半導體制程在創(chuàng )造力與技術(shù)進(jìn)步下不斷突破

作者/ 王瑩 《電子產(chǎn)品世界》編輯

編者按：我國的集成電路制造業(yè)正迎來(lái)大發(fā)展時(shí)代。世界芯片制造的現狀與未來(lái)方向如何?我國晶圓制造的特點(diǎn)是什么?

摩爾定律催生制程和封裝的進(jìn)步

　　問(wèn)：近幾年人們常談?wù)撃柖?，擔憂(yōu)是否會(huì )走到頭，您怎么看?

　　答：在過(guò)去幾十年里，摩爾定律只做了一件事，就是線(xiàn)寬微縮。目前來(lái)看，線(xiàn)寬微縮的速度減慢了。但摩爾定律的實(shí)質(zhì)是指半導體行業(yè)每隔18~24個(gè)月會(huì )進(jìn)一步，只不過(guò)在過(guò)去幾十年里，這個(gè)進(jìn)步是由簡(jiǎn)單的線(xiàn)寬微縮來(lái)實(shí)現的。到今天，線(xiàn)寬的微縮變得越來(lái)越困難，因此，為了實(shí)現性能的提高，人們采取了各種各樣的創(chuàng )新辦法。主要是三個(gè)大方向，晶體管的結構、存儲器的平面到縱向、封裝的結構。

　　邏輯芯片的晶體管從平面變成立體的FinFET，再往前，可能FinFET也不夠了，需要納米線(xiàn)。

　　而在存儲器方面，以前的存儲器是平房，現在發(fā)現人住不下了，就蓋樓，從32層、42層，到64層，現在大家都在談要做96層和128層。以前覺(jué)得128層怎么做得出來(lái)?現在大家覺(jué)得可以做了。

泛林集團副總裁兼中國區總經(jīng)理劉二壯博士

　　封裝的立體化是指，原來(lái)我們在凸塊上植球，形成銅柱，現在還可以在上面布線(xiàn)，布線(xiàn)意味著(zhù)可以將兩塊芯片疊在一起，增加功能，是一種SIP(堆疊封裝)集成。

　　所以，線(xiàn)寬微縮可能會(huì )慢下來(lái)，但人的創(chuàng )造性無(wú)限，我相信技術(shù)會(huì )一直進(jìn)步。

　　問(wèn)：微縮工藝的下一步期望是什么?

　　答：從現在的技術(shù)路線(xiàn)圖，我們在邏輯方面，從7納米、5納米到3納米，大家已經(jīng)看到3納米了，雖然沒(méi)有把它做出來(lái)，但是已經(jīng)看到怎么做了。

　　實(shí)際上，從技術(shù)角度，解決方案都有，問(wèn)題是要花多少成本/代價(jià)去實(shí)現它，這就變成摩爾定律成本的經(jīng)濟學(xué)考量，要把成本降低到大家都能接受的程度。在可預見(jiàn)的將來(lái)，這是有可能發(fā)生的。例如3D NAND閃存，現在我們在講128層，但現在也有新技術(shù)出現。大家都在思考，去解決立體堆疊可能走到盡頭的問(wèn)題。

多重曝光與EUV光刻

　　問(wèn)：半導體制程的挑戰是什么?

　　答：提到摩爾定律向前的進(jìn)步，是把晶體管越做越小。那么怎樣把小晶體管做出來(lái)呢?這種工藝一般叫作光刻工藝，就是在光刻時(shí)遮擋住一部分，其他的通過(guò)刻蝕拿掉。由于目前用的光的波長(cháng)比較長(cháng)，就很難把尺寸做得非常小，就像近視的人要想看得更清楚，就要想別的辦法。一種辦法是用EUV(極深紫外)使波長(cháng)變得更短，但這項技術(shù)非常貴(約1億歐元)，而且不成熟。

　　第二種辦法是通過(guò)創(chuàng )新性的方法來(lái)做。不就是為了把這條線(xiàn)刻出來(lái)嗎?刻這條線(xiàn)的時(shí)候也不一定非要留著(zhù)它，所以現在的辦法就是多重曝光技術(shù)。比如想做兩條很細的線(xiàn)，但是曝光不出來(lái)這條線(xiàn)，所以就先曝光一條比較粗的線(xiàn)，例如先曝光一條20納米的線(xiàn)，在兩邊各沉積5納米的“墻”，隨后把中間的20納米拿掉，就剩下“墻”，就這樣得到了5納米的線(xiàn)。

　　這種方法有一個(gè)特點(diǎn)，首先對淀積的要求非常高，以前光刻機對均勻度要求沒(méi)那么高，比較容易達到?？墒悄阕龆嘀仄毓獾矸e的時(shí)候，因為是一次性做出來(lái)的，所以對均勻度要求就更高了?！皦Α笔?納米，如果做成5.5納米，“墻”就厚了。因此設備對均勻度的要求非常高。同樣，刻蝕的均勻度要求也非常高，怎么做到呢?首先是腔體設計方面，刻蝕采用等離子體，它就是一個(gè)氣流，氣流的均勻度要求非常高，晶圓的中間和邊緣要非常一致。因此，在晶圓腔體的設計上要做很多計算機的模擬，以把氣流均勻做好。

　　第二，還不能往下掉東西，這樣會(huì )影響良率。因此，對腔體的缺陷會(huì )有嚴格的控制。缺陷怎么來(lái)的呢?一方面等離子體會(huì )轟擊腔體的墻壁;第二，在刻蝕過(guò)程中，有一些副產(chǎn)品會(huì )淀積在上面，因此之后會(huì )再用等離子體把副產(chǎn)物去掉;腔體底下還有一個(gè)閥門(mén)，過(guò)程中不能產(chǎn)生粉塵，所以這是非常復雜的過(guò)程。傳統上，過(guò)去幾十年來(lái)，人們一直通過(guò)腔體設計逐步做改善，到現在發(fā)現它已經(jīng)快走到瓶頸。以前的技術(shù)是被動(dòng)的，比如引入氣流去調節，現在變成主動(dòng)的，溫度高了以后就把它降下來(lái)，這是一項革命性的技術(shù)。例如可以通過(guò)調整，做到更好的均勻度。這是從刻蝕來(lái)看的一個(gè)進(jìn)步。

　　類(lèi)似在淀積、刻蝕、金屬鎢方面的進(jìn)步還有很多。在金屬鎢淀積方面，就像你打一口10米深的井，下雪后，雪很難把井填完?，F在技術(shù)已變得很容易。但進(jìn)一步，打井不算，井下還有橫著(zhù)跑的地道，豎著(zhù)橫著(zhù)都得填滿(mǎn)。泛林集團(Lam Research)今天非常擅長(cháng)這項技術(shù)，在金屬鎢淀積是99.7%的市場(chǎng)占有率。

　　問(wèn)：您一直在講沉積和刻蝕，是不是可以用這兩項技術(shù)結合來(lái)替代EUV光刻做不到的技術(shù)?

　　答：是的。通過(guò)這種方法可以突破目前光學(xué)分辨率的極限。目前14納米的FinFET基本都要用這項技術(shù)。

　　問(wèn)：何時(shí)會(huì )用到EUV光刻?

　　答：從技術(shù)角度看，本來(lái)希望在十幾納米制程就用到，但因為技術(shù)出不來(lái)，所以就改用多重曝光?，F在大家都認為在7納米時(shí)可以使用，當然不是全面應用，而是在某些特定的地方已經(jīng)開(kāi)始使用?？梢?jiàn)，EUV引進(jìn)的時(shí)間與原來(lái)希望的相比已經(jīng)晚了很多。

　　問(wèn)：晶圓設備市場(chǎng)有多大?

　　答：晶圓設備、半導體芯片和整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)呈倒三角關(guān)系。據中國工業(yè)和信息化部電子科技情報研究所、社科文獻出版社發(fā)布的工業(yè)和信息化的藍皮書(shū)稱(chēng)，全球電子行業(yè)整體約有價(jià)值兩萬(wàn)億美元的市場(chǎng)規，而這其中，半導體集成電路行業(yè)占到了約3400億美元的規模，即17%左右的份額。在這17%份額中，用于晶圓廠(chǎng)設備的大約有340億美元，但因為市場(chǎng)一直在變化，比如今年設備業(yè)發(fā)展非?？?，可能會(huì )超過(guò)400億美元。

中國制造市場(chǎng)

　　問(wèn)：現在中國的半導體業(yè)正蓬勃發(fā)展，您對此有何看法和建議?

　　答：一個(gè)行業(yè)需要腳踏實(shí)地地做起來(lái)，政府有《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》來(lái)推動(dòng)行業(yè)發(fā)展是非常好的，一方面咱們國家確實(shí)非常需要這個(gè)行業(yè)的發(fā)展;另一方面，半導體行業(yè)的投入巨大，如果沒(méi)有政府主動(dòng)推動(dòng)，讓它自然地發(fā)展是很困難的。事實(shí)也證明，自從2014年6月“綱要”發(fā)布至今，國內的半導體業(yè)發(fā)展這么快，主要原因就是政府推動(dòng)的結果。

　　第二，半導體的特點(diǎn)是每個(gè)環(huán)節都不能偏廢，不能只做成熟的，或只做最先進(jìn)的，其他的不做。既要兼顧最高精尖的技術(shù)發(fā)展，同時(shí)也要兼顧到市場(chǎng)的需求。對于國內企業(yè)來(lái)說(shuō)，成熟技術(shù)可能挺多的，高精尖的部分有，但現在還沒(méi)有做到，例如臺積電開(kāi)始做10納米了，7納米也要出爐了，那一塊的市場(chǎng)國內還沒(méi)有得到。所以我們要把缺失的部分趕上去，政府可以在其中起到助力。對于成熟的部分，市場(chǎng)就可以起到相當大的推動(dòng)作用。

　　問(wèn)：國內也有一些半導體設備商，您怎么看競爭?

　　答：從行業(yè)看，我們永遠歡迎大家都來(lái)參與到這個(gè)行業(yè)里;另外，有競爭才有發(fā)展。在高技術(shù)方面，我們更多的競爭是與一些國際大廠(chǎng);在國內，在一些非核心、非關(guān)鍵的層次上有競爭。

　　實(shí)際上，競爭在任何一個(gè)行業(yè)都永遠存在，競爭讓我們進(jìn)步。我們能做的，不是喜歡或者不喜歡競爭，而是把我們的本業(yè)做好，把我們的客戶(hù)照顧好。

　　例如國內企業(yè)在技術(shù)層面比國際最領(lǐng)先的企業(yè)往往還有一些差距，在存儲器方面剛起步。但是差距不是你想趕就能趕上的，需要很多具體的技術(shù)和細致的工作基礎。而泛林與全球先進(jìn)的企業(yè)有合作關(guān)系，在這個(gè)過(guò)程中也積累了非常多的經(jīng)驗，在跟國內客戶(hù)合作的過(guò)程中，可以把經(jīng)驗和價(jià)值帶到合作關(guān)系中來(lái)。相信這種合作能夠加快客戶(hù)公司的技術(shù)發(fā)展，盡快減少差距，迎頭趕上，并為客戶(hù)帶來(lái)價(jià)值。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第9期第1頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。