材料之殤 老司機英特爾折戟7nm的背后

很多人在談到中國半導體的問題時，歸根結(jié)底溯源到了基礎(chǔ)科學的落后，特別是半導體材料和基礎(chǔ)理論的缺乏，其實這樣的問題不止中國半導體有，半導體工藝近20年來絕對領(lǐng)導者英特爾也因為材料問題遇到大麻煩。

英特爾最近有點煩，雖然二季度交出了亮眼的季報，但一條7nm預計會延遲半年以上的消息硬生生讓其股價下跌了7%。五六年前還曾在工藝上領(lǐng)先臺積電半年的英特爾，為何會在工藝方面如此迅速的落后？據(jù)不確切的消息，英特爾折戟7nm很大程度因為新材料的應用中的問題始終無法解決。

先看英特爾交出的財報，英特爾第二季度營收為197.28億美元，與去年同期的165.05億美元相比增長20%；凈利潤為51.05億美元，與去年同期的41.79億美元相比增長22%。這要是放在很多公司，得是樂瘋了的財務(wù)數(shù)據(jù)?。∮⑻貭柕诙径葼I收和調(diào)整后每股收益以及全年業(yè)績展望均超出華爾街分析師此前預期，但第三季度調(diào)整后每股收益展望未達預期，導致其盤后股價大幅下跌逾7%。雖然新冠疫情席卷全球，但英特爾連續(xù)兩季都實現(xiàn)了非常接近200億的營收，全年甚至可以展望一下800億這個無人企及的高度，但不幸的是，工藝問題的遲遲無法解決，讓英特爾的股價大幅下滑，相比于今年初的高位，整整下滑了30%，市值跌去了一個AMD。9.19的PE Ratio從某種角度來說，讓英特爾的這一數(shù)據(jù)接近于傳統(tǒng)制造業(yè)，而不像個高科技企業(yè)該有的樣子。（對比參考美國半導體股的PE R 大概在30左右，而中國科創(chuàng)板半導體股平均高達70）

相比于投資界只看結(jié)果，技術(shù)角度我們還是一起分析一下為啥英特爾這個半導體工藝的老司機這次遇到這么大的新問題，硬生生的從之前絕對領(lǐng)先到現(xiàn)在幾乎半代以上的工藝落后。一切的原因大概是從當初10nm工藝節(jié)點開始的，而問題的核心就是這個“鈷”材料。正是鈷材料應用的難產(chǎn)，讓英特爾從工藝上開始大幅落后，為何要歸咎到新材料？因為以英特爾和半導體設(shè)備廠之間的密切關(guān)系（在很多設(shè)備廠商那里，英特爾擁有最高的權(quán)限，專門的研發(fā)和服務(wù)團隊，定制化的設(shè)備等），加上雄厚的半導體技術(shù)研發(fā)經(jīng)驗，很難想象他們會在其他方面落后臺積電這么多。

鈷這個材料，算得上是普通金屬材料中比較特別的一個，元素符號Co，銀白色鐵磁性金屬，在周期表中位于第4周期、第Ⅷ族，原子序數(shù)27，鈷在地殼中的平均含量為0.001%（質(zhì)量），主要的工業(yè)用途是制造各種合金材料。值得一提的是，鈷是維生素B12組成部分，鈷元素能刺激人體骨髓的造血系統(tǒng)，促使血紅蛋白的合成及紅細胞數(shù)目的增加，而鈷和鈷化合物在2B類致癌物清單中。目前大家了解最多的可能是鈷60，作為常見的放射性元素用作放療化療應用， 最近炒的比較熱的一顆就可以摧毀世界的正是基于鈷元素的。

電子傳輸是半導體芯片工作的物理基礎(chǔ)，半導體芯片是靠銅來作為基礎(chǔ)導電材料的，銅的電阻率低（金也一樣），綜合性價比最好。但當工藝下降到10nm以下時，以銅作為導線材料就會出現(xiàn)導電速率不足的問題，這個時候就需要新的材料來替代成熟的銅導電方案，英特爾在這個時候選擇了鈷這個材料。2017年12月IEEE IEDM會議上，英特爾公司公開了將鈷金屬應用于10納米芯片最細連接線的設(shè)想，并介紹了用鈷代替鎢制成的電接觸材料設(shè)備的性能。當然這個技術(shù)并不是英特爾首創(chuàng)的，最早研究這個技術(shù)的是半導體設(shè)備老大應用材料，他們早就布局研發(fā)來了一整套整合鈷金屬互連工藝解決是針對10納米/7納米以下制程的，可以滿足加速芯片效能，縮短芯片上市時間的需求。

相比于銅來說，鈷的電阻率是其3倍，但受到電遷移的可能性要小得多。當電子加速穿過超薄線路時，它們會將原子驅(qū)趕到金屬中，就像是一位急匆匆的行人將另外一個人推到人行道外面一樣。為了保護銅互連，需要在纖細的線路中鑲嵌其他材料，如氮化鉭甚至是鈷。英特爾的報告中指出，在10納米加工技術(shù)的兩層超薄布線層中使用鈷互聯(lián)，電遷移減少了1/10至1/5，電阻率是原來的一半。改善后的互連線路將有助于半導體行業(yè)克服線路問題，進一步縮小晶體管尺寸。在工藝改進過程中，英特爾公司還曾經(jīng)將與晶體管柵極接觸的鎢金屬層替換成鈷金屬層。之前選擇用鎢是因為鎢有彈性且不會有電遷移問題。但是鎢的電阻率很高。

大家可以記住這個時間節(jié)點，在2017年的時候，英特爾的14nm工藝和臺積電的16nm工藝不相上下，而在密度上英特爾表現(xiàn)更好，這個時候英特爾工藝依然有領(lǐng)先優(yōu)勢。這樣的重大技術(shù)革新，對英特爾這個老司機來說似乎是駕輕就熟的，畢竟過去20年來，幾乎所有的半導體工藝的重要革新，英特爾都是第一個嘗鮮者，甚至衍生出跟著英特爾走不會有錯的論斷。比如最早的HKMG材料的應用，比如最早的Gate-first和Gate-Last之爭，比如第一個FINFET工藝應用等。即使第一個應用新工藝新材料會帶來高額的成本壓力，即使鈷材料的基礎(chǔ)成本是銅材料的5-6倍，但財大氣粗的英特爾當時有六百億的營收和30%+的凈利率支撐，加上CPU壟斷地位帶來的高額附加價值和豐富的調(diào)試新材料的經(jīng)驗，一切看起來都那么美好，很多人可能都在期待在不遠的將來英特爾帶著鈷材料引領(lǐng)半導體產(chǎn)業(yè)走向新的篇章。

但時間給出了截然不同的答案，選擇用銅合金的臺積電成了最大贏家，今天其市值已經(jīng)從18年初只有英特爾的一半到現(xiàn)在是英特爾的1.7倍。雖然在工藝追趕英特爾的路上，臺積電經(jīng)歷過40nm的難產(chǎn)（據(jù)透露背后的原因是臺積電從選擇IBM體系下的Gate-first研發(fā)到一半多之后轉(zhuǎn)而從頭研究Gate-Last，認為英特爾當初的方案才是能繼續(xù)走向28nm甚至22nm的正確方向），在張仲謀和蔣尚義的二次出山之后，臺積電的路逐漸走得越來越穩(wěn)健，并且在10nm和7nm工藝上選擇了更為穩(wěn)妥的銅合金而沒有去跟隨英特爾激進的策略，從而實現(xiàn)了工藝節(jié)點上的反超，在目前英特爾7nm還沒有明確日期的情況下，臺積電今年下半年5nm即將量產(chǎn)并且已經(jīng)排滿了訂單。

雖然英特爾選擇讓首席工程師Murthy Renduchintala離職，并將技術(shù)部門重組為5個團隊來應對7nm工藝的難產(chǎn)和股價的下跌，但從另一個角度來說，這是選擇革命性工藝不得不承受的代價，賭就有風險，而這個賭注似乎只有英特爾承擔的起。素有牙膏廠雅號的英特爾正是因為壟斷地位才會不慌不忙的進行技術(shù)更新和迭代，也才有底氣去挑戰(zhàn)新材料，而對于以代工為生的臺積電來說，一點點的失誤都可能帶來極大的損失，畢竟現(xiàn)在不是40nm時代即使出了問題后續(xù)依然有機會彌補（40nm的延誤不僅沒有讓臺積電失去客戶，反而因為28nm的快速推出拿下了當時前十大半導體廠中從未合作過的三個），三星的步步緊逼讓臺積電必須確保自己的工藝演進穩(wěn)定可靠。畢竟，材料這個問題讓英特爾去解決好了，反正兩家又不競爭，等技術(shù)真的成熟了之后自己再采用，這也是臺積電客戶們共同的呼聲吧。

于是我們現(xiàn)在看到的結(jié)果是，各種流言伴隨著英特爾的7nm量產(chǎn)推遲紛紛爆發(fā)出來，甚至還有人認為英特爾會出售制造業(yè)務(wù)，筆者認為這點很難出現(xiàn)，畢竟英特爾最核心的優(yōu)勢就是半導體工藝，這也是造就其cpu市場壟斷地位的最關(guān)鍵因素，即使現(xiàn)在英特爾的工藝方面依然有非常多行業(yè)頂尖的積累，而英特爾的工藝問題核心還是在材料應用方面進展遲緩，正如某位分析師所言，“英特爾一旦在互連材料的替代上取得先機，將銳不可擋。”筆者認為，如果英特爾真的能在1-2年時間內(nèi)徹底解決鈷材料的問題，他們依然有機會在后續(xù)工藝制程中重新奪回領(lǐng)先的優(yōu)勢，畢竟新材料的威力值得任何人去期待。

800億的英特爾，據(jù)說迫于競爭壓力即將下單給400億的臺積電，這樣此消彼長情況下，臺積電的研發(fā)又有了新的支撐，而被迫大量代工的英特爾凈利率似乎要受到不小的影響，不過從半導體研發(fā)和設(shè)備投資來看，英特爾依然以百億美元的規(guī)模大幅領(lǐng)先臺積電，這依然是我們期待英特爾能成功突圍材料應用難點的關(guān)鍵支撐，畢竟誰也不知道，真的到了3nm，銅合金材料是否還能繼續(xù)保持足夠可靠的電遷移表現(xiàn)呢？