半导体已经进入原子级加工水平,在这个精度上进行半导体器件制造,需要集合50多个学科的知识与技术。而且,加工精度只是一个维度,良率对半导体制造生死攸关,因此均匀性、稳定性、重复性、可靠性和洁净性都很重要,先进半导体加工环节超过1000个,哪个环节出了问题,都难以制造出符合产品性能与良率要求的芯片。

文︱罗艺

图︱网络

根据市场研究机构SEMI的统计,2020年中国大陆首次成为全球最大半导体设备区域市场,销售额年增39%,达到187．2亿美元;中国台湾排名第二,2020年设备商在台湾地区销售额达到171．5亿美元;韩国排名第三,销售额年增61%至160．8亿美元;日本排名第四,销售额也有75．8亿美元。东亚地区成为全球半导体军备竞赛高地,2020年合计砸出595．3亿美元,占当年全球半导体设备支出总额(712亿美元)比例高达83．6%。

由于地缘政治对于半导体供应链影响加剧,2021年各区域市场对半导体产能投资竞争白热化。台积电和三星均将2021年在半导体上的资本支出计划调至300亿美元以上,两家在先进工艺量产进度上拼死相争,都预计2022年量产3纳米工艺,而在美国政府召唤下,台积电和三星也将赴美设厂。毫无疑问,2021年又将是半导体设备厂商的一个丰收年,而中国大陆由于受到相关限制,无法购买高端EUV光刻机等设备,恐难守住最大设备市场宝座。

在台湾工业技术研究院(以下简称台湾工研院)看来,不同区域市场对半导体产业发展目标不同:作为全球最大半导体应用市场,中国大陆在供应链安全受到威胁的背景下,无疑更希望加快技术追赶,以缓解在制造、设备与材料等关键环节受控于人的现状;而美国作为全球半导体产业链主导者,将继续加强高端芯片制造设备对中国大陆的出口管制,美国也将出台新政以应对近年来美国晶圆制造能力下降的局面;作为全球晶圆制造密度最高的两个地区,中国台湾与韩国将有希望继续引领晶圆制造工艺发展趋势,这两个区域也将借助强大的制造能力,改善上游的材料与设备自主状况。

先进工艺发展方向

在28纳米之后,平面晶体管工艺达到极限,FinFET(鳍式晶体管)延续了摩尔定律,将工艺节点推进到现在的10纳米以下。不过FinFET路线也已经接近极限,三星将在3纳米工艺上率先采用GAA(全环绕栅极)结构,台积电则在3纳米节点继续FinFET结构,到2纳米节点再采用GAA结构。台湾工研院认为,英特尔在晶圆制造上遇到了麻烦,7纳米工艺(注:三家对工艺尺寸定义各有区别,不适合直接拿数字对比)或将延至2023年才能量产,预计英特尔在5纳米节点也将改为GAA架构。

资料来源:台湾工业技术研究院

GAA 全称 Gate-All-Around ,是一种环绕式栅极技术晶体管,也叫做 GAAFET。其概念提出很早,比利时 IMEC Cor Claeys 博士及其研究团队于 1990 年发表文章中提出。GAAFET 相当于 3D FinFET 的改良版,这项技术下的晶体管结构又变了,栅极和漏极不再是鳍片的样子,而是变成了一根根 “小棍子”,垂直穿过栅极,这样,栅极就能实现对源极、漏极的四面包裹。

资料来源:台湾工业技术研究院

对比FinFET,原来源极漏极半导体是鳍片(Fin),而现在栅极变成了鳍片。所以 GAAFET 和 3D FinFET 在实现原理和思路上有很多相似的地方——这对晶圆厂而言是很大优势。从三接触面到四接触面,并且还被拆分成好几个四接触面,显然栅极对电流的控制力又进一步提高了。

相比FinFET工艺,GAA结构具备更大的栅极接触面积,从而提升了晶体管对导电通道的控制能力,并显著改善电容等寄生参数,因而可以降低工作电压,减少漏电流,降低功耗与工作温度,从而有利于提高集成度,以继续延续摩尔定律。

由于新的结构所需的生产工艺与鳍式晶体管相似,关键工艺步骤几乎一样,可以继续使用现有的设备以及技术成果,对台积电和三星而言,这无疑是代价最低的技术路线更换方案。但GAA对加工精度要求进一步提高,需要区域选择性沉积技术与原子级加工能力,因而材料工程重要性提升,也将带动更多沉积与蚀刻设备商机。

五巨头把控的半导体前道设备市场

虽然2020年全球超过8成设备销往东亚地区,但除了日本,中(大陆加台湾)韩在设备业上影响力都不大。全球前五大半导体前道(即晶圆制造,封装为后道)设备厂商应用材料(AMAT)、阿斯麦(ASML)、泛林(Lam)、东京电子(TEL)和科磊(KLA)占据市场份额超过七成,其中只有东京电子总部在东亚,其余都是美欧企业。

资料来源:台湾工业技术研究院

具体来看,应用材料排名第一。其2020年营收172亿美元,其中半导体业务约占7成。应用材料在半导体设备上布局极广,其中PVD(薄膜沉积)设备全球占比38%,CMP(研磨抛光)设备占比70%,蚀刻设备占比15%,离子注入机占比67%。

阿斯麦排名第二,2020年营收139．8亿欧元。阿斯麦是光刻机大厂,在EUV(极紫外光)光刻机上更是目前全球唯一的供应商,得益于台积电、三星和英特尔对先进工艺的追求,2020年阿斯麦销售31台EUV光刻机,共计45亿欧元,仅这31台EUV光刻机就占其总营收32%。当前,ASML正联合供应链伙伴共同研发以推进更精细光刻加工技术,例如2020年推出多条电子束检测扫描系统,并将电子束与电子束之间的干扰限制在了2%以下,适用于5纳米节点以上的制程。阿斯麦还与泛林和imec合作开发干光刻胶技术,以提升EUV解析度,并减少光刻胶用量。并联合Lasertec研发新一代EUV光罩检测技术以降低成本,与台积电合作开发新一代EUV光罩洁净技术以降低成本。