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- 1. Semiconductor Sensor Storage SoC & Solutions 認識半導體產業與世界趨勢 2021 / 01 / 14 客戶 服務 務實 互信 學習 進步 陳偉銘 Bob Chen Ph.D.
- 2. Outline 簡介綱要 Semiconductor Sensor Storage SoC & Solution 為什麼半導體這麼難做 什麼是摩爾定律 半導體產業鏈 晶片設計與製造流程 半導體技術的演進與現況 中美貿易戰及美國對中國半導體業的封鎖 半導體未來的趨勢 2
- 3. 3 為什麼半導體這麼難做
- 4. 精準度/純度 線寬 10 nm 對位 2 nm 矽純度 11個9 化學品 9個9 機械工業： 線寬 20,000 nm 對位 5,000 nm 太陽能矽純度: 7個9 一般工業化學品: 6個9 製程步驟 400~1000 道製程 >3000 道製程+檢測 太陽能：12道製程 LED: 50道製程 資金 ~2000億 機械工業：10億 太陽能: 30億 LED: 50億 設計公司: 50億 人才 3000人 一般科技產業： 研發20-100人 為什麼半導體這麼難做 12吋 28nm 廠 7nm 研發工程師 ~5000億 12吋 7nm 廠
- 6. Intel i5 Chip 6 晶片每進步一代，長度乘0.7，寬度乘0.7， 電晶體密度加倍 2009 Intel i5問世，電晶體數目 ~1.75B。 與Intel 4004相比，成長約1百萬倍 Intel 4004 frequency 400kHz，Intel i5 2.8GHz，clock rate成長約7000倍 Linear shrink X0.7
- 8. 半導體每個世代節點(最小線寬)，大約是前一個世代的0.7倍 半導體技術演進產生兩次轉折，一次在0.1um，各家紛採用以奈米命名，並捨 棄100nm，直接取名為90nm。第二次是在45nm，原本45nm是major node(主要 節點)，40nm是half node(次要節點)。台積在2008年推出45nm後，立刻將major node轉為40nm，讓當時標榜t-like的競爭對手們措手不及 8 半導體技術節點演進 0.18um 0.13um 0.1um Half node Becomes major node FinFET
- 9. 半導體線寬尺寸演進，每個世代最小線寬大約是前一個世代的0.7X 9 半導體線寬尺寸演進 0 50 100 150 200 250 300 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY NODE 250 nm 180 nm 130 nm 90 nm 65 nm 45 nm 32 nm 22 nm 14 nm 10 nm 7 nm 5 nm 0.7x each generation 最小線寬 NODE (nm)
- 10. 半導體產業與房地產業的類比 10 矽晶圓 ~$120/片 晶圆 ~$4,000/片 晶片 ~$5/顆 社區 房子(毛胚屋) 素地 建築設計 IC設計 封裝測試 ~$8/顆 房子(裝潢屋) 建築機具 半導體設備 矽晶圓是素地，晶圓是大小區有著一棟棟相同的房子，晶片就是一棟房子 晶圓廠是營造廠，IC設計公司就是建築師事務所
- 11. 半導體產業上下游 11 半導體產業上下游，從設備/原物料/EDA設計軟體、晶圓廠、高端封裝、設計服務到芯片設計 EDA設計軟體和設備，美國世界第一。美國利用其優勢，對中國管制使用 原物料，日本世界第一。日本針對聚醯亞胺 (PI)、光阻劑 (PR)及高純度氟化氫 (HF)等三項原物料， 對韓國實施出口管制 設備 晶圓廠 高端封裝 設計服務 芯片設計 原物料 EDA設計軟體 設備
- 12. 半導體/電子元件供應鏈 12 材料 設備 晶圓代工 封裝測試 IC設計 OEM/OBM No. 1 半導體 電子元件 No. 2 Japan US Taiwan Taiwan US US Japan Korea China Taiwan US Korea / China EMS/ODM Taiwan China 在PC時代，台灣有許多系統ODM公司，這是台灣半導體產業成功的重要因素 2020年台灣在晶圓代工全球第一，產值USD$49.6B；封裝測試全球第一，產值 USD$17.2B；IC設計全球第二，產值USD$24.9B EDA US China
- 13. 2020 Q3全球營收前十大晶圓代工公司 13 2020 Q3全球前十大晶圓代工公司，台灣廠商有四家，台積電、聯電、力積電和世界先進
- 14. 2020 Q2全球營收前十大封裝公司 14 2020 Q2全球前十大封裝公司，台灣有六家，日月光、矽品、力成、京元電、南茂和頎邦
- 16. 16 晶片設計與製造流程
- 18. 18 Block Diagram與房子平面設計圖 在晶片設計流程的前端設計，先完成Block Diagram，規格制定，再交給後端設計 在設計過程中，會使用很多設計好的IP blocks以加速設計，因此產生一些IP公司 Block diagram與房子的平面設計圖有類似之處 iPhone 10 A12 Block diagram 房子平面設計圖
- 19. 19 Layout與房子水電配置圖 iPhone 10 A12 Layout 房子水電圖 前端設計完之後，後端設計會把實際電路及Layout完成，再做成光罩製作晶片，如上圖 設計服務公司即是從事上述的服務，設計服務公司也會提供一些小的IP給客戶 Layout屬後段的設計作業，與房子設計圖(前段)畫好之後再畫水電配置圖(後段)，有類似之處
- 20. 20 晶片設計三類公司 晶片設計公司 IC設計公司 IP house 設計服務公司 聯發科 瑞昱 聯詠 力旺 M31 晶心科 創意 智原 虹晶 後端設計 前端設計 區域套裝設計 前端設計完成之後(Architecture and Block diagram)，決定要使用哪些IP，自行購買IP或由 後端設計購買IP，最後在後端設計公司完成細部設計(Layout and Floor plan) ，整合成一整顆 晶片
- 21. 21 晶圓製造製程簡介(1/2) 將設計電路圖，以堆叠方式移植到晶圓上 組合起來 主要有4大製程模組: 擴散 包含高溫爐管、RTP (快速升溫退 火)、離子佈值等 黃光、光刻 包含微影、光罩 蝕刻 包含RIE(離子束蝕刻) 薄膜 包含CVD鍍膜(化學氣相沉積)、 PVD濺鍍、磊晶等
- 22. 22 晶圓製造製程簡介(2/2) 四大製程模組一直交叉輪流使用，使用的次數與光罩的層數成比例、而光罩層數與製程以及 設計相關 先進28nm製程的總道數已經超過1000個步驟，包含主製程以及各式量測等，複雜的流程成 為後進者跨入的門檻 各個製程所需要的材料種類也不一樣，衍生出的產業供應鏈相形複雜
- 23. 23 晶圓代工與IDM區別 晶圓代工廠是專營製造，不做設計，沒有自己的IC產品 IDM(Integrated Device Manufacturer)公司是設計自己的IC產品，自己製造， 有時也會下單給晶圓代工 晶圓代工 IDM 台積電 三星 聯電 格羅方德 中芯 世界先進 英特爾 三星 英飛凌 意法半導體 旺宏 華邦
- 24. 24 半導體技術的演進與現況
- 25. 25 半導體行業格局變遷 隨著技術演進，投資金額與技術門檻不斷升高，能夠生產的公司從20家 2家 5nm僅剩台積與三星 (台積在2020率先實現5nm量產)
- 26. 台積電憑藉技術創新優勢贏得主動權 台積電10奈米反超英特爾，7奈米率先量產，5奈米遙遙領先 台積電技術領先，擁有廣大客戶群。台積電市占率約為三星的3倍 (53.9% vs. 17.4%) 26 先進製程戰場競爭激烈
- 27. 電晶體材料結構演進--以Intel為例 每一代的電晶體為滿足效能提升的目的，需要進行一些材料及結構的改變 < 90nm: 引進SiGe增加CPU PMOS效能 < 65nm: 引進Ni-silicide降低電阻、增加NPMOS效能 < 45nm: 引進High-K/Metal-Gate降低漏電、增加NPMOS效能 < 22nm: 引進FinFET電晶體結構、降低漏電、增加NPMOS效能 27 Intel
- 28. Planar FET vs. FinFET 28 隨著半導體技術節點越來越先進，電晶體架構由平面場效電晶體演進為鰭式場效 電晶體。 FinFET的優點為更高的驅動電流，更高的速度，更低的漏電、更低的功耗，因此 電晶體的移動性和尺寸更好。 Fin-FET: 20nm~5nm Planar-FET: 350nm~28nm
- 29. 29 半導體先進製程使用的材料遍布整個週期表 隨著技術演進，越來越多的元素應用在先進製程上，幾乎窮盡整個元素週期表 H, Li, Mn, Ga, In, C, Ge, Sb, Zr, Hf, La Mg, Sr, Ba, V, Nb, Cr, Mo, Fe, Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Au, Zn, Sn, Pb, Bi, S, Se, Te + + Si, N, P, As, B, Al, O, Ti, Co, Ni, Cu, Ta, W
- 30. 中國大陸的中芯國際最先進量產製程為22nm，台積電最先進製程5nm，中芯落後台積電五個世代以上 30 Logic Analog High Voltage BCD- Power IC RF Embedded NVM Image Sensor MEMS > 0.5um 0.35um 0.25um 0.18/0.15um 0.13/0.11um 90/80nm 65/55nm 40nm 28nm 22nm 20nm 16/12nm 10nm 7/6nm 5nm 3nm In Development Available In Development Available tsmc SMIC Technology Portfolio: tsmc vs. SMIC
- 32. 中美貿易戰 – 華為案例 第三階段封鎖：定義禁止名單範圍：美國商務部 2020/8/17發布的新聞稿，文中把對華為禁止供貨的限制 定義的更明確，首先是明確定義哪些東西不能賣，使用美 國軟體或技術來「開發」或「生產」的任何「零件」、 「設備」都不能賣給華為 華為一直深陷川普總統與中國的貿易戰，2020年9月15日 零時起，「華為禁令」正式生效。至此只要含有美國技術 和軟體的晶片，全球非美系供應商必須停止出貨給華為。 32 第一階段封鎖：出口管制實體清單公布：2019/5/ 15 ，美國商務部將華為放入出口管制黑名單- 「實體清單」在8/19日暫緩期之後，美國企業除非有政府的特殊許可，否則不能和華為做生意。 第二階段封鎖：使用美國技術的國外供應商禁止供貨華為：美國商務部宣告任何有使用到美國技 術所生產、製造產品的公司也不能和華為做生意，這使得台灣許多華為供應鏈的成員都受到影響， 畢竟任何半導體產品都或多或少應用到美國的技術、設備。
- 33. 中美貿易戰 – 中芯國際案例 制裁中國晶片製造：美國政府在勒緊華為晶片供應後，再度制裁中國最大晶片廠中芯國際，進一 步重挫中國的半導體產業。美國商務部告知企業，對中芯國際的出口，最終會被轉往「軍事用途」 構成「無法接受的風險」 封鎖晶片生產設備：2020/9/27起，企業必須取得特殊許可，才能出貨中芯。此舉可能斷絕中芯取 得關鍵的美國軟體和晶片生產設備。 33 中國半導體的一大弱點：中芯半導體為對上游供應鏈 過於依賴。中芯的主要材料及設備供應商分別來自日 本、南韓、荷蘭、美國等國家，中國本土供應鏈並未 跟上半導體主流技術。 中芯國際的影響：自從華為受美國制裁後，中芯已然 受到影響，因為華為本來就是它最大的客戶，承擔其 1/5營收，現在無法獲得含有美國技術的晶片生產設備， 更是造成中芯國際的困境雪上加霜。
- 35. 中國極力發展半導體 中國先前訂下「2025年半導體自製率達70％」的目標 2019年中國IC自製率為 15.7%，IC insights 預估2024年為20.7%，離2025目標 70%有很大一段距離 35
- 38. 全球G2兩套供應鏈 未來沒有G20，只有「G2」: 一個是以美國為主的系統，另一個是以中國為主的系統 台灣在這兩套系統中都扮演關鍵的角色 38 美國 中國
- 39. 半導體未來的趨勢 因為人工智能、大數據與5G等技術推進，人類社會對於半導體和軟體的需求將會 持續增加 半導體製造已經進展到只有少數企業能夠投資的行業，擁有巨大技術和資金門檻 因為美中貿易戰的關係世界的供應鏈將分成中國與非中國兩大陣營(G2) 台灣在目前半導體技術佔據相當好的優勢地位，中國目前也積極開發相關晶片製 造本土技術，建立自己的產業供應鏈 企業的策略、政府政策、人才培育養成會是各國著重推動半導體進步的關鍵 39
- 40. Thank you 謝謝您 Semiconductor Sensor Storage SoC & Solutions 客戶 服務 務實 互信 學習 進步
- 41. 2020 Q2全球營收前十大IC設計公司 41 2020 Q2 全球前十大IC設計公司，台灣廠商有三家入榜，聯發科、聯詠科技和瑞昱半導體
- 42. 2019全球前十大IP公司營收 42 半導體 電子元件 IP公司前四大廠商: ARM、Synopsys、Cadence、SST 台灣廠商eMemory Technology占全球第10
- 43. 高階(如5nm)半導體技術需上千道製程，每道良率需要99.9%以上，人才訓練是相當重要的一環 美國人的創新: 台灣人教育與英文水準高，有創新能力開發技術突破技術門檻 日本人的服從: 半導體講究紀律，需要能按造單位要求完成任務而不是天馬行空 中國人的勤勞: 重紀律，能夠實事求是的按造SOP來執行 台灣在人才素質與養成上擁有上述三個特質，才能在困難的半導體技術推展中有如此高的進展 43 台灣半導體領先求全的人才優勢特質
- 44. 日韓貿易戰插曲 6月28號在日本舉辦的G20高峰會中，日本首相安倍晉三與南韓總統文在寅會見只握手了8秒鐘，兩國相敬如冰。日本於 兩天後的6月30號宣布將韓國移出貿易白名單。聚醯亞胺 (PI)、光阻劑 (PR)、以及高純度氟化氫 (HF) 此三項材料，韓國 進口商需要申請日本的許可證。這一變化在國際上引起了許多不安與討論。此三種半導體原物料，韓國自日本進口的 比例各約為PI 90%、PR 90%、HF 40%。如果全面禁止，自然會引起供應鏈上極大的問題。所幸，日本目前只對此三項 高端的原物料有所限制，比如說：只限制透明的PI、EUV的光阻劑。南韓DRAM賴以生存的DUV光阻劑並沒有受到限制。 若全面禁止的話，依韓媒 (MoneyToday) 估計，韓國的損失可能是日本的270倍。所幸這並未發生。但此一事件還是有 很多值得我們思考的地方： 第一、科技、經濟與外交的關係是強相關的：韓國的DRAM、NAND在全世界記憶體供應鏈中佔主要的角色，更是韓國 電子業主要的出口產品。此一供應鏈的危機若未能妥善的化解，將嚴重的影響韓國的GDP，進而影響全世界。 第二、技術靠研發，命運靠自己：半導體製造的高純度要求常常是PPB等級 (雜質濃度10億分之一等級)，日本長期在基 礎化學上下功夫，在半導體原物料的供給上握有主導性的市場份額。關鍵上游半導體原物料雖然個別營收不高，但對 下游的影響卻非常巨大。此一半導體原物料供應鏈的限制對於台灣、大陸等製造商是一項利多，但是這領域要進入的 門檻相當高，因此台灣與大陸要趁此貿易戰拿到原物料的訂單可能也沒那麼容易。台灣在晶圓代工世界第一，IC設計世 界第二，如果在半導體原物料也能占一席之地，那麼台灣在半導體的地位將更全面、更重要。 第三、簽署多方貿易協定刻不容緩：企業在供應鏈上考慮第二供應商時，也應該考慮是否來自於同一國家，以避免風 險。日韓的事件遇到的是科技壟斷的問題，使得第二國供應商的選擇較少。然而在第二國供應商存在的情況下，也要 有多方的貿易協定才能幫助台廠商避免與降低斷貨轉料的成本與風險。 最後、政府領導人要有遠見：政府要有前瞻的視野，整合內部資源的執行力與完善貿易關係的能力，才能真正帶領國 家與產業到達另一個高峰。 44
- 46. 全球半導體設備市場 46
- 48. 48 電子消費產品製造流程