450mm晶圓即將上馬 - 世界半導體業(yè)走向何方?

　　自1980年半導體業(yè)界采用l00mm晶圓進行生產，大約每5年前進一代，1985年采用150mm生產;l990年采用200mm生產;1995年采用300mm生產?？勺?00mm以來已超過15年還未走向450mm新一代晶圓，時間可謂長矣，近年雖議論不少，可始終未見具體計劃。

　　究其原因，主要是缺少突破型新產品需求的驅動力，據說300mm晶圓線的巨額投資，廠商還沒全部收回，因而缺少投資新一代工藝的經濟實力。另外，開發(fā)新一代技術已不像以往各代的工藝主要是重復，而是要求制造設備廠商具有綜合開發(fā)能力，包括工藝開發(fā)、材料準備、軟件編寫、工廠自動化等，龐大的資金和專業(yè)知識均非易事。當前，即使像應用材料和東京電子這樣世界最大的設備制造公司在資源方面也難于獨立完成這樣的開發(fā)。

　　2008年5月，Intel、三星和臺積電共同發(fā)表實施450mm生產線的聲明時，業(yè)界一時震動?？善浜筮m遇經濟風暴，市場陷入低迷，計劃亮起紅燈。直到不久前，人們才又見到促進派特別是Intel和臺積電的動靜，發(fā)表了較為具體的發(fā)展路線圖。臺積電計劃2013～2014年完成試制生產線，2015～2016年實現(xiàn)量產，并計劃2012年第三季度開始在450mm晶圓上采用20nm工藝技術進行生產。Intel公司2月宣布，即將投資50億美元以上，在亞利桑那州建立42號工廠，釆用l4nm以下工藝，2013年建成，據稱將是世界上最先進的工廠。

　　臺積電4月5日在美國圣荷塞舉行的技術論壇上，詳細透露了公司的450mm晶圓生產計劃。臺積電將全力向450mm時代挺進，目的之一是降低成本，其二是爭取比競爭對手搶先一步。450mm生產線約需投資100億美元，其中設備費尤為高昂，但其生產率可比300mm生產線提高1.8倍，且可減少工廠數(shù)量，避免面臨尋找大量優(yōu)秀工程技術人員的難題，未來10年將減少人員需求7000人。據悉，臺積電將首先在新竹第12號工廠建立試制線，預計2013～2014年投入運行，然后轉入臺中第15號工廠進行量產，計劃2015～2016年完成。初時釆用20nm工藝，未來將轉向14nm工藝。

　　摩爾定律何時到頭?

　　在半導體業(yè)界一向奉為圭臬的摩爾定律到頭之論早已有之，iSuppli公司2009年便聲稱摩爾定律即將于2014年失效，曾引起熱烈議論。被譽為***集成電路之父的臺積電董事長張忠謀于今年4月下旬出席“全球科技高峰論壇”時又表示，摩爾定律大約再過6～8年將走到極限。他說，摩爾定律以往平均每兩年進入新的一代，未來IC的微細化發(fā)展空間已不大，倒是電路板方面還有發(fā)展空間，未來勢必要往新的應用發(fā)展，如低功耗等。

　　微細化技術發(fā)展的困難日益增大，速度趨緩，從2003年的90nm工藝、2005年的65nm工藝、2007年的45nm工藝到2009年32nm，都是兩年一代?？缛?010年以后工藝革新的間隔時間將延長，預計將從2011～2012年的22nm、2014～2015年15nm到2017～2018年11nm，將放慢到2.5～3年一代。

　　今天的半導體業(yè)除了繼續(xù)走傳統(tǒng)微細化道路的所謂“More Moore(更摩爾)”方式之外，業(yè)界還提出了有別于此的所謂“More than Moore(超摩爾)”的發(fā)展道路。它包括通過3D方式提高集成度，以及將模擬電路、功率器件、傳感器、生物芯片、無源元件等集成在一個封裝里，稱為SIP(System In a Package)。另外，“Beyond CMOS(后CMOS)”也是業(yè)者提出的另一方式，即利用與現(xiàn)有MOS晶體管不同原理進行工作的新器件，包括將原子、量子、光、自旋電子等用作芯片布線等技術，并將成為本世紀20年代的基礎技術。

　　總之，未來集成電路必將走上多樣化的發(fā)展道路，“More than Moore”和“Beyond CMOS”將成“More Moore”技術發(fā)展的原動力。此外，還有化合物半導體(Ge和III-V族半導體)材料的應用也值得注意，業(yè)界有“得材料者得天下”的說法。

　　激蕩的未來十年

?

　　無論如何，微細化的道路還將走下去，當前32nm工藝已成主流技術，今年世界主要半導體廠商如Intel、臺積電、Global F、三星等公司即將跨入22nm新一代技術，但綜觀世界半導體業(yè)各生產公司，自130nm以下，共有6代生產工藝并存于世(圖1)。預計明年22nm將成主流生產技術。

　　另外還有一種提法，認為微細化技術在NAND flash等的牽引下，不斷采用新的手段，前進步伐還將加快，超過了ITRS(國際半導體技術發(fā)展路線圖)的預測，今年1Xnm技術即將成事，9nm技術也已在實驗室開發(fā)成功。若依ITRS路線圖，2024年將進入5nm時代，屆時每平方厘米尺寸的芯片上，集成的晶體管數(shù)將超過250億個。當然，它必須經過革新原有技術，應用新的半導體材料。

　　總之，世界半導體業(yè)將在這新的十年里閃展騰挪，爭時立新，人們必須清醒地認識到這一點，方能不失時機地擇機而進。2011～2012年22nm工藝付諸量產時，現(xiàn)有的MOS晶體管結構和材料尚可維持，可到2014～2015年15nm時代以后，就必須要開發(fā)提高產品性能的新技術了。

　　結語

　　事物總在發(fā)展，生命必有盡頭。摩爾定律是在半導體芯片上通過傳統(tǒng)手段縮小工藝尺寸以提高其集成度和降低成本，這條道路走不下去了，人們便研究出改變M0S晶體管結構、更換半導體材料以及3D化等不同手段，使半導體工藝微細化繼續(xù)不斷前進。