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大咖解读晶圆制造的工艺与材料发展趋势

导读: 应用将持续驱动芯片业的发展。摩尔定律将继续演进,但形式正发生变化,从注重特征尺寸的缩小,正转变到同时关注材料和结构创新。预计中国半导体市场10年内翻番,将带来半导体制造的兴盛。为了迎接10nm以下的挑战,应用材料公司近期推出了三款新产品。

应用将持续驱动芯片业的发展。摩尔定律将继续演进,但形式正发生变化,从注重特征尺寸的缩小,正转变到同时关注材料和结构创新。预计中国半导体市场10年内翻番,将带来半导体制造的兴盛。为了迎接10nm以下的挑战,应用材料公司近期推出了三款新产品。

在近日应用材料公司举办的媒体说明会上,应用材料中国公司首席技术官赵甘鸣博士介绍了从该公司角度看未来晶圆制造的工艺与材料的发展趋势。

晶圆设备支出的驱动因素

如图1,从2000年开始,驱动晶圆设备支出(WFE)的驱动元素可以分成三个阶段,第一阶段是2000年到2008至2009年,主要是由PC+互联网所驱动的,平均每年大概是255亿美元的投资,误差80亿美元左右。

2010年有新的移动+社交媒体模式涌现,这一波行情也是非常振奋人心的,这期间每个人基本上有一到两部移动手机或平板电脑,上面有各种各样的APP应用,使生活与社交非常方便。这一波对晶圆设备行业的影响,大概是在原来的基础之上又增加了21%。从2010年到2016年,每年约317亿美元的支出,每年会有一些波动,波动值在27亿美元左右。现在正在经历的这段时间及再往后,还是相对比较平稳发展的阶段。

展望未来会有什么事情发生呢?是人工智能、IoT(物联网)、大数据、智能汽车、3D打印(增材制造)和个性化医疗等,它们都是未来驱动整个市场或经济的非常重要的元素。

回归到对芯片的生产会有怎样的变化?例如手机硅片的内容增加了,数据爆发性增长,电视、物联网有显示器的需求,以及AR/VR、人工智能等,这些终端市场的新需求最终会反映在半导体芯片的制造技术上。

通常认为10/7纳米的代工会变得非常重要,3D NAND也是一种新的非常重要的存储器结构,图案化(patterning)也是趋势,即缩小器件由光刻来主导的方向,变成由材料改变、结构改变来驱动。具体来说,原来是靠光刻机缩小光刻尺寸,现在大家在寻找其他解决方案,把器件的结构由原来是平面的变成三维的,这就需要通过材料工程来实现。另外是新的材料、器件会进来,大家可能会把原来传统的scaling是由光刻工艺决定的,变成增加由材料和结构来改变的方法。

关键技术变革推动摩尔定律发展

业内在讨论摩尔定律是否会终结。从技术发展的角度来看,摩尔定律还是会继续走下去,只是它的表现形式有所改变。可以看到技术的节点,十几年前认为是0.25微米,现在已有5纳米的加工技术。光刻波长在逐渐的缩小,但是到了5纳米时,光刻再往下就很困难了,未来patterning(图案化,例如double-patterning, multi- patterning等)在EUV还是有可能的。

因此,除了工艺上的变化,还有新材料和3D结构的革新(图2)。例如,在过去的一段时间内,28纳米、20纳米、FinFET等带来材料的很大变化,出现了高K金属栅、钴衬垫/盖,然后是3D FinFET(图3),所以技术的延伸由仅靠光刻的缩小,而变成了由材料、结构和尺寸搭配的解决方案。目前有一些挑战性的解决方案,包括接触区创新和新型互联材料的解决方案。

未来,FinFET往下是什么?是接触区创新,采用SiGe通道还是栅绕式结构,还是有其他的解决方案?这个大家都在观望,没有一个非常清晰的共识。但是10纳米、7纳米是比较清晰的。

从由光刻所决定的scaling变成材料工程器件的改变,这对材料企业是有优势的。应用材料公司等企业正在原子层面上创新或者改变材料,但仅仅是科研还不够,还要实现工程化、量产化和工业化,这是非常重要的。

中国半导体及晶圆市场瞭望

据国际商业战略公司2016年的预测,2016年中国半导体市场为1670亿美元,十年后翻番(如图4)。从应用材料公司跟相关客户接触所知,中国代工和内存线加起来约有十三条线,WFE投资额未来5年支出大约为200~300亿美元。

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