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(yīng)用將持續(xù)驅(qū)動芯片業(yè)的發(fā)展。摩爾定律將繼續(xù)演進，但形式正發(fā)生變化，從注重特征尺寸的縮小，正轉(zhuǎn)變到同時關(guān)注材料和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。預(yù)計中國半導體市場10年內(nèi)翻番，將帶來半導體制造的興盛。為了迎接10nm以下的挑戰(zhàn)，應(yīng)用材料公司近期推出了三款新產(chǎn)品。

　　在近日應(yīng)用材料公司舉辦的媒體說明會上，應(yīng)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晶圓制造的工藝與材料的發(fā)展趨勢。

晶圓設(shè)備支出的驅(qū)動因素

　　如圖1，從2000年開始，驅(qū)動晶圓設(shè)備支出(WFE)的驅(qū)動元素可以分成三個階段，第一階段是2000年到2008至2009年，主要是由PC+互聯(lián)網(wǎng)所驅(qū)動的，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+社交媒體模式涌現(xiàn)，這一波行情也是非常振奮人心的，這期間每個人基本上有一到兩部移動手機或平板電腦，上面有各種各樣的APP應(yīng)用，使生活與社交非常方便。這一波對晶圓設(shè)備行業(yè)的影響，大概是在原來的基礎(chǔ)之上又增加了21%。從2010年到2016年，每年約317億美元的支出，每年會有一些波動，波動值在27億美元左右?，F(xiàn)在正在經(jīng)歷的這段時間及再往后，還是相對比較平穩(wěn)發(fā)展的階段。

　　展望未來會有什么事情發(fā)生呢?是人工智能、IoT(物聯(lián)網(wǎng))、大數(shù)據(jù)、智能汽車、3D打印(增材制造)和個性化醫(yī)療等，它們都是未來驅(qū)動整個市場或經(jīng)濟的非常重要的元素。

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

　　通常認為10/7納米的代工會變得非常重要，3D NAND也是一種新的非常重要的存儲器結(jié)構(gòu)，圖案化(patterning)也是趨勢，即縮小器件由光刻來主導的方向，變成由材料改變、結(jié)構(gòu)改變來驅(qū)動。具體來說，原來是靠光刻機縮小光刻尺寸，現(xiàn)在大家在尋找其他解決方案，把器件的結(jié)構(gòu)由原來是平面的變成三維的，這就需要通過材料工程來實現(xiàn)。另外是新的材料、器件會進來，大家可能會把原來傳統(tǒng)的scaling是由光刻工藝決定的，變成增加由材料和結(jié)構(gòu)來改變的方法。

關(guān)鍵技術(shù)變革推動摩爾定律發(fā)展

　　業(yè)內(nèi)在討論摩爾定律是否會終結(jié)。從技術(shù)發(fā)展的角度來看，摩爾定律還是會繼續(xù)走下去，只是它的表現(xiàn)形式有所改變?？梢钥吹郊夹g(shù)的節(jié)點，十幾年前認為是0.25微米，現(xiàn)在已有5納米的加工技術(shù)。光刻波長在逐漸的縮小，但是到了5納米時，光刻再往下就很困難了，未來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(jié)構(gòu)的革新(圖2)。例如，在過去的一段時間內(nèi)，28納米、20納米、FinFET等帶來材料的很大變化，出現(xiàn)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(jié)構(gòu)和尺寸搭配的解決方案。目前有一些挑戰(zhàn)性的解決方案，包括接觸區(qū)創(chuàng)新和新型互聯(lián)材料的解決方案。

　　未來，F(xiàn)inFET往下是什么?是接觸區(qū)創(chuàng)新，采用SiGe通道還是柵繞式結(jié)構(gòu)，還是有其他的解決方案?這個大家都在觀望，沒有一個非常清晰的共識。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(yīng)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，還要實現(xiàn)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瞭望

　　據(jù)國際商業(yè)戰(zhàn)略(International Business Strategies)公司2016年的預(yù)測，2016年中國半導體市場為1670億美元，十年后翻番(如圖4)。從應(yīng)用材料公司跟相關(guān)客戶接觸所知，中國代工和內(nèi)存線加起來約有十三條線，WFE投資額未來5年支出大約為200~300億美元。

應(yīng)用材料公司背景

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

　　這些產(chǎn)品的組合為應(yīng)用材料公司與客戶在最新技術(shù)上的緊密合作提供了機會。了解客戶需要什么，不僅僅是現(xiàn)在量產(chǎn)的問題，還有未來兩三代客戶思考的問題，找到客戶最需要的技術(shù)，去投資、開發(fā)。應(yīng)用材料公司提供的不是單一技術(shù)，而是全套解決方案，這個對客戶來講非常重要，因為很多時候，工藝之間的磨合也是很重要的。拆開的工藝現(xiàn)象和整合在一起是不一樣的，無論是器件的可靠性還是性能，都會有較大的差異。

應(yīng)用材料公司的三款10nm產(chǎn)品

　　為了迎接10nm以下的挑戰(zhàn)，應(yīng)用材料公司推出了三個法寶：1nm電子束檢測設(shè)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(qū)工藝來降低良率 - Endura@ VoltaTM CVD W以及Centura@ iSprintTM ALD/CVD SSW;以突破性的蝕刻技術(shù)實現(xiàn)原子級的蝕刻精準性 - Producer@ SelectraTM。

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