半導(dǎo)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(guó)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(xiàn)狀與未來(lái)方向如何?我國(guó)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?，?dān)憂是否會(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，就是線寬微縮。目前來(lái)看，線寬微縮的速度減慢了。但摩爾定律的實(shí)質(zhì)是指半導(dǎo)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)單的線寬微縮來(lái)實(shí)現(xiàn)的。到今天，線寬的微縮變得越來(lái)越困難，因此，為了實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)器的平面到縱向、封裝的結(jié)構(gòu)。

　　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。

　　而在存儲(chǔ)器方面，以前的存儲(chǔ)器是平房，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)人住不下了，就蓋樓，從32層、42層，到64層，現(xiàn)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(xiàn)在大家覺(jué)得可以做了。

泛林集團(tuán)副總裁兼中國(guó)區(qū)總經(jīng)理劉二壯博士

　　封裝的立體化是指，原來(lái)我們?cè)谕箟K上植球，形成銅柱，現(xiàn)在還可以在上面布線，布線意味著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(xiàn)在的技術(shù)路線圖，我們?cè)谶壿嫹矫?，?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(xiàn)它，這就變成摩爾定律成本的經(jīng)濟(jì)學(xué)考量，要把成本降低到大家都能接受的程度。在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，這是有可能發(fā)生的。例如3D NAND閃存，現(xiàn)在我們?cè)谥v128層，但現(xiàn)在也有新技術(shù)出現(xiàn)。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(dǎo)體制程的挑戰(zhàn)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(zhǎng)比較長(zhǎng)，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(zhǎng)變得更短，但這項(xiàng)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刻出來(lái)嗎?刻這條線的時(shí)候也不一定非要留著它，所以現(xiàn)在的辦法就是多重曝光技術(shù)。比如想做兩條很細(xì)的線，但是曝光不出來(lái)這條線，所以就先曝光一條比較粗的線，例如先曝光一條20納米的線，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。

　　這種方法有一個(gè)特點(diǎn)，首先對(duì)淀積的要求非常高，以前光刻機(jī)對(duì)均勻度要求沒(méi)那么高，比較容易達(dá)到。可是你做多重曝光淀積的時(shí)候，因?yàn)槭且淮涡宰龀鰜?lái)的，所以對(duì)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(shè)備對(duì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)上要做很多計(jì)算機(jī)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(duì)腔體的缺陷會(huì)有嚴(yán)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(fù)雜的過(guò)程。傳統(tǒng)上，過(guò)去幾十年來(lái)，人們一直通過(guò)腔體設(shè)計(jì)逐步做改善，到現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)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(diào)節(jié)，現(xiàn)在變成主動(dòng)的，溫度高了以后就把它降下來(lái)，這是一項(xiàng)革命性的技術(shù)。例如可以通過(guò)調(diào)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(xiàn)在技術(shù)已變得很容易。但進(jìn)一步，打井不算，井下還有橫著跑的地道，豎著橫著都得填滿。泛林集團(tuán)(Lam Research)今天非常擅長(zhǎng)這項(xiàng)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(xiàng)技術(shù)結(jié)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(xiàng)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?yàn)榧夹g(shù)出不來(lái)，所以就改用多重曝光?，F(xiàn)在大家都認(rèn)為在7納米時(shí)可以使用，當(dāng)然不是全面應(yīng)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(shè)備市場(chǎng)有多大?

　　答：晶圓設(shè)備、半導(dǎo)體芯片和整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)呈倒三角關(guān)系。據(jù)中國(guó)工業(yè)和信息化部電子科技情報(bào)研究所、社科文獻(xiàn)出版社發(fā)布的工業(yè)和信息化的藍(lán)皮書(shū)稱，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(guī)，而這其中，半導(dǎo)體集成電路行業(yè)占到了約3400億美元的規(guī)模，即17%左右的份額。在這17%份額中，用于晶圓廠設(shè)備的大約有340億美元，但因?yàn)槭袌?chǎng)一直在變化，比如今年設(shè)備業(yè)發(fā)展非?？欤赡軙?huì)超過(guò)400億美元。

中國(guó)制造市場(chǎng)

　　問(wèn)：現(xiàn)在中國(guó)的半導(dǎo)體業(yè)正蓬勃發(fā)展，您對(duì)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(guó)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(guó)家確實(shí)非常需要這個(gè)行業(yè)的發(fā)展;另一方面，半導(dǎo)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(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展這么快，主要原因就是政府推動(dòng)的結(jié)果。

　　第二，半導(dǎo)體的特點(diǎn)是每個(gè)環(huán)節(jié)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(duì)于國(guó)內(nèi)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(xiàn)在還沒(méi)有做到，例如臺(tái)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(guó)內(nèi)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(duì)于成熟的部分，市場(chǎng)就可以起到相當(dāng)大的推動(dòng)作用。

　　問(wèn)：國(guó)內(nèi)也有一些半導(dǎo)體設(shè)備商，您怎么看競(jìng)爭(zhēng)?

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

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

　　例如國(guó)內(nèi)企業(yè)在技術(shù)層面比國(guó)際最領(lǐng)先的企業(yè)往往還有一些差距，在存儲(chǔ)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(xì)致的工作基礎(chǔ)。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(yàn)，在跟國(guó)內(nèi)客戶合作的過(guò)程中，可以把經(jīng)驗(yàn)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公司的技術(shù)發(fā)展，盡快減少差距，迎頭趕上，并為客戶帶來(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。