摩爾定律的救贖：3D堆疊技術(shù)

【導(dǎo)讀】隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，硅芯片的很多層已經(jīng)逼近原子級(jí)別。芯片技術(shù)未來的發(fā)展可能終將面對(duì)無法逾越的障礙。業(yè)界進(jìn)行了很多改變，鋁取代了銅;CMP技術(shù)被引入;高K鉿氧化物取代硅氧化物作為晶體管(門)的基礎(chǔ);移動(dòng)性的提升有賴于應(yīng)力器件(電介質(zhì)膜或源級(jí)/漏極區(qū)的選擇性外延生長)。當(dāng)然英特爾最近還宣布了Tri-Gate晶體管技術(shù)。今天先進(jìn)的晶體管工藝(32nm以下)和十年前的130nm晶體管已經(jīng)大為不同。

摘要：  隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，硅芯片的很多層已經(jīng)逼近原子級(jí)別。芯片技術(shù)未來的發(fā)展可能終將面對(duì)無法逾越的障礙。業(yè)界進(jìn)行了很多改變，鋁取代了銅;CMP技術(shù)被引入;高K鉿氧化物取代硅氧化物作為晶體管(門)的基礎(chǔ);移動(dòng)性的提升有賴于應(yīng)力器件(電介質(zhì)膜或源級(jí)/漏極區(qū)的選擇性外延生長)。當(dāng)然英特爾最近還宣布了Tri-Gate晶體管技術(shù)。今天先進(jìn)的晶體管工藝(32nm以下)和十年前的130nm晶體管已經(jīng)大為不同。

關(guān)鍵字：  半導(dǎo)體，  3D堆疊，  摩爾定律，  模擬，  MEMS，  電源

半導(dǎo)體行業(yè)由盛轉(zhuǎn)衰的論調(diào)不斷出現(xiàn)，很多專家預(yù)測(cè)“摩爾定律的終結(jié)”即將到來。讓我們來看看過去四十年間駕馭著半導(dǎo)體行業(yè)的這個(gè)定律相關(guān)的一些情況。

摩爾相信半導(dǎo)體相關(guān)的科學(xué)進(jìn)步對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。因?yàn)榘雽?dǎo)體在工業(yè)、政府、國防領(lǐng)域的應(yīng)用范圍極廣。他認(rèn)為這取決于科學(xué)發(fā)展步伐與生產(chǎn)更強(qiáng)大設(shè)備所需成本之間的權(quán)衡。

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，硅芯片的很多層已經(jīng)逼近原子級(jí)別。芯片技術(shù)未來的發(fā)展可能終將面對(duì)無法逾越的障礙。業(yè)界進(jìn)行了很多改變，鋁取代了銅;CMP技術(shù)被引入;高K鉿氧化物取代硅氧化物作為晶體管(門)的基礎(chǔ);移動(dòng)性的提升有賴于應(yīng)力器件(電介質(zhì)膜或源級(jí)/漏極區(qū)的選擇性外延生長)。當(dāng)然英特爾最近還宣布了Tri-Gate晶體管技術(shù)。今天先進(jìn)的晶體管工藝(32nm以下)和十年前的130nm晶體管已經(jīng)大為不同。

所有這一切所帶來的結(jié)果是：我們有了更好、更快、更先進(jìn)的設(shè)備以及生產(chǎn)設(shè)施，同時(shí)生產(chǎn)成本也顯著上升。如圖表1所示。

不過隨著一些多年未得到應(yīng)有關(guān)注的“沉睡”技術(shù)獲得重生，現(xiàn)在業(yè)界出現(xiàn)了一個(gè)明顯的分叉。我說的是模擬、MEMS和電源器件。

德州儀器、意法微電子、ADI、英飛凌是模擬電子行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者。無線應(yīng)用越來越多地采用模擬集成電路(圖2)。智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備的快速發(fā)展也提升了模擬芯片的發(fā)展。

模擬集成電路技術(shù)正在4G手機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、寬帶無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等無線系統(tǒng)中扮演著重要角色。無線系統(tǒng)主要在收發(fā)芯片中使用模擬集成電路進(jìn)行信號(hào)處理。模擬集成電路的其它應(yīng)用領(lǐng)域還包括無線數(shù)據(jù)訪問卡、WLAN卡、無線鼠標(biāo)、無線中繼等等。

電源器件包括功率晶體管、電源管理設(shè)備——后者被用于移動(dòng)設(shè)備，在保證耗電最小化的同時(shí)提供了其它一些功能。隨著移動(dòng)設(shè)備全面滲入社會(huì)，電源器件的應(yīng)用最近幾年有了顯著增長。混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)和太陽能設(shè)備也帶動(dòng)了電源器件的發(fā)展。圖表2提供了更多細(xì)節(jié)。

MEMS和摩爾

MEMS行業(yè)也隨著陀螺儀等傳感器在手持設(shè)備上的普及而顯著增長，見圖3。這些全新的應(yīng)用將整個(gè)行業(yè)推向了新的方向。

這些新應(yīng)用的共同點(diǎn)是所需晶圓相對(duì)較小，對(duì)設(shè)計(jì)要求寬松。大多數(shù)生產(chǎn)這些產(chǎn)品的晶圓廠都是相對(duì)“較老的”6英寸和8英寸晶圓廠。德州儀器是唯一一家擁有300mm模擬晶圓廠(R Fab，位于德州Richardson)的公司。這些晶圓廠的優(yōu)勢(shì)在于它們的價(jià)值已經(jīng)被完全榨干，運(yùn)行成本相對(duì)較低。

鑒于此原因，我們看到過去幾年里200mm晶圓廠設(shè)備的需求增長讓所有設(shè)備供應(yīng)商都措手不及。

總的來說，一方面我們看到支撐技術(shù)的發(fā)展按照摩爾定律的節(jié)奏縮減了設(shè)備的體積;另一方面，半導(dǎo)體行業(yè)又有了一種完全不同的組成部分，這部分業(yè)務(wù)對(duì)設(shè)計(jì)發(fā)展速度要求相對(duì)輕松，采用相對(duì)較老的晶圓廠。

將摩爾定律延續(xù)下去，特別是延續(xù)到22nm以下需要高昂的花費(fèi)。而單片型3D堆疊能緩解一些問題，讓先進(jìn)工藝晶圓廠的高昂成本得以降低。單片型3D堆疊技術(shù)還讓舊有技術(shù)能夠繼續(xù)發(fā)揮作用，但在性能和功耗方面則卻能達(dá)到先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的水平。

我想我們應(yīng)該學(xué)習(xí)模擬晶圓廠的業(yè)務(wù)之道。