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(chǎn)，大約每5年前進一代，1985年采用150mm生產(chǎn);l990年采用200mm生產(chǎn);1995年采用300mm生產(chǎn)。可自300mm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(chǎn)品需求的驅(qū)動力，據(jù)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(jīng)濟實力。另外，開發(fā)新一代技術(shù)已不像以往各代的工藝主要是重復(fù)，而是要求制造設(shè)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(yīng)用材料和東京電子這樣世界最大的設(shè)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(chǎn)線的聲明時，業(yè)界一時震動?？善浜筮m遇經(jīng)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(chǎn)線，2015～2016年實現(xiàn)量產(chǎn)，并計劃2012年第三季度開始在450mm晶圓上采用20nm工藝技術(shù)進行生產(chǎn)。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(jù)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(shù)論壇上，詳細透露了公司的450mm晶圓生產(chǎn)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(chǎn)線約需投資100億美元，其中設(shè)備費尤為高昂，但其生產(chǎn)率可比300mm生產(chǎn)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(shù)人員的難題，未來10年將減少人員需求7000人。據(jù)悉，臺積電將首先在新竹第12號工廠建立試制線，預(yù)計2013～2014年投入運行，然后轉(zhuǎn)入臺中第15號工廠進行量產(chǎn)，計劃2015～2016年完成。初時釆用20nm工藝，未來將轉(zhuǎn)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(yīng)用發(fā)展，如低功耗等。

　　微細化技術(shù)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(yù)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(shù)，并將成為本世紀20年代的基礎(chǔ)技術(shù)。

　　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(shù)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(yīng)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

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　　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(shù)，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(shù)，但綜觀世界半導體業(yè)各生產(chǎn)公司，自130nm以下，共有6代生產(chǎn)工藝并存于世(圖1)。預(yù)計明年22nm將成主流生產(chǎn)技術(shù)。

　　另外還有一種提法，認為微細化技術(shù)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(shù)發(fā)展路線圖)的預(yù)測，今年1Xnm技術(shù)即將成事，9nm技術(shù)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(jīng)過革新原有技術(shù)，應(yīng)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(chǎn)時，現(xiàn)有的MOS晶體管結(jié)構(gòu)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(chǎn)品性能的新技術(shù)了。

　　結(jié)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(jié)構(gòu)、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。