半導體制造的工藝與材料發(fā)展趨勢

作者/ 迎九 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：應用將持續驅動(dòng)芯片業(yè)的發(fā)展。摩爾定律將繼續演進(jìn)，但形式正發(fā)生變化，從注重特征尺寸的縮小，正轉變到同時(shí)關(guān)注材料和結構創(chuàng )新。預計中國半導體市場(chǎng)10年內翻番，將帶來(lái)半導體制造的興盛。為了迎接10nm以下的挑戰，應用材料公司近期推出了三款新產(chǎn)品。

　　在近日應用材料公司舉辦的媒體說(shuō)明會(huì )上，應用材料中國公司首席技術(shù)官趙甘鳴博士介紹了從該公司角度看未來(lái)晶圓制造的工藝與材料的發(fā)展趨勢。

晶圓設備支出的驅動(dòng)因素

　　如圖1，從2000年開(kāi)始，驅動(dòng)晶圓設備支出(WFE)的驅動(dòng)元素可以分成三個(gè)階段，第一階段是2000年到2008至2009年，主要是由PC+互聯(lián)網(wǎng)所驅動(dòng)的，平均每年大概是255億美元的投資，誤差80億美元左右。

　　2010年有新的移動(dòng)+社交媒體模式涌現，這一波行情也是非常振奮人心的，這期間每個(gè)人基本上有一到兩部移動(dòng)手機或平板電腦，上面有各種各樣的APP應用，使生活與社交非常方便。這一波對晶圓設備行業(yè)的影響，大概是在原來(lái)的基礎之上又增加了21%。從2010年到2016年，每年約317億美元的支出，每年會(huì )有一些波動(dòng)，波動(dòng)值在27億美元左右?，F在正在經(jīng)歷的這段時(shí)間及再往后，還是相對比較平穩發(fā)展的階段。

　　展望未來(lái)會(huì )有什么事情發(fā)生呢?是人工智能、IoT(物聯(lián)網(wǎng))、大數據、智能汽車(chē)、3D打印(增材制造)和個(gè)性化醫療等，它們都是未來(lái)驅動(dòng)整個(gè)市場(chǎng)或經(jīng)濟的非常重要的元素。

　　回歸到對芯片的生產(chǎn)會(huì )有怎樣的變化?例如手機硅片的內容增加了，數據爆發(fā)性增長(cháng)，電視、物聯(lián)網(wǎng)有顯示器的需求，以及AR/VR、人工智能等，這些終端市場(chǎng)的新需求最終會(huì )反映在半導體芯片的制造技術(shù)上。

　　通常認為10/7納米的代工會(huì )變得非常重要，3D NAND也是一種新的非常重要的存儲器結構，圖案化(patterning)也是趨勢，即縮小器件由光刻來(lái)主導的方向，變成由材料改變、結構改變來(lái)驅動(dòng)。具體來(lái)說(shuō)，原來(lái)是靠光刻機縮小光刻尺寸，現在大家在尋找其他解決方案，把器件的結構由原來(lái)是平面的變成三維的，這就需要通過(guò)材料工程來(lái)實(shí)現。另外是新的材料、器件會(huì )進(jìn)來(lái)，大家可能會(huì )把原來(lái)傳統的scaling是由光刻工藝決定的，變成增加由材料和結構來(lái)改變的方法。

關(guān)鍵技術(shù)變革推動(dòng)摩爾定律發(fā)展

　　業(yè)內在討論摩爾定律是否會(huì )終結。從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)看，摩爾定律還是會(huì )繼續走下去，只是它的表現形式有所改變?？梢钥吹郊夹g(shù)的節點(diǎn)，十幾年前認為是0.25微米，現在已有5納米的加工技術(shù)。光刻波長(cháng)在逐漸的縮小，但是到了5納米時(shí)，光刻再往下就很困難了，未來(lái)patterning(圖案化，例如double-patterning, multi- patterning等)在EUV還是有可能的。

　　因此，除了工藝上的變化，還有新材料和3D結構的革新(圖2)。例如，在過(guò)去的一段時(shí)間內，28納米、20納米、FinFET等帶來(lái)材料的很大變化，出現了高K金屬柵、鈷襯墊/蓋，然后是3D FinFET(圖3)，所以技術(shù)的延伸由僅靠光刻的縮小，而變成了由材料、結構和尺寸搭配的解決方案。目前有一些挑戰性的解決方案，包括接觸區創(chuàng )新和新型互聯(lián)材料的解決方案。

　　未來(lái)，FinFET往下是什么?是接觸區創(chuàng )新，采用SiGe通道還是柵繞式結構，還是有其他的解決方案?這個(gè)大家都在觀(guān)望，沒(méi)有一個(gè)非常清晰的共識。但是10納米、7納米是比較清晰的。

　　從由光刻所決定的scaling變成材料工程器件的改變，這對材料企業(yè)是有優(yōu)勢的。應用材料公司等企業(yè)正在原子層面上創(chuàng )新或者改變材料，但僅僅是科研還不夠，還要實(shí)現工程化、量產(chǎn)化和工業(yè)化，這是非常重要的。

中國半導體及晶圓市場(chǎng)瞭望

　　據國際商業(yè)戰略(International Business Strategies)公司2016年的預測，2016年中國半導體市場(chǎng)為1670億美元，十年后翻番(如圖4)。從應用材料公司跟相關(guān)客戶(hù)接觸所知，中國代工和內存線(xiàn)加起來(lái)約有十三條線(xiàn)，WFE投資額未來(lái)5年支出大約為200~300億美元。

應用材料公司背景

　　應用材料公司在材料、服務(wù)和多種產(chǎn)品組合方面擁有優(yōu)勢。在研發(fā)方面投資巨大，過(guò)去十年的年均投入是10億美元，2015年達15億美元。公司在晶體管、互聯(lián)、圖案化、封裝和檢測等半導體制程中居于行業(yè)領(lǐng)導地位。

　　應用材料公司半導體產(chǎn)品事業(yè)部的產(chǎn)品群有八個(gè)：沉積、金屬鍍膜、檢測、電鍍、熱處理、CMP(平坦化，或稱(chēng)機械拋光)、刻蝕和離子注入。

　　這些產(chǎn)品的組合為應用材料公司與客戶(hù)在最新技術(shù)上的緊密合作提供了機會(huì )。了解客戶(hù)需要什么，不僅僅是現在量產(chǎn)的問(wèn)題，還有未來(lái)兩三代客戶(hù)思考的問(wèn)題，找到客戶(hù)最需要的技術(shù)，去投資、開(kāi)發(fā)。應用材料公司提供的不是單一技術(shù)，而是全套解決方案，這個(gè)對客戶(hù)來(lái)講非常重要，因為很多時(shí)候，工藝之間的磨合也是很重要的。拆開(kāi)的工藝現象和整合在一起是不一樣的，無(wú)論是器件的可靠性還是性能，都會(huì )有較大的差異。

應用材料公司的三款10nm產(chǎn)品

　　為了迎接10nm以下的挑戰，應用材料公司推出了三個(gè)法寶：1nm電子束檢測設備 - ProVisionTM，分辨率提高3倍、速度提升3倍;利用縫隙抑制型鎢填充接觸區工藝來(lái)降低良率 - Endura@ VoltaTM CVD W以及Centura@ iSprintTM ALD/CVD SSW;以突破性的蝕刻技術(shù)實(shí)現原子級的蝕刻精準性 - Producer@ SelectraTM。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第6頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。