摘要：我们发现有两大轮子推动着半导体产业链向前发展，一是不断缩小特征尺寸，二是不断扩大晶圆尺寸。 关键词：半导体产业链； 特征尺寸； 晶圆尺寸1 前言 经长期观察分析，我们发现有两大轮子推动着半导体产业链不断地向前发展。一个轮子是不断地缩小芯片的特征尺寸，近几年已从1μm→0.5μm→0.35μm→0.25μm→0.18μm→0.13μm，正在从100nm→70nm→50nm→30nm→22nm挺进。目前0.13μm工艺已达量产，有4座0.13μm、200mm 晶圆厂生产奔腾4微处理器，2002年底再增加2座0.13μm、300mm晶圆厂生产微处理器，至此该公司有6座0.13μm工艺的晶圆厂。100nm工艺已水到渠成，如2003年下半年起英特尔、AMD、TI、台积电、台联电、亿恒和三星等世界顶级IC厂商将陆续投产采用90nm工艺的IC，如微处理器、逻辑器件和闪存等。50nm工艺浮出水面，如美国Numeri Technology公司在麻省理工学院林肯实验室采用自身专利技术和DUV248nmKRF Stepper（准分子激光扫描分步投影光刻机）研制出50nm的半导体门单元集。另一个轮子是不断地扩大晶圆尺寸，已从100mm→125mm→150mm→200mm→300mm，计划向350mm→400mm过渡。目前，全球200mm晶圆生产线有几百条，已建、在建和计划建设的300mm晶圆生产线约有40余条，其中美国有10多条，台湾地区有10多条，欧洲、日本、韩国和新加坡等有10多条，如在2003年底之前英特尔公司有6条300mm晶圆生产线投产，台积电和台联电各有4条300mm晶圆生产线达量产。正因为有缩小特征尺寸和扩大晶圆尺寸这两个轮子交替地向前滚动，才能不断地推动着半导体产业链螺旋式地向前发展。2 一个轮子——不断缩小特征尺寸缩小芯片特征尺寸的最大的好处是提高芯片集成度，改善芯片性能（如提高晶体管运行速度等）和降低成本，从而获得更大的利润。2001年的ITRS 《国际半导体技术指南》主要着眼于未来15年内使用的半导体制造技术。2001年的ITRS指出，2001年芯片特征尺寸可达0.13μm，2004年实现90nm，比1999年的ITRS整整提前了一年。2003年下半年起英特尔公司等世界著名IC厂商将投产90nm工艺的IC，它表明比2001年的ITRS又提前了一年。2001年ITRS继续指出，2007年达70nm，2010年达50nm，2013年达30nm，2016年达22nm。2001年 ITRS预测，半导体新工艺、新技术的革新将在3年内展开，重点是缩小芯片特征尺寸和实施铜互连技术。IC Insights公司预测，2002年的300亿美元投资中，有80%的资金用于技术改造，如缩小芯片特征尺寸和实施铜互连技术等。2001年ITRS强调：“在2005年以前业界将受到光刻技术的限制”。IC Insights公司分析师Bill Mcclean认为：“业界需要用很能长一段时间来解决光刻技术难题。”在解决技术难题前，首先受到来自经济方面的限制”。2001年ITRS还预测：“2016年芯片特征尺寸可缩小到22nm，届时，传统的CMOS技术很可能不会有更大突破，而诸如双门晶体管、纵向晶体管和超薄绝缘体硅等新技术将得以迅速发展”。为此，International Roadmap协作主席、英特尔的Pado Gargini说：“我们可以进一步发展CMOS技术，但是，我们必须面现实，另辟蹊径”。 关于芯片特征尺寸能否继续缩小在世界展开了争论，如在2002年ISSCC会议上，与会者就芯片特征尺寸是否能继续缩小展开了争议，同意将芯片特征尺寸继续缩小的一方是系统设计者和大多数存储器设计者，反对方是大多数数字IC、模拟IC、RF电路、混合信号IC、全定制及库单元设计者。 系统设计者和大多数存储器设计者关于进一步缩小芯片特征尺寸的呼声代表着IC产业链不断向前发展的主流。如飞利浦公司研发副总裁Fred Boekhorst指出：“要想普及环境智能型系统，就必须大幅度降低其功率、裸片尺寸及成本”，“环境智能系统要求子系统能同时适应9个数量级和带宽和计算负载以及跨越6个数量级的功耗，大多数情况下必须将功耗降到0.1mw左右，而目前蓝牙器件功耗至少为50mw。另外，当前蓝牙器件正努力向5美元的成本冲刺，而环境智能型器件必须降到美分级”。多数存储器供应商认为：“减小CMOS 尺寸是绝对必要的，尽管在DRAM的密度上设备没太大的突破，DRAM开发者仍自信地表示要将库单元、架构至少减少到90nm。” 日前，阻碍芯片特征尺寸进一步缩小的瓶颈是光学光刻技术。为此，世界各国科学家致力研究下一代光刻技术，如157nm光学光刻、EBL光刻、离子束投影光刻、α射线光刻和EUVL光刻等。芯片特征尺寸的进一步缩小要求光刻曝光波长随之缩短，从g线（436nm）→I线（365nm）→远紫外线（248nm KRF准分子激光光源）→远紫外线（193nm ARF准分子激光光源）。为了进一步提高光学光刻机的分辨率，必须采用“光学波前工程”，如移相掩模（PSM）、光学邻近效应校正（OPC）和离轴照明（OAI）等技术。如今，248nm Stepper（准分子激光扫描分步投影光刻机）已成为0.13μm工艺的主流设备，2003年193nm ArF Stepper将成为90nm工艺的主流设备，预计157nm F Stepper将承担70nm工艺的重任，并向50nm延伸。2001年ITRS认为，2007年的70nm仍由光学光刻来完成。全球生产光学光刻机的三大巨头日本Nikon、荷兰ASML和日本Canon公司宣称，2003 年推出157nm ArF Stepper。业内人士分析，13.4nm波长的EUVL（极紫外线光刻机）将在70-50nm 工艺中作为下一代光刻技术，并进一步延伸到35-50nm工艺。其它光刻技术，如电子束投影光刻、 x射线光刻等都因技术不成熟，工艺不兼容和成本过高，在今后相当一段时间内（50nm之后）难以使IC量产。 大多数数字IC、模拟IC、RF电路、混合信号IC，全定制及库单元的设计者对进一步缩小芯片特征尺寸持不同的看法。他们认为，如果芯片特征尺寸进一步缩小，连线和晶体管必须考虑其电容和电感。TI公司副总裁Dennis Buss指出：“若芯片特征尺寸进一步缩小，所有的问题便会接踵而来。沟道更短、栅的绝缘层更薄、金属连线变成细长的‘墙’”。这时晶体管的漏电流将成灾难，其原因是当门限电压降低后，晶体管的关断电流增加了，甚至无法关断；栅绝缘层变薄后，透过绝缘层的偏电流增加，最终导致开关晶体管导通时电流较大，而关断时电流稍稍变小，当晶体管数达 500-1000万时，该现象对功耗的影响是非常惊人的。Buss还指出：“在沟道长度一定时，90nm、电压1.2v的沟道电流损耗大两个数量级，而用来增加成品率的线流掺杂剂则会使门题更为严重，再进一步缩小尺寸是不可能的了”。但是，纳米晶体管可解决这个问题。它是解决芯片特征尺寸进一步缩小的完整方案，可使IC功能密度和数据通过率达到新的水平。因此，纳米半导体技术将成为今后半导体技术研究和发展的方向。 3 另一个轮子——不断扩大晶圆尺寸 扩大晶圆尺寸的最大好处是提高产量和降低成本，从而获取更大的利润。扩大晶圆尺寸是半导体产业链发展的必然规律，正如Stmico调研公司分析师Joanne Itow说：“受成本、效益因素的驱动，半导体生产必须转向更大的晶圆尺寸”。当前，晶体管正在从200mm晶圆向300mm晶圆过渡。Stmico公司预测，2002年全球300mm晶圆产量占晶圆总产量的5%，2006年将增至35%。据Dataquest公司预测，2001年全球300mm晶圆生产设备销售额占全球晶圆设备销售总额的25%，2002年约占35~40%，2005年将占65%。众所周知，300mm晶圆面积与200mm晶圆之比为2.25，所以300mm晶圆生产能力是200mm晶圆的3倍以上，如以256MDRAM/0.18 mm为例，300mm晶圆上的芯片有效数要比200mm晶圆增加4倍。据菲尼克斯市场研究公司Semico高级分析师报道，按最简单的方法计算，虽然，300mm晶圆面积比 200mm晶圆大2.25倍，但运行费用仅增加30%，英特尔公司总裁兼首席执行官贝瑞特宣称，一旦英特尔采用0.13mm工艺的6座300mm晶圆厂起动，到2003年其晶圆生产成本将下降25%。IBM公司声称，其单片300mm晶圆的成本可望下降30~40%。据TI公司分析，以生产基带处理器芯片为例，在 200mm晶圆上只能生产1500~2500个芯片，而在300mm晶圆上能生产5000~6000个芯片，可使生产成本降低40%，又加上300mm晶圆生产线采用更小的特征尺寸工艺，使生产能力进一步提高，这样，一条300mm晶圆生产线能使成本节约近60%。又据台湾地区力晶半导体公司估计，300mm晶圆上能生产1000个128MDRAM芯片，当这条300mm晶圆生产线产量达70%时，其128MDRAM芯片生产成本可保持在2.5美元以下，生产净润利率超过40%，同样300mm晶圆上能生产800个256MDRAM芯片，其256MDRAM芯片生产成本可降至3.5美元，比2001年底的8美元便宜60%。从以上实例可知，难怪有那么多的IC厂商肯巨额投资，兴建300mm晶圆生产线，尤其是美国和台湾地区的IC厂商。 中国半导体产业链一定要有自己的300mm晶圆生产线，何时建以及谁来建，这是业界所关心的问题。台湾应用材料全球资深副总裁王宁国指出： “目前，最热门的大陆是旧200mm晶圆厂，估计3年内，大陆就会出现300mm晶圆厂。在大陆投资 300mm晶圆厂主要是降低成本，不一定采用0.15mm以下的最先进工艺”。据说，上海中芯国际半导体公司计划在北京与首钢联合建设300mm晶圆生产线，具体日期未正式宣布。上海华虹NEC电子公司副总经理赖磊平认为：“至2004年本公司的Fab2要建立。Fab2建成后，在某个时候，将以 0.18-0.13μm的技术为主，同时采用更新的设备和更新的工艺。考虑倒经济效益问题，Fab2不准备做300mm晶圆线，因为造一个200mm晶圆生产线的工厂至少需要10-15亿美元，而造一个300mm晶圆生产线的工厂需30亿美元，况且在中国大陆，仍受到技术层次的限制。国内IC设计单位大多是0. 25μm的设计水平，采用200mm的芯片制造线更能适应。当然，按300mm晶圆生产线是今后发展的必然方向，但目前只有台积电和台联电做得比较成功，华虹NEC现在没有必要承担回收30亿美元的风险”。 （转自 中电网）