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[资讯] 14nm制程是半导体业难以跨越的坎?

[资讯] 14nm制程是半导体业难以跨越的坎?



依照摩尔定律,全球半导体的工艺制程技术平均每两年进入一个新世代。从理性分析来看,业界都认为半导体业迟早会遇到技术上无法克服的物理极限,有人说是10nm,也有人说是7nm甚至是5nm。极限在哪里,最终将由市场做出选择,它不仅受限于技术因素,还受成本等综合因素的限制,因为即使在技术上可行,产品也未必能够受到业界的青睐。因此,目前为止权威人士预测,制程技术上的瓶颈可能出现在2018年左右。
14nm制程可能是个坎
14nm制程可能是个坎,采用三次图形曝光技术或EUV光刻技术。
缩小线路工艺尺寸和扩大硅片直径是推动半导体业不断地进步的“两个轮子”,然而,目前这两个轮子都遇到了障碍。
工艺微缩技术正面临瓶颈。从原理上分析,采用任何波长的光源都可以得到分辨率为1/3波长的特征图形。业界依此原理开发出将光源从248nm转变成193nm的光刻设备,并用于65nm制程。另外又开发了多种提高分辨率的辅助技术,如相位移掩模版(PSMs),它是拓展193nm光刻能力的关键。PSMs的继续发展将依赖于更强的相位移和更复杂的特征结构,目前最基本的是6%嵌入式的PSMs。
要使相位移技术达到下一代工艺水平要求,掩模版类型主要有三种:补偿式相位移、两次曝光图形和可以进行低k1成像的一次曝光技术。目前两次图形曝光技术已趋于主流。之后设备厂开发出浸液式光刻技术,相当于将193nm波长缩短到134nm,从而提高了分辨率。业界试图找出比纯水折射指数更高的液体介质,但至今仍未遂愿。
目前利用193nm浸液式光刻技术加上两次图形曝光技术等已经成功实现了20nm工艺技术的量产。业界一致认为下一代14nm制程可能是个坎,要么采用更复杂的三次图形曝光技术,但会大幅增加曝光次数及成本;要么采用革命性的EUV光刻技术。
不同解决方案各有利弊,各家公司都在做出选择。英特尔倾向于采用三次图形曝光技术,并认为有可能把193nm浸液式光刻技术延伸至10nm甚至7nm。而IBM则坚信采用两次图形曝光技术可以缩小到10nm,并表示未来CMOS的尺寸缩小不会马上止步。至于EUV技术仍面临光源强度不够以及掩膜版等配套材料需完善的问题。与此同时,其他多种光刻技术如电子束直写等也引起业界关注。
450mm设备厂积极性不高
受限于摩尔定律趋向终结等因素,450mm硅片可能会推迟更替。
硅片直径也不可能无限扩大。目前,硅片直径正由300mm向450mm过渡。从理性思维出发,硅片直径增大是迟早会被采用的,但至今为何未被市场接受呢?可能有两方面原因:一是半导体设备厂的积极性不高,认为450mm设备200亿美元的研发成本可能无法收回;二是450mm硅片的建厂费用高达100亿美元。目前对450mm制造厂有兴趣的厂商仅英特尔、三星及台积电三家。
150mm的6英寸硅片产能在1999年左右开始下降,200mm硅片产能在2009年左右下降,表明接近10年为一个硅片尺寸发展周期,由此推算2019年应该发生450mm与300mm的硅片交替。目前受限于全球经济大环境及摩尔定律趋向终结等因素,450mm硅片可能会推迟更替。
为了迎接挑战,加快EUV光刻与450mm的进程,半导体产业链合作也在悄悄发生变化,如2012年ASML接受英特尔、台积电与三星的投资入股。
很难再现两位数以上增长
450mm硅片和EUV光刻尚需在技术手段及市场接受度方面取得突破。
受限于IC研发成本的高耸,许多顶级的IDM大厂开始拥抱代工,或转变成fabless。在尺寸缩小方面,可能会于14nm制程时受限,即便有一定的进展,未来由于成本太高,每两年上升一个工艺台阶的进程肯定会减缓。
虽然450mm硅片会伴随着14nm及以下制程推进,但是根据目前已公布的路线图显示,英特尔在2013年将开始投产20nm制程,2014年晋升至14nm,2015年将达到10nm(滞后于研发路线图)。而台积电的工艺路线图为16nm提前至2013年10月~12月投产,10nm技术在2015年投产,并声称从16nm开始采用Fin-FET结构。因此估计全球450mm硅片生产线最快可能于2015年有样片流出。
不管如何,全球半导体业自2010年增长32%之后,2011年及2012年连续两年踏步不前,今后在450mm硅片与EUV光刻未实现突破的情况下很难再实现两位数以上的增长。
未来半导体制造工艺可能还有两个“发动机”,分别是450mm硅片和EUV光刻。相对于EUV光刻,450mm硅片可能会走在前列。不过目前两者都遇到瓶颈,尚需在技术手段及市场接受度方面取得突破。

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