【導(dǎo)讀】在半導(dǎo)體制造工藝中盡一切可能延伸光學(xué)的縮微方法壽命是十分重要，盡管無論EUV或者EB電子束，由于波長短十分誘人，但是要達(dá)到工業(yè)化量產(chǎn)水平，尚需時間。所謂”遠(yuǎn)水解決不了近渴”。因此目前193nm浸入式，加上兩次(甚至4次)圖形曝光技術(shù)及DFM技術(shù)等來實(shí)現(xiàn)縮微是現(xiàn)實(shí)的解決方案。據(jù)目前的實(shí)踐，上述方法己經(jīng)能實(shí)現(xiàn)22-20nm水平，但是能不能突破14nm，尚難預(yù)料，因此14nm可能是個拐點(diǎn)。

摘要：  在半導(dǎo)體制造工藝中盡一切可能延伸光學(xué)的縮微方法壽命是十分重要，盡管無論EUV或者EB電子束，由于波長短十分誘人，但是要達(dá)到工業(yè)化量產(chǎn)水平，尚需時間。所謂”遠(yuǎn)水解決不了近渴”。因此目前193nm浸入式，加上兩次(甚至4次)圖形曝光技術(shù)及DFM技術(shù)等來實(shí)現(xiàn)縮微是現(xiàn)實(shí)的解決方案。據(jù)目前的實(shí)踐，上述方法己經(jīng)能實(shí)現(xiàn)22-20nm水平，但是能不能突破14nm，尚難預(yù)料，因此14nm可能是個拐點(diǎn)。

關(guān)鍵字：  半導(dǎo)體，  硅片，  3D封裝

目前做芯片的制造商都面臨要作困難的決定。跟蹤先進(jìn)制程?還是”不”?事實(shí)上今天看到的凡是最先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)，都由英特爾首先突破，此后才有10%的AASP芯片設(shè)計(jì)跟隨它。10%不是一個隨便的數(shù)字，而是表示10%的產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，滿足市場需要。在130nm時許多制造商緊緊追趕，幾乎誰都不愿落后。但是到90/65nm時發(fā)現(xiàn)ASSP產(chǎn)品己經(jīng)有2年的滯后，很大程度上取決于代工的工藝能力。到32nm時發(fā)現(xiàn)與英特爾出該產(chǎn)品的時間己經(jīng)有4年的差距。因?yàn)榇さ呐d趣點(diǎn)(sweetspot)，或者AASP及ASIC的興趣點(diǎn)總在全球最先進(jìn)的工藝制程之后，即消費(fèi)電子產(chǎn)品市場，包括手機(jī)等的需求在開初時不會采用最先進(jìn)的工藝制程，只有當(dāng)市場需求的量上來后，才會考慮采用最先進(jìn)制程來獲得更多的利益。

衡量尺寸縮小的效果用每個柵的平均成本來考量，到22納米時可能出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，而開始上升。由此業(yè)界開始質(zhì)疑，尺寸還會繼續(xù)縮小?看來摩爾定律接近終點(diǎn)時關(guān)鍵不一定在技術(shù)上能否實(shí)現(xiàn)，而是更主要從經(jīng)濟(jì)層面，考慮尺寸縮小所需要的投入，及它的回報(bào)率在哪里?

在半導(dǎo)體制造工藝中盡一切可能延伸光學(xué)的縮微方法壽命是十分重要，盡管無論EUV或者EB電子束，由于波長短十分誘人，但是要達(dá)到工業(yè)化量產(chǎn)水平，尚需時間。所謂”遠(yuǎn)水解決不了近渴”。因此目前193nm浸入式，加上兩次(甚至4次)圖形曝光技術(shù)及DFM技術(shù)等來實(shí)現(xiàn)縮微是現(xiàn)實(shí)的解決方案。據(jù)目前的實(shí)踐，上述方法己經(jīng)能實(shí)現(xiàn)22-20nm水平，但是能不能突破14nm，尚難預(yù)料，因此14nm可能是個拐點(diǎn)。

不過近期也有好的消息，據(jù)設(shè)備大廠應(yīng)用材料公司在它的Q2財(cái)務(wù)會上透露，英特爾己準(zhǔn)備為14nm設(shè)備下訂單。

另外，近期英特爾，臺積電等都聲言半導(dǎo)體技術(shù)可達(dá)7nm，5nm，相信并非是忽悠，因?yàn)閺腅UV的波長14nm及BEUV的波長僅6.8nm，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)7nm，5nm、是完全可能。但是其中有兩個方面必須考慮，一個方面是由于光學(xué)光刻技術(shù)己走到盡頭，必須要采用EUV或者EB電子束等下一代縮微技術(shù)，另一方面是這些方法從理論上都是可行的，然而實(shí)現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)尚有諸多關(guān)鍵技術(shù)與配套材料需要解決。因此未來的技術(shù)都必須把成本考量及投資回報(bào)率放在首位，經(jīng)濟(jì)上的可行性更顯關(guān)鍵。

硅片尺寸的過渡

匯總歷史數(shù)據(jù)及預(yù)測來觀察全球硅片尺寸的過渡趨勢。由于未來全球半導(dǎo)體業(yè)仍有6-7%的年均增長率來推動工業(yè)成長。當(dāng)假設(shè)450mm硅片在2017年開始依較快速率的增長，與300mm硅片的交*點(diǎn)可能在2023年附近。

從圖中看到150mm硅片在1999年左右開始下降，200mm硅片在2009年左右開始下降，表明接近10年為一個硅片尺寸周期。按理2019年應(yīng)該開始450mm與300mm交替，可能由于全球大環(huán)境與定律趨向終結(jié)等原因推遲了更替。另外OEM估計(jì)為什么全球200mm硅片至今仍非常穩(wěn)定，有兩個因素，1)，那些己經(jīng)全折舊完的fab能實(shí)現(xiàn)盈利。雖然有些產(chǎn)品的ASP持續(xù)下降，但是這些fab仍能支撐它。2)，現(xiàn)在許多200mmfab開始轉(zhuǎn)向LED，MEMS與功率器件生產(chǎn)。

另外，目前全球一半以上的fab產(chǎn)能超過10年以上，其中依200mm及300mm硅片fab為主。問題是如何支持這些老舊fab及設(shè)備能夠滿足日益增長的市場需求

2011年日本大地震引發(fā)出許多老舊150mm，200mmfab及備件問題。

老舊fab有兩個方面的問題1)，設(shè)備年久，很難再得到備件與技術(shù)支持。這也是為什么現(xiàn)在要提出設(shè)備老化的對策。2)，開展設(shè)備能力的提高及再利用計(jì)劃。把現(xiàn)有的設(shè)備延長使用壽命，或者轉(zhuǎn)移至LED，，MEMS等器件生產(chǎn)。

英特爾于2002年興建它的第一條12英寸生產(chǎn)線DIC于俄勒岡州。

3D封裝與TSV最新進(jìn)展

在3D的設(shè)備等尚未準(zhǔn)備好之前，2.5D，利用interposes轉(zhuǎn)接板是個捷徑，問題是轉(zhuǎn)接板的成本是多少?目前轉(zhuǎn)接板的材料有兩種選擇，硅與玻璃。玻璃肯定便宜，但是它的線的間距和TSV的通孔直徑受到限制。所以可能分成兩類市場，高端用硅，如微處理器，需要高密度，1微米線與間距。而如RF等低端器件就用玻璃。

Globalfoundries的ECTC主席McCann認(rèn)為目前TSV尚未量產(chǎn)，然而己在RF射頻器件中廣泛應(yīng)用，原因它們采用背面接觸。下一個存儲器將采用TSV量產(chǎn)，越來越多的存儲器將采用堆疊封裝(SSI)。對于存儲器制造商它們在生產(chǎn)線上就能采用TSV技術(shù)實(shí)現(xiàn)堆疊封裝，它不需要外部標(biāo)準(zhǔn)就能完成。再下一個是大量的I/O，不管是I/O的變種，還是I/O2，未來每個應(yīng)用處理器都會在它的頂部帶有大量的I/ODRAM。McCann表示此種結(jié)構(gòu)從2013年開始，到2014年采用20納米的產(chǎn)品會得到工業(yè)應(yīng)用。接下來與此關(guān)系很大的就是標(biāo)準(zhǔn)。大量的I/O標(biāo)準(zhǔn)對于多片存儲器供應(yīng)商或者利用多片技術(shù)的供應(yīng)商都是十分關(guān)鍵。

預(yù)計(jì)3D封裝真正具有實(shí)力可能要到2017或者2018年。McCann認(rèn)為，異質(zhì)器件如存儲器，數(shù)字，模擬，RF和電源等可以堆疊在一起是3D集成的起飛之時。

McCann認(rèn)為要能提供設(shè)計(jì)工具來實(shí)現(xiàn)器件的模塊放置，TSV，及球焊等最佳化設(shè)計(jì)。盡管最初的3D產(chǎn)品還不可能達(dá)到最佳化，但是能逐步完善。[!--empirenews.page--]

McCann表示未來3D集成中器件的測試是個大挑戰(zhàn)。需要依靠更多的IP來邦助實(shí)現(xiàn)。就拿DRAM看，在DRAM制造廠由自已進(jìn)行測試，涉及到眾多的IP，沒有人愿意外協(xié)進(jìn)行測試。但是在2.5D或3D堆疊封裝時由誰作DRAM測試，未來這些封裝制造廠可以完成測試嗎?

McCann相信未來堆疊存儲器將可分成兩個步驟，首先是從存儲器制造廠出貨芯片，它可以進(jìn)行測試，或者修復(fù)，直至合格的芯片。第二步需要微處理器供應(yīng)商或者DRAM制造商提供相應(yīng)的IP進(jìn)行堆疊之后芯片的測試。目前己經(jīng)看到從代工廠和存儲器制造廠提供的測試IP模塊可以利用處理器對于存儲器芯片進(jìn)行測試。至少目前正在探尋階段，未來還尚難預(yù)料，但是可以相信通過合作最終能解決一切。

未來半導(dǎo)體業(yè)會是什么樣?

跟蹤先進(jìn)工藝制程或者是”不”，己成為頂級芯片制造商的最困難決定。預(yù)計(jì)到2014年時全球僅存下10家，可能是3家IDM，4家存儲器及3家代工。再過5年可能有一半要再出局，全球可能只剩下三足鼎立。

從技術(shù)制程方面，14納米可能是個坎。目前英特爾與臺積電分別采用不同技術(shù)路線，英特爾高調(diào)宣稱繼續(xù)使用193nm浸入式光刻技術(shù)，不惜增加成本，采用兩次圖形曝光技術(shù)，甚至三，四次。在10納米節(jié)點(diǎn)時約2015年左右才準(zhǔn)備導(dǎo)入EUV技術(shù)。而臺積電認(rèn)為它在14納米時就準(zhǔn)備采用EUV技術(shù)。實(shí)際上由于在工藝制程技術(shù)上臺積電至少相比英特爾要滯后兩年，因此從EUV的時間切入點(diǎn)兩者都在2015年，實(shí)際上反映EUV設(shè)備在2015年左右才可能基本就緒。

至于450mm硅片，看來是勢在必行。時間點(diǎn)也會推遲至2015年或之后，不過它能服務(wù)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)可能僅只有兩代，即10nm與7nm。不過這也無限大局，因?yàn)?50mm硅片的成本效益在同樣工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)下會比300mm高。

英特爾資深院士MarkBohr在2011年12月的iEDM會上講;傳統(tǒng)的MOSFET已經(jīng)服務(wù)于我們30多年，未來為了繼續(xù)提高功能，降低功耗與成本，一個方向選擇高遷移率溝道材料如InGaAs等，尤其是量子阱FET(QWFET)。另一方面提高”開關(guān)”速度，采用自旋晶體管，隧道晶體管，或者碳納米管CNT“s或者石墨烯材料等。

英特爾去年提出的3D，三柵晶體管結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體業(yè)中又一次重大創(chuàng)新，具有深遠(yuǎn)意義?？梢灶A(yù)計(jì)，半導(dǎo)體業(yè)前進(jìn)的步伐不會止步，一個是消費(fèi)電子產(chǎn)品與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，導(dǎo)致手機(jī)，平板等具個人特色產(chǎn)品的應(yīng)用面持續(xù)擴(kuò)大，芯片的出貨量會持續(xù)上升，據(jù)預(yù)測未來各種電子裝置的市場需求量達(dá)1000億臺。另一方面各種新的材料，包括新的器件結(jié)構(gòu)會應(yīng)運(yùn)而生。相信全球半導(dǎo)體業(yè)的前景仍是十分誘人。

附錄;2000年至今在半導(dǎo)體業(yè)中發(fā)生的重要事例：(統(tǒng)計(jì)到2012.07.30)

2000年

? 全球半導(dǎo)體銷售額首次躍過2000億美元，增長率達(dá)37%

? 主流工藝技術(shù)達(dá)0.13微米，開始由銅引線替代鋁引線

? 1999年由SiemensAG半導(dǎo)體部剝離成立InfineonTechnologiesAG

? 1999年NEC與日立的存儲器部合并于2000年取名爾必達(dá)Elpida

? 臺積電開建第一座12英寸晶園廠

? 英特爾以303億美元居第一，全球模擬IC銷售額達(dá)303億美元，增長37%，DRAM以265億美元增長28.4%及NAND閃存以113億美元，增長148%

2001年

? 互聯(lián)網(wǎng)泡沫破裂，硅谷是一片哀鴻遍野，半導(dǎo)體處于下降周期

? 1999年現(xiàn)代半導(dǎo)體合并LGSemiconductor，于2001年取名Hynix

? TI的12英寸晶園廠開始投產(chǎn)

2002年

? 英特爾第一條12英寸生，產(chǎn)線DIC于俄勒岡州量產(chǎn)，采用0.09微米技術(shù)

? 日本SELETE成立，由NEC等11家公司合資，它與三家日本掩模公司(大日本印刷，凸版印刷和HOYA及三家電子束曝光設(shè)備廠(日立高科技，日本電子和東芝機(jī)械)共同開發(fā)70nm工藝及設(shè)備，計(jì)劃2004年達(dá)到實(shí)用水平

2003年

? 日立半導(dǎo)體與三菱半導(dǎo)體合并取名瑞薩半導(dǎo)體Renesas

? 爾必達(dá)兼并三菱存儲器部

? Spansion飛索半導(dǎo)體由AMD與富士通的閃存部門合并是全球最大NOR閃存制造商

? 英特爾決定放棄157nm光刻機(jī)開發(fā)，而采用193nm的氟化氬激光器，浸液式技術(shù)，預(yù)計(jì)可達(dá)45nm。預(yù)計(jì)浸液式光刻機(jī)的樣機(jī)于2004年推出

2004年

? 2004Q4全球12英寸硅片占總產(chǎn)能的11.1%，2005Q4占17.6%及2006Q3占26.1%。表明12英寸硅片開始進(jìn)入主流地位，但未能超過8英寸硅片。

? Freescale成立，從Motorola的半導(dǎo)體部剝離出來

2005年

? 全球半導(dǎo)體材料市場為140億美元，2004年上升22.2%為130億美元

? 1999年從HP剝離的Agilent依26.6億美元將芯片制造部出售給兩家私募基金公司

? 中芯國際以2.6億美元股權(quán)交換天津Motorola的MOS-17

? 日本Toppan兼并DuPont的掩模制造部

2006年

? NXP成立，從Philips半導(dǎo)體剝離出來

? 奇夢達(dá)Qimonda誕生，由Infineon的存儲器部剝離

? AMD化54億美元兼并全球第二大顯示芯片制造商ATI

? 安華高Avago全球最大的非上市獨(dú)立半導(dǎo)體公司，由2005年Agilent以26.6億美元出售給兩家私募基金公司后改名

? 三星，IBM和特許半導(dǎo)體為高通生產(chǎn)第一片90nm的處理器芯片

2007年

? 2007年英特爾開發(fā)高k金屬柵HKMG工藝，將摩爾定律又延伸十年

? 三星發(fā)偉50nm的16GbNAND閃存，同時60nm的DRAM量產(chǎn)

2008年

? 2008年Q4開始的全球金融危機(jī)，一直持續(xù)到2010Q2

? AMD分折成fabless及代工Globalfoundries

? Q4全球金融危機(jī)

? 三菱改名Panasonic

? Rohm羅姆兼并日本Oki的半導(dǎo)體

? 恒憶Numonyx成立，由英特爾的閃存和STMicroelectronics閃存部合并

2009年

? 2009年德國存儲器廠奇夢達(dá)破產(chǎn)

? ATIC用39億美元兼并新加坡特許，后將其并入Globalfoundries中

? SEMI報(bào)道全球各種硅片尺寸生產(chǎn)線在冊共有1075條，其中新建45條，一半是LED生產(chǎn)線，關(guān)閉16條

? Panasonic兼并三詳Sanyo

2010年

? Q2始脫離金融危機(jī)半導(dǎo)體業(yè)上升

? 據(jù)SICAS報(bào)告于2010Q1時全球12英寸硅片產(chǎn)能為2479.6萬，折合月產(chǎn)能為206.6萬片，再換算成8英寸相當(dāng)于月產(chǎn)464.9萬片，占全球總產(chǎn)能每月890萬片的52.2%，由此表示12英寸硅片己成主流地位。

? 德儀用18.3億元兼并中國成芯半導(dǎo)體[!--empirenews.page--]

? 美光用12.7億美元兼并NOR大廠恒憶Numoyx

? 美光公司于2005年9月宣布在西安高新區(qū)投資2.5億美元，建立半導(dǎo)體封裝測試生產(chǎn)基地。2007年3月項(xiàng)目建成投產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)年出口額10億美元。2010年2月，美光公司與西安高新區(qū)簽約，決定再投資3億美元建設(shè)新產(chǎn)品測試基地。該項(xiàng)目建成后，將形成50億美元的加工出口能力。

? 英特爾用77億美元兼并Mcfee

? 瑞薩半導(dǎo)體與NEC半導(dǎo)體合并叫新瑞薩半導(dǎo)體

? 測試儀大廠日本愛德邁Advantest以7.35億美元兼并Verigy

2011年

? 311日本大地震及泰國洪災(zāi)

? 2011年英特爾又開發(fā)出3D晶體管工藝

? 德儀用65億美元兼并國家半導(dǎo)體

? 應(yīng)用材料用49億美元兼并離子注入機(jī)廠瓦里安Varian

? Qualcomm用31億美元兼并Atheros通訊公司

? Broadcom博通用37億美元兼并NetLogic

? 半導(dǎo)體設(shè)備大廠LamResearch用33億美元兼并Novellus

? Fabless廠Xilinx推出世界上最高容量的FPGAVirtex-72000T包含68億個晶體管，200萬個Logic門，采用28nm技術(shù)及2.5D封裝，由TSMC代工量產(chǎn)

? 谷歌用125億美元收購摩托洛拉移動

? 蘋果的CEO喬布斯去世

2012年

? 英特爾用14億美元兼并英飛凌的手機(jī)芯片部

? VLSI公布2011年全球半導(dǎo)體設(shè)備制造商前十大排名，ASML首次居首，終結(jié)了應(yīng)用材料公司自1991年起連續(xù)20年稱霸地位

? 日本爾必達(dá)提出進(jìn)入破產(chǎn)程序，美光在競標(biāo)中用25億美元完成兼并

? 折解英特爾的標(biāo)記為3.3GHzCorei5-3550的IvyBridge處理器芯片，其裸晶面積尺寸為170mm2，小于目前SandyBridgei72600K處理器的208mm2。

? 臺灣聯(lián)發(fā)科宣布將用38億美元兼并晨星，成為全球第四大fabless

? 微軟推出surface平板電腦

? Google推出平板電腦

? 瑞薩電子(RenesasElectronicsCorp.)，擬把國內(nèi)19家半導(dǎo)體廠房當(dāng)中的10家關(guān)閉或出售，將生產(chǎn)重心轉(zhuǎn)移到微控制器。

? 英特爾注資41億美元于ASML換取15%股份開啟芯片制造廠與設(shè)備廠合作的新啟點(diǎn)