半导体工业的发展概况(上)

半导体工业的发展概况(上)1半导体硅工业的发展随着社会的发展，直到20世纪时，世人才发现硅具有半导体的性质。这些性质包括其电阻率随着温度的增加而递减、光电效应、热电效应、磁电效应、霍尔效应及其与金属接触的整流效应等。继硅晶体管发明之后，虽然可利用乔赫拉斯基法来制备硅单晶体，但是由于直拉(CZ)法生长的硅单晶，因由于使用的石英坩埚会受到硅熔体的侵蚀而增加氧的沾污。为了获得高纯度的硅单晶体，1956年HenryTheurer发明了区熔法(FZ)[6]。区熔法因没有使用石英坩埚容器，故不存在氧污染的问题。之后，在1958年由于DashFI发明了一种五位错单晶生长法，才使得生长优质大直径硅单晶技术得到了不断发展。1958年，Kilby(基尔比)在美国德州仪器公司发明了集成电路[8]，奠定了信息时代到来的基础。第一代IC(集成电路)问世后，半导体工业迅速得到了发展，晶片上的电子元器件的密度和复杂性，也就从小规模集成电路(SSI)向中规模集成电路(MSB、大规模集成电路(LSB、超大规模集成电路(VLSI)、甚大规模集成电路(ULSI)不断地发展。集成电路的应用范围相当广泛，按不同的用途集成电路的分类见图1所示”。以硅材料为主的半导体专用材料已是电子信息产业最重要的基础、功能材料，在国民经济和军事工业中占有很重要的地位。全世界的半导体器件中有95％以上是用硅材料制成，其中85％的集成电路也是由硅材料制成。2国外半导体工业发展动态随着IC工艺、技术的不断发展，硅单晶的直径尺寸越做越大，40多年来，小于中200mm的硅单晶片已经进入商业生产应用的水平，中300mm的硅单晶抛光片也已在特征尺寸线宽小于0．13μm的IC器件工艺中得到了广泛应用，并已进入了研制、生产的阶段，中400mm的硅单晶也进入了开发、研究的阶段。纳米电子技术必将成为今后研究和发展的方向。2．1硅集成电路发展现状制备集成电路用的硅单晶直径研制发展历史见表1所示。*现尚处于开发、研究的阶段Φ300mm硅单晶片与其它直径硅单晶片的比较见表2。根据《国际半导体技术路线指南InternationalTechnologyRoadmapSemiconductors》(ITRS)1998年、2000年、2001年、2003年在近期、远期中对IC用硅抛光片的技术要求预测报道[10]，关于未来15年内的半导体制造技术分析，对集成电路芯片的特征尺寸变化及对硅抛光片的几何尺寸加工精度有了更严格要求。参见图2、图6和表3表6。美国英特尔公司最初创始人之一的GordonMoore(戈登·摩尔)先生首先预测到集成电路芯片的容量(集成度)会逐年递增翻番，而价格上则是相应的逐年递减，认为单个微处理器芯片的性能增长是按照指数曲线、几何级数的规律增长，在对数图上呈现的是一条直线型的发展趋势，而且一直到今天这种发展趋势都得到了事实的验证。根据1965年GordonMoore的《摩尔定律》预言：芯片上晶体管的数目每隔18-24个月就将增加1倍。事实上在一个芯片上的晶体管数目已经由1969年的2300个增长到2000年Pentium4微处理器的4200万个，即增长了1．8万多倍。目前，已能在一个芯片上集成108个晶体管。20世纪90年代末，集成电路、微处理器的芯片制造工艺已从“微米级”、“深亚微米级”进入到“纳米电子级”的系统单芯片时代，在一个芯片上，可集成包括CPU、DSP、逻辑电路、模拟电路、射频电路、存储器和其他电路模块及嵌入软件等，并相互连接构成完整的系统。到2004年后，小于90nm的制造工艺将会被运用到大量的芯片生产之中。在过去近40多年里，全球半导体产业的发展一直是遵循着这条《摩尔定律》而得到了高速的发展。当然，目前对关于《摩尔定律》还能适用多久，已经存在着有两种不同的看法：一种观点认为10年内《摩尔定律》仍然有效；另外一种观点则认为《摩尔定律》将面临着难以克服的障碍，最终会影响《摩尔定律》的继续引用。当前关于《摩尔定律》还能适用多久的争论实质上就是对缩小芯片的特征尺寸的争论。但是《摩尔定律》的原创者、英特尔公司创始人之一的GordonMoore博士于2003年12月10日，在美国旧金山召开的一次国际会议上向与会的著名芯片设计人员、工程师们曾讲过，《摩尔定律》的未来将取决于芯片设计人员的创新能力，并同时鼓励他们迎接新的挑战。美国英特尔公司微处理器的发展就是这条《摩尔定律》的明证。图3所示为美国英特尔公司对微处理器的发展及预测。美国英特尔公司自1969年推出世界上第一块4位微处理器芯片4004，集成度是2300个晶体管、于2000年推出微处理器芯片Pentiun4，集成度是4200万个晶体管。目前，已能在一个芯片上集成108个晶体管。英特尔公司预言，2010年将推出集成度为10亿个晶体管的微处理器，其性能为1000亿／s。随着VLSI技术的发展，CMOS电路的集成度也不断提高，电路线宽尺寸大约每隔3年就会缩小了约30％。根据《国际半导体技术路线》在近期、远期中对IC用硅抛光片的技术要求预测集成电路芯片的特征尺寸变化见表3-表5、图4。据全球晶圆厂半导体协会(FablessSemiconductorAssociation，FSA)统计，在2003-2004年间集成电路芯片的特征尺寸仍然是以0．18μm为主流产晶，约占总量的35％-41％。但0．13μm产品的使用量将逐步增加，在2003年的第一季度中200mm和中300mm的0．13μm产品分别占有量是6％和2％，预测到第四季度中200mm和中300mm的0．13μm产品占有量分别可提升到15％和4％、并于2004年提高到Φ200mm和Φ300mm的0．13mm产品分别占有量的20％和9％。相反，0．35μm和0．25μm产品将从2002年的15％和23％大幅度减为2004年的9％和10％。在2004年采用0．09μm技术的Φ300mm实际需求量，将占芯片总量的1％-2％。从表5可知，ULSI技术为了扩大动态随机存储器(DRAM)容量，在30多年来，IC芯片制造商找到了在一个晶圆片上能生产集成度的容量向4G-16G推进、增大芯片容量的办法是：缩小IC芯片的特征尺寸或增大晶圆片的直径。目前全世界销售的硅片中，按其面积统计，在2001年，Φ150mm、Φ200mm与Φ300mm硅片产量共占全球硅片市场的84％，预计在2005年可增长到90％。预计在进入21世纪后，由于纳米电子技术的迅速发展，将加速硅片市场中由小尺寸芯片向大尺寸芯片市场的转换，Φ300mm的硅片将被大量使用，以达到提高生产效率与降低成本之目标。表6显示出以动态随机存储器(DRAM)为代表的集成电路发展与硅片直径的关系。从表中可以看出，IC芯片集成度的提高部分可依靠集成电路的特征尺寸的缩小，部分也可依靠增大芯片的直径尺寸。动态随机存储器(DRAM)每更换一代产品，IC芯片的面积就要增大约50％左右。如果硅片直径不变，那么硅片所得到的芯片就要减少约1／3。另外，如果硅片上作出的芯片愈多，其成本也可随之下降。据测算，对同一种电路，如果使用Φ150mm硅片的成本以100计，则使用Φ200mm硅片的成本约为75，使用Φ300mm硅片的成本则约为50。根据对IC硅芯片的生产成本分析可知，相对于Φ200mm芯片，Φ300mm芯片的晶方(Die)产出是中200mm芯片的2．4倍，由于在芯片制造过程中，不论是对Φ200mm芯片还是Φ300mm芯片所需要的制造工时是差不多的，因此即使建设Φ300mm芯片厂初期所需购买设备等投资庞大，但从长期发展看，Φ300mm芯片厂可使每一个芯片的晶方(Die)整体生产成本降低约30％以上。Φ300mm相对于Φ200mm及相对于Φ150mm芯片的产出效益(以DRAM为例)比较，见表7。根据美国摩托洛拉公司统计分析(以1998年产品为例)的Φ300mm与Φ200mm芯片的成本比较表可知[13]:以0．25μmCMOS电路进行核算，以存储器标准芯片计算，使用Φ300mm芯片比用Φ200mm芯片可降低约33％。以逻辑IC电路标准芯片计算，使用Φ300mm芯片比用Φ200mm芯片可降低约41％。据美国菲尼克斯市场研究公司Semico高级分析师的报道[14]，按最简单的方法计算，虽然Φ300mm芯片面积比Φ200mm芯片面积大了2．25倍，但其运行费用仅仅只增加约30％，一旦英特尔公司的6座采用0．13μm工艺的晶圆芯片工厂全部启动生产，到2003年其晶圆芯片的生产成本可降低约25％。美国IBM公司也声称，其单片Φ300mm芯片成本也可降低约30％-40％。另据TI公司分析，以生产基带处理芯片为例，在一片Φ200mm芯片上只能生产出1500-2500个芯片，而在一片Φ300mm芯片上却能生产出5000-6000个芯片，可使其生产成本可降低约40％，又由于在Φ300mm芯片生产可采用更小的特征尺寸工艺致使其生产能力得到进一步的提高，这样一条Φ300mm芯片生产线能使得成本节约近60％。又如，台湾力晶半导体公司估计，在Φ300mm芯片上能生产出1000个128MDRAM芯片，即使这条Φ300mm生产线产量只达到70％时，其一个128MDRAM芯片的生产成本可保持在2．5美元以下，其生产净利润率也可超过约40％，同样在中300mm芯片上能生产出800个256MDRAM芯片，则可使其256MDRAM芯片的生产成本可降低至3．5美元，这要比2001年底的8美元降低了60％。从上可知，由于Φ300mm芯片厂有明显的大产能与低生产成本的优势，故国际上几个主要半导体比芯片制造商为了取得更大的生产效益，降低生产成本，适应当前国际集成电路技术的发展需要，对Φ300mm芯片厂均有开发、研究、增加投资来扩建Φ300mm的芯片厂的扩大建设计划。当前集成电路已从Φ200mm向Φ300mm芯片过渡。据Stmico公司预测，2002年全球Φ300mm芯片已占芯片总产量的5％，2006年将增加到35％。另据Dataquest公司预测，2001年全球Φ300mm芯片生产设备销售已占全球设备销售总额的25％，2002年大约占35％-40％，2005年将会占65％。但是建设Φ300mmIC芯片生产线需要投入大量资金，没有足够的技术和资金是无法涉及此高科技领域。例如若建设一条月产3万片256MDBAMΦ300mmic芯片生产线投资高达16亿美元，若建设一条月产2万片多层铜线互连256MDRAMΦ300mmic芯片生产线投资高达17．8亿美元。目前，此类项目中设备投资约占总投资的80％-90％”51。有人估算将来造一座小于0．10μm工艺的IC芯片工厂的费用将高达百亿美元，比建一座核电站还贵!所以资金的投入将成为今后发展半导体产业的障碍。(未完待续)