推动半导体产业链发展的两大轮子
发布时间:2007/8/30 0:00:00 访问次数:676
摘要：我们发现有两大轮子推动着半导体产业链向前发展，一是不断缩小特征尺寸，二是不断扩大晶圆尺寸。
关键词：半导体产业链； 特征尺寸； 晶圆尺寸
1 前言
经长期观察分析，我们发现有两大轮子推动着半导体产业链不断地向前发展。一个轮子是不断地缩小芯片的特征尺寸，近几年已从1μm→0.5μm→0.35μm→0.25μm→0.18μm→0.13μm，正在从100nm→70nm→50nm→30nm→22nm挺进。目前0.13μm工艺已达量产，有4座0.13μm、200mm 晶圆厂生产奔腾4微处理器，2002年底再增加2座0.13μm、300mm晶圆厂生产微处理器，至此该公司有6座0.13μm工艺的晶圆厂。100nm工艺已水到渠成，如2003年下半年起英特尔、AMD、TI、台积电、台联电、亿恒和三星等世界顶级IC厂商将陆续投产采用90nm工艺的IC，如微处理器、逻辑器件和闪存等。50nm工艺浮出水面，如美国Numeri Technology公司在麻省理工学院林肯实验室采用自身专利技术和DUV248nmKRF Stepper（准分子激光扫描分步投影光刻机）研制出50nm的半导体门单元集。另一个轮子是不断地扩大晶圆尺寸，已从100mm→125mm→150mm→200mm→300mm，计划向350mm→400mm过渡。目前，全球200mm晶圆生产线有几百条，已建、在建和计划建设的300mm晶圆生产线约有40余条，其中美国有10多条，台湾地区有10多条，欧洲、日本、韩国和新加坡等有10多条，如在2003年底之前英特尔公司有6条300mm晶圆生产线投产，台积电和台联电各有4条300mm晶圆生产线达量产。正因为有缩小特征尺寸和扩大晶圆尺寸这两个轮子交替地向前滚动，才能不断地推动着半导体产业链螺旋式地向前发展。
2 一个轮子——不断缩小特征尺寸
缩小芯片特征尺寸的最大的好处是提高芯片集成度，改善芯片性能（如提高晶体管运行速度等）和降低成本，从而获得更大的利润。2001年的ITRS 《国际半导体技术指南》主要着眼于未来15年内使用的半导体制造技术。2001年的ITRS指出，2001年芯片特征尺寸可达0.13μm，2004年实现90nm，比1999年的ITRS整整提前了一年。2003年下半年起英特尔公司等世界著名IC厂商将投产90nm工艺的IC，它表明比2001年的ITRS又提前了一年。2001年ITRS继续指出，2007年达70nm，2010年达50nm，2013年达30nm，2016年达22nm。2001年 ITRS预测，半导体新工艺、新技术的革新将在3年内展开，重点是缩小芯片特征尺寸和实施铜互连技术。IC Insights公司预测，2002年的300亿美元投资中，有80%的资金用于技术改造，如缩小芯片特征尺寸和实施铜互连技术等。2001年ITRS强调：“在2005年以前业界将受到光刻技术的限制”。IC Insights公司分析师Bill Mcclean认为：“业界需要用很能长一段时间来解决光刻技术难题。”在解决技术难题前，首先受到来自经济方面的限制”。2001年ITRS还预测：“2016年芯片特征尺寸可缩小到22nm，届时，传统的CMOS技术很可能不会有更大突破，而诸如双门晶体管、纵向晶体管和超薄绝缘体硅等新技术将得以迅速发展”。为此，International Roadmap协作主席、英特尔的Pado Gargini说：“我们可以进一步发展CMOS技术，但是，我们必须面现实，另辟蹊径”。
关于芯片特征尺寸能否继续缩小在世界展开了争论，如在2002年ISSCC会议上，与会者就芯片特征尺寸是否能继续缩小展开了争议，同意将芯片特征尺寸继续缩小的一方是系统设计者和大多数存储器设计者，反对方是大多数数字IC、模拟IC、RF电路、混合信号IC、全定制及库单元设计者。
系统设计者和大多数存储器设计者关于进一步缩小芯片特征尺寸的呼声代表着IC产业链不断向前发展的主流。如飞利浦公司研发副总裁Fred Boekhorst指出：“要想普及环境智能型系统，就必须大幅度降低其功率、裸片尺寸及成本”，“环境智能系统要求子系统能同时适应9个数量级和带宽和计算负载以及跨越6个数量级的功耗，大多数情况下必须将功耗降到0.1mw左右，而目前蓝牙器件功耗至少为50mw。另外，当前蓝牙器件正努力向5美元的成本冲刺，而环境智能型器件必须降到美分级”。多数存储器供应商认为：“减小CMOS 尺寸是绝对必要的，尽管在DRAM的密度上设备没太大的突破，DRAM开发者仍自信地表示要将库单元、架构至少减少到90nm。”
日前，阻碍芯片特征尺寸进一步缩小的瓶颈是光学光刻技术。为此，世界各国科学家致力研究下一代光刻技术，如157nm光学光刻、EBL光刻、离子束投影光刻、α射线光刻和EUVL光刻等。芯片特征尺寸的进一步缩小要求光刻曝光波长随之缩短，从g线（436nm）→I线（365nm）→远紫外线（248nm KRF准分子激光光源）→远紫外线（193nm ARF准分子激光光源）。为了进一步提高光学光刻机的分辨率，必须采用“光学波前工程”，如移相掩模（PSM）、光学邻近效应校正（OPC）和离轴照明（OAI）等技术。如今，248nm Stepper（准分子激光扫描分步投影光刻机）已成为0.13μm工艺的主流设备，2003年193nm ArF Stepper将成为90nm工艺的主流设备，预计157nm F Stepper将承担70nm工艺的重任，
摘要：我们发现有两大轮子推动着半导体产业链向前发展，一是不断缩小特征尺寸，二是不断扩大晶圆尺寸。
关键词：半导体产业链； 特征尺寸； 晶圆尺寸
1 前言
经长期观察分析，我们发现有两大轮子推动着半导体产业链不断地向前发展。一个轮子是不断地缩小芯片的特征尺寸，近几年已从1μm→0.5μm→0.35μm→0.25μm→0.18μm→0.13μm，正在从100nm→70nm→50nm→30nm→22nm挺进。目前0.13μm工艺已达量产，有4座0.13μm、200mm 晶圆厂生产奔腾4微处理器，2002年底再增加2座0.13μm、300mm晶圆厂生产微处理器，至此该公司有6座0.13μm工艺的晶圆厂。100nm工艺已水到渠成，如2003年下半年起英特尔、AMD、TI、台积电、台联电、亿恒和三星等世界顶级IC厂商将陆续投产采用90nm工艺的IC，如微处理器、逻辑器件和闪存等。50nm工艺浮出水面，如美国Numeri Technology公司在麻省理工学院林肯实验室采用自身专利技术和DUV248nmKRF Stepper（准分子激光扫描分步投影光刻机）研制出50nm的半导体门单元集。另一个轮子是不断地扩大晶圆尺寸，已从100mm→125mm→150mm→200mm→300mm，计划向350mm→400mm过渡。目前，全球200mm晶圆生产线有几百条，已建、在建和计划建设的300mm晶圆生产线约有40余条，其中美国有10多条，台湾地区有10多条，欧洲、日本、韩国和新加坡等有10多条，如在2003年底之前英特尔公司有6条300mm晶圆生产线投产，台积电和台联电各有4条300mm晶圆生产线达量产。正因为有缩小特征尺寸和扩大晶圆尺寸这两个轮子交替地向前滚动，才能不断地推动着半导体产业链螺旋式地向前发展。
2 一个轮子——不断缩小特征尺寸
缩小芯片特征尺寸的最大的好处是提高芯片集成度，改善芯片性能（如提高晶体管运行速度等）和降低成本，从而获得更大的利润。2001年的ITRS 《国际半导体技术指南》主要着眼于未来15年内使用的半导体制造技术。2001年的ITRS指出，2001年芯片特征尺寸可达0.13μm，2004年实现90nm，比1999年的ITRS整整提前了一年。2003年下半年起英特尔公司等世界著名IC厂商将投产90nm工艺的IC，它表明比2001年的ITRS又提前了一年。2001年ITRS继续指出，2007年达70nm，2010年达50nm，2013年达30nm，2016年达22nm。2001年 ITRS预测，半导体新工艺、新技术的革新将在3年内展开，重点是缩小芯片特征尺寸和实施铜互连技术。IC Insights公司预测，2002年的300亿美元投资中，有80%的资金用于技术改造，如缩小芯片特征尺寸和实施铜互连技术等。2001年ITRS强调：“在2005年以前业界将受到光刻技术的限制”。IC Insights公司分析师Bill Mcclean认为：“业界需要用很能长一段时间来解决光刻技术难题。”在解决技术难题前，首先受到来自经济方面的限制”。2001年ITRS还预测：“2016年芯片特征尺寸可缩小到22nm，届时，传统的CMOS技术很可能不会有更大突破，而诸如双门晶体管、纵向晶体管和超薄绝缘体硅等新技术将得以迅速发展”。为此，International Roadmap协作主席、英特尔的Pado Gargini说：“我们可以进一步发展CMOS技术，但是，我们必须面现实，另辟蹊径”。
关于芯片特征尺寸能否继续缩小在世界展开了争论，如在2002年ISSCC会议上，与会者就芯片特征尺寸是否能继续缩小展开了争议，同意将芯片特征尺寸继续缩小的一方是系统设计者和大多数存储器设计者，反对方是大多数数字IC、模拟IC、RF电路、混合信号IC、全定制及库单元设计者。
系统设计者和大多数存储器设计者关于进一步缩小芯片特征尺寸的呼声代表着IC产业链不断向前发展的主流。如飞利浦公司研发副总裁Fred Boekhorst指出：“要想普及环境智能型系统，就必须大幅度降低其功率、裸片尺寸及成本”，“环境智能系统要求子系统能同时适应9个数量级和带宽和计算负载以及跨越6个数量级的功耗，大多数情况下必须将功耗降到0.1mw左右，而目前蓝牙器件功耗至少为50mw。另外，当前蓝牙器件正努力向5美元的成本冲刺，而环境智能型器件必须降到美分级”。多数存储器供应商认为：“减小CMOS 尺寸是绝对必要的，尽管在DRAM的密度上设备没太大的突破，DRAM开发者仍自信地表示要将库单元、架构至少减少到90nm。”
日前，阻碍芯片特征尺寸进一步缩小的瓶颈是光学光刻技术。为此，世界各国科学家致力研究下一代光刻技术，如157nm光学光刻、EBL光刻、离子束投影光刻、α射线光刻和EUVL光刻等。芯片特征尺寸的进一步缩小要求光刻曝光波长随之缩短，从g线（436nm）→I线（365nm）→远紫外线（248nm KRF准分子激光光源）→远紫外线（193nm ARF准分子激光光源）。为了进一步提高光学光刻机的分辨率，必须采用“光学波前工程”，如移相掩模（PSM）、光学邻近效应校正（OPC）和离轴照明（OAI）等技术。如今，248nm Stepper（准分子激光扫描分步投影光刻机）已成为0.13μm工艺的主流设备，2003年193nm ArF Stepper将成为90nm工艺的主流设备，预计157nm F Stepper将承担70nm工艺的重任，
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