成熟工艺节点的产能将升级为特殊工艺,以支持化合物半导体在台积电生产计划中不断增长的份额。
 
关于台积电、Sony的新晶圆厂,三菱电机社长衫山武史在接受FujiSankei Business采访时表示,新建的晶圆厂和三菱电机的工厂、研发据点距离很近,在SiC功率半导体代工上进行合作是十分有可能的。
 
现在,SiC代工业务体量还是很小,SiC代工业务才刚刚起步。但碳化硅代工厂希望复制成功的硅代工厂模式。虽然在SiC领域,IDM将继续占据主导地位,但Fabless和代工厂也有空间。
 
结语
 
无论是SiC还是GaN,对于国内一众Fabless企业来说,代工都是必需品。这也将成为我国第三代半导体发展的产能和良率的保证。如台积电这样的大的代工厂的重视,将是第三代半导体蓬勃起飞的关键性因素。
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