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[導(dǎo)讀]業(yè)界都認(rèn)為半導(dǎo)體業(yè)遲早會遇到技術(shù)上無法克服的物理極限,有人說是10nm,也有人說是7nm甚至是5nm。極限在哪里,最終將由市場做出選擇依照摩爾定律,全球半導(dǎo)體的工藝制程技術(shù)平均每兩年進(jìn)入一個新世代。從理性分析來

業(yè)界都認(rèn)為半導(dǎo)體業(yè)遲早會遇到技術(shù)上無法克服的物理極限,有人說是10nm,也有人說是7nm甚至是5nm。極限在哪里,最終將由市場做出選擇

依照摩爾定律,全球半導(dǎo)體的工藝制程技術(shù)平均每兩年進(jìn)入一個新世代。從理性分析來看,業(yè)界都認(rèn)為半導(dǎo)體業(yè)遲早會遇到技術(shù)上無法克服的物理極限,有人說是10nm,也有人說是7nm甚至是5nm。極限在哪里,最終將由市場做出選擇,它不僅受限于技術(shù)因素,還受成本等綜合因素的限制,因為即使在技術(shù)上可行,產(chǎn)品也未必能夠受到業(yè)界的青睞。因此,目前為止權(quán)威人士預(yù)測,制程技術(shù)上的瓶頸可能出現(xiàn)在2018年左右。

14nm制程可能是個坎

14nm制程可能是個坎,采用三次圖形曝光技術(shù)或EUV光刻技術(shù)。

縮小線路工藝尺寸和擴(kuò)大硅片直徑是推動半導(dǎo)體業(yè)不斷地進(jìn)步的“兩個輪子”,然而,目前這兩個輪子都遇到了障礙。

工藝微縮技術(shù)正面臨瓶頸。從原理上分析,采用任何波長的光源都可以得到分辨率為1/3波長的特征圖形。業(yè)界依此原理開發(fā)出將光源從248nm轉(zhuǎn)變成193nm的光刻設(shè)備,并用于65nm制程。另外又開發(fā)了多種提高分辨率的輔助技術(shù),如相位移掩模版(PSMs),它是拓展193nm光刻能力的關(guān)鍵。PSMs的繼續(xù)發(fā)展將依賴于更強(qiáng)的相位移和更復(fù)雜的特征結(jié)構(gòu),目前最基本的是6%嵌入式的PSMs。

要使相位移技術(shù)達(dá)到下一代工藝水平要求,掩模版類型主要有三種:補(bǔ)償式相位移、兩次曝光圖形和可以進(jìn)行低k1成像的一次曝光技術(shù)。目前兩次圖形曝光技術(shù)已趨于主流。之后設(shè)備廠開發(fā)出浸液式光刻技術(shù),相當(dāng)于將193nm波長縮短到134nm,從而提高了分辨率。業(yè)界試圖找出比純水折射指數(shù)更高的液體介質(zhì),但至今仍未遂愿。

目前利用193nm浸液式光刻技術(shù)加上兩次圖形曝光技術(shù)等已經(jīng)成功實現(xiàn)了20nm工藝技術(shù)的量產(chǎn)。業(yè)界一致認(rèn)為下一代14nm制程可能是個坎,要么采用更復(fù)雜的三次圖形曝光技術(shù),但會大幅增加曝光次數(shù)及成本;要么采用革命性的EUV光刻技術(shù)。

不同解決方案各有利弊,各家公司都在做出選擇。英特爾傾向于采用三次圖形曝光技術(shù),并認(rèn)為有可能把193nm浸液式光刻技術(shù)延伸至10nm甚至7nm。而IBM則堅信采用兩次圖形曝光技術(shù)可以縮小到10nm,并表示未來CMOS的尺寸縮小不會馬上止步。至于EUV技術(shù)仍面臨光源強(qiáng)度不夠以及掩膜版等配套材料需完善的問題。與此同時,其他多種光刻技術(shù)如電子束直寫等也引起業(yè)界關(guān)注。

450mm設(shè)備廠積極性不高

受限于摩爾定律趨向終結(jié)等因素,450mm硅片可能會推遲更替。

硅片直徑也不可能無限擴(kuò)大。目前,硅片直徑正由300mm向450mm過渡。從理性思維出發(fā),硅片直徑增大是遲早會被采用的,但至今為何未被市場接受呢?可能有兩方面原因:一是半導(dǎo)體設(shè)備廠的積極性不高,認(rèn)為450mm設(shè)備200億美元的研發(fā)成本可能無法收回;二是450mm硅片的建廠費(fèi)用高達(dá)100億美元。目前對450mm制造廠有興趣的廠商僅英特爾、三星及臺積電三家。

150mm的6英寸硅片產(chǎn)能在1999年左右開始下降,200mm硅片產(chǎn)能在2009年左右下降,表明接近10年為一個硅片尺寸發(fā)展周期,由此推算2019年應(yīng)該發(fā)生450mm與300mm的硅片交替。目前受限于全球經(jīng)濟(jì)大環(huán)境及摩爾定律趨向終結(jié)等因素,450mm硅片可能會推遲更替。

為了迎接挑戰(zhàn),加快EUV光刻與450mm的進(jìn)程,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈合作也在悄悄發(fā)生變化,如2012年ASML接受英特爾、臺積電與三星的投資入股。

很難再現(xiàn)兩位數(shù)以上增長

450mm硅片和EUV光刻尚需在技術(shù)手段及市場接受度方面取得突破。

受限于IC研發(fā)成本的高聳,許多頂級的IDM大廠開始擁抱代工,或轉(zhuǎn)變成fabless。在尺寸縮小方面,可能會于14nm制程時受限,即便有一定的進(jìn)展,未來由于成本太高,每兩年上升一個工藝臺階的進(jìn)程肯定會減緩。

雖然450mm硅片會伴隨著14nm及以下制程推進(jìn),但是根據(jù)目前已公布的路線圖顯示,英特爾在2013年將開始投產(chǎn)20nm制程,2014年晉升至14nm,2015年將達(dá)到10nm(滯后于研發(fā)路線圖)。而臺積電的工藝路線圖為16nm提前至2013年10月~12月投產(chǎn),10nm技術(shù)在2015年投產(chǎn),并聲稱從16nm開始采用Fin-FET結(jié)構(gòu)。因此估計全球450mm硅片生產(chǎn)線最快可能于2015年有樣片流出。

不管如何,全球半導(dǎo)體業(yè)自2010年增長32%之后,2011年及2012年連續(xù)兩年踏步不前,今后在450mm硅片與EUV光刻未實現(xiàn)突破的情況下很難再實現(xiàn)兩位數(shù)以上的增長。

未來半導(dǎo)體制造工藝可能還有兩個“發(fā)動機(jī)”,分別是450mm硅片和EUV光刻。相對于EUV光刻,450mm硅片可能會走在前列。不過目前兩者都遇到瓶頸,尚需在技術(shù)手段及市場接受度方面取得突破。

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