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梁孟松抵达中芯国际,中国晶圆代工开启新时代
2017-9-5
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        据知情人士向半导体行业观察透露,台湾半导体专家梁孟松昨天正式亮相中芯国际。这坐实了之前的加盟传言。知情人士表示,梁孟松将会担任中芯国际联席CEO职位,负责中芯的研发。这个影响全球晶圆厂格局的男人加盟中芯负责先进制程的开发工作,对中芯国际而言,是一个巨大利好。从某个角度说可算是开启了一个新的篇章。

 
图一:梁孟松的照片
 
        梁孟松曾先后任职台积电和三星等公司。在担任三星晶圆厂技术长的时候,梁还带领三星在制程工艺上完成了对台积电的反超,为此还引致了晶圆代工龙头与梁孟松的一系列起诉,并在半导体市场掀起了轩然大波。
 
        这次梁孟松加盟中芯国际,会给中国芯片制造业带来什么?要了解这一切,得从梁孟松的履历说起。
 
台积电制程领先的幕后功臣
 
        台积电是晶圆产业的绝对龙头。根据数据显示,台积电去年在晶圆代工领域的市场份额为50.6%,遥遥领先于格芯(9.6%)、联电(8.1%)和三星(7.9%)。而在纯晶圆代工厂的排名中,台积电的市场占有率更是高达59%,同样大幅度领先于后面的格芯、联电和SMIC。
 
 
图二:2016年纯晶圆厂的营收排名
 
        在进入21世纪之前,台积电的工艺领先优势并不是很明显,但因为在本世纪初他们在130nm工艺击败IBM,取得了空前成功,一举拉开了自己和其他竞争对手的差距,进而成就了今天的台积电。而当时负责先进模组的梁孟松在这场胜利的主导者之一。
 
        拥有台湾国立成功大学电机工程学士和硕士,加州大学伯克利分校博士学位的梁孟松在半导体元件物理和制程技术,FinFET方面有深入的研究,相信师从FinFET发明者胡正明的经历让他受益匪浅。职业生涯早期,梁孟松在美国AMD担任过相关职位。1992年,时年四十岁的梁孟松返台工作,之后加入台积电,任职工程师和资深研发处长。
 
        回到2000年左右,当时台积电的的晶圆代工比现在有过之而无不及,根据根据IC Insights调查显示,台积电2002年在晶圆代工产业已拿下56%市场,客户总数也超过两百家。在当时,台积电面临了增长历程的一大重要决定。在谈这个之前,我们先看一下当时集成电路的发展现状。
 
        据集成电路资深观察家莫大康先生文章介绍,在摩尔定律的推动下,集成电路制程工艺进入了250nm阶段,但由于金属线层数急剧增加,金属连线线宽也开始缩小,这就引致了连线系统中的电阻及电容的增加,这就大大影响了整体电路的操作速度。当时业界为了解决这个问题,提出了两种解决办法:一是采用更低电阻率的铜当导线材料;取代之前的铝;二是选用Low-K Dielectric(低介电质绝缘)作为介电层材料。
 
        来到了关键的130nm,IBM已经研发出了这个节点下的铜制程和Low-K材料,他们积极向台积电和联电兜售。当时的台积电面临两个选择:要不是自己开发;要不选择轻易模式,从IBM获取授权。而台积电选择了前者,联电选择了后者。
 
        后来IBM的工艺由于良率等原因不能达成量产,而台积电则因为自主研发的工艺取得了重大成功,一句拉开了和联电以及其他厂商的工艺差距,这是后话了。
 
        在这场漂亮的战役之中,梁孟松的付出功不可没。后面台积电的先进工艺推进,梁孟松依旧发挥了不可忽视的作用。
 
        任职台积电17年之久的梁孟松于2009年离开这家晶圆巨头,并给台积电留下了五百多项专利,光在美国专利局的资料库里,梁孟松个人参与发明的专利半导体技术有181件,数量上好像没什么,但这181项全部都是最先进、最专业、最重要先进制程的技术研发。以至于梁后来入职三星,带领三星在新工艺上完成对台积电的反超,这又是另一个故事了。这件事也从侧面证明了梁孟松的影响力。
 
助三星在14nm上完成对台积电的反超
 
        梁孟松于2011年入职三星,担任研发部总经理,指导先进制程的研发。据台湾媒体报道,三星14nm FinFET工艺就是在梁孟松的技术指导下研发的,这个工艺并在某个程度上完成了对台积电16nm FinFET的反超。台积电也凭此工艺抢下了高通的订单。
 
        而在此之前,2009年之后,三星推出45nm、32nm和28nm都与台积电工艺高度相似,这就引发了台积电对梁孟松的一些列诉讼,他们指出这是梁孟松侵犯台积电商业秘密造成。连台积电的一些资深高管也感叹,当初张忠谋就不应该放走梁孟松。
 
        而回到2009年,从台积电卸任的梁孟松曾赴韩国成均馆大学教书。由于这家大学是由三星投资的,听课学院也有三星晶圆厂的员工,这引致台积电的愤怒也是情有可原。
 
        我们不想去探索这些纠纷背后的前因后果和谁对谁错,只是想说明一下,为什么三星和台积电都那么重视梁孟松,这与一项关键的技术有关。那就是前文提到的FinFET。
 
        FinFET(Fin Field Effect Transistor,简称FinFET)就是鳍式场效晶体管,由美国加州大学伯克利分校的胡正明、 Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor 等三位教授发明。正式这种新技术的出现,才推动集成电路制程工艺发展到今天的10nm以下。
 
 
图三:胡正明、 Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor照片
 
        我们知道,在过去,集成电路制造中用到场效应管是MOSFET,这种2D的场效应晶体管使用了超过四十年,并且在摩尔定律的指导下,一代代缩短其闸极长度,但是随着当闸极长度缩小到20 奈米以下的时候,遇到了许多问题,其中最麻烦的是当闸极长度愈小,源极和汲极的距离就愈近,闸极下方的氧化物也愈薄,电子有可能偷偷溜过去产生「漏电(Leakage)」;另外一个更麻烦的问题,原本电子是否能由源极流到汲极是由闸极电压来控制的,但是闸极长度愈小,则闸极与下方通道之间的接触面积(图一红色虚线区域)愈小,也就是闸极对通道的影响力愈小,要如何才能保持闸极对通道的影响力(接触面积)呢?这就催生了FinFET。
 
 
图四:传统MOSFET的结构
 
        由图中可以看出原本的源极和汲极拉高变成立体板状结构,让源极和汲极之间的通道变成板状,则闸极与通道之间的接触面积变大了(吐五黄色的氧化物与下方接触的区域明显比图四红色虚线区域还大),这样一来即使闸极长度缩小到20 纳米米以下,仍然保留很大的接触面积,可以控制电子是否能由源极流到汲极,因此可以更妥善的控制电流,同时降低漏电和动态功率耗损,所谓动态功率耗损就是这个FinFET 由状态关变开(0变1)或开变关(1变0)所消耗的电能,降低漏电和动态功率耗损就是可以更省电的意思啰!
 
 
图五:FinFET的构造
 
        简而言之,鳍式场效电晶体是闸极长度缩小到20纳米以下的关键,拥有这个技术的制程与专利,才能确保未来在半导体市场上的竞争力,而梁孟松正是这个技术的的核心人物之一。这也是为什么三星晶圆代工技术在最近几年能够突飞猛进的原因之一。至于当中是否真的有侵犯台积电的专利,作为旁观者的我们不得而知,这就留给做读者的你们的去判断。
 
转战中芯国际,延续传奇
 
        无论是在台积电还是三星,梁孟松的专业技能已经得到了充分的肯定,也夯实了他在半导体制程工艺的地位,这次加盟中芯国际,会否重演上两次的成功,带领中芯国际来一场成功过的超越呢。不过我们要意思到,和以上两家相比,中芯国际的基础还是差了一点。
 
        由台湾人张汝京博士牵头成立的中芯国际于2000年十月成立于上海。在张博士的带领下,中芯国际投入巨资开疆辟土,建立了不少的产线,但中芯的销售额却没有相应幅度的提高,导致了自2005年以后的持续亏损,这个局面到了2010才扭转。虽然如此,不能否认的是,中芯国际的成立在对中国半导体界来说有重要的意义,正是他的出现,让中国制造自主芯片成为可能。
 
 
图六:中芯国际过去十年的营收
 
         但我们也应该见到,中芯国际在工艺水平上,与台积电和三星、格芯甚至联电相比都有很大的差距。
 
         从中信国际2017年Q2的计步我们可以看出,以工艺节点划分,中芯国际主要的营收来自于0.15/0.18工艺,最先进的营收目前只在28nm有少许贡献,也就是6.6%。其他最先进的没看到有任何进展。
 
 
图七:中芯国际2017年Q2的营收划分(按照工艺节点)
 
 
图八:联华电子2017年Q2营收(按节点划分)
 
        与之对比,我们来看一下SMIC最接近的竞争对手联电的表现。
 
        根据联电的Q2财报,他们的14nm已经在这个季度贡献了1%的营收,28nm的贡献已经达到了28%。而中芯国际在14nm这方面,根据之前的消息透露,他们将会在2018年年底ready,2019年Q1推出。届时联电发展到什么地步,更别论台积电和三星这些领头羊。
 
 
图九:领先晶圆厂的逻辑工艺roadmap
 
        可见中芯国际面临的挑战还是很严峻的。我们来看一下梁孟松加入了以后,能够帮助解决哪些问题。
 
        首先看一下现在主流,且将长期存在的28nm上面。
 
        前面提到,中芯国际的28nm份额并不是很理想,来到技术方面,根据相关人士透露,中芯国际在28nm低阶Polysion良率达到85%,但在主流28纳米HKMG方面:面向华为的产线良率达到了80%;但高通的产品良率为40%到60%。按照行业60%良率risk production,80%成熟的理论,在高通上的生产更是不如预期。换个角度看,14nm等先进制程能否如期推进这个是值得推敲的。
 
        梁孟送的加入应该可以帮忙解决技术方面某些挑战,但是他也不是灵丹妙药。根据相关人士的观点,现在中芯国际在先进工艺上碰到的一个重要问题是patterning方面的,这不是梁孟松的专长,所以就算获得了梁孟送,中芯国际也不能一劳永逸。
 
        至于梁孟松能解决的另一个重要问题,可能是研发部门的争端。
 
        现在中芯国际内部研发部有这大陆、海归和台湾三股势力,现在鸽子在新工艺研发上有不同路线。如在litho的工艺条件选择方面,海归/大陆人想走的是三星的路线,而台湾人想走的是台积电的路线,因为双方都没有拿出更好的观点来说服对方,这就导致了各自为政,山头林立,纷争不断。
 
        梁孟松的驾临,能够用其实力统一他们的研发方向,排除对立,团结一心推进工艺。他过去在台积电和三星的经历也会告诉中芯国际的人什么是leading company应该做的,先进企业的研发管理理念是怎样的。
 
        拧成一股绳的中芯国际,在技术大牛的带领下,也许就此步进了发展高速路,国产的晶圆代工事业从此或者就跨上了一个新台阶。当然,这还需要时间去考验。(文/李寿鹏)
 
 
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