半导体产业的十年巨变

【导读】在半导体制造工艺中尽一切可能延伸光学的缩微方法寿命是十分重要，尽管无论EUV或者EB电子束，由于波长短十分诱人，但是要达到工业化量产水平，尚需时间。所谓”远水解决不了近渴”。因此目前193nm浸入式，加上两次(甚至4次)图形曝光技术及DFM技术等来实现缩微是现实的解决方案。据目前的实践，上述方法己经能实现22-20nm水平，但是能不能突破14nm，尚难预料，因此14nm可能是个拐点。

摘要：  在半导体制造工艺中尽一切可能延伸光学的缩微方法寿命是十分重要，尽管无论EUV或者EB电子束，由于波长短十分诱人，但是要达到工业化量产水平，尚需时间。所谓”远水解决不了近渴”。因此目前193nm浸入式，加上两次(甚至4次)图形曝光技术及DFM技术等来实现缩微是现实的解决方案。据目前的实践，上述方法己经能实现22-20nm水平，但是能不能突破14nm，尚难预料，因此14nm可能是个拐点。

关键字：  半导体，  硅片，  3D封装

目前做芯片的制造商都面临要作困难的决定。跟踪先进制程?还是”不”?事实上今天看到的凡是最先进的工艺节点，都由英特尔首先突破，此后才有10%的AASP芯片设计跟随它。10%不是一个随便的数字，而是表示10%的产品要实现量产，满足市场需要。在130nm时许多制造商紧紧追赶，几乎谁都不愿落后。但是到90/65nm时发现ASSP产品己经有2年的滞后，很大程度上取决于代工的工艺能力。到32nm时发现与英特尔出该产品的时间己经有4年的差距。因为代工的兴趣点(sweetspot)，或者AASP及ASIC的兴趣点总在全球最先进的工艺制程之后，即消费电子产品市场，包括手机等的需求在开初时不会采用最先进的工艺制程，只有当市场需求的量上来后，才会考虑采用最先进制程来获得更多的利益。

衡量尺寸缩小的效果用每个栅的平均成本来考量，到22纳米时可能出现逆转，而开始上升。由此业界开始质疑，尺寸还会继续缩小?看来摩尔定律接近终点时关键不一定在技术上能否实现，而是更主要从经济层面，考虑尺寸缩小所需要的投入，及它的回报率在哪里?

在半导体制造工艺中尽一切可能延伸光学的缩微方法寿命是十分重要，尽管无论EUV或者EB电子束，由于波长短十分诱人，但是要达到工业化量产水平，尚需时间。所谓”远水解决不了近渴”。因此目前193nm浸入式，加上两次(甚至4次)图形曝光技术及DFM技术等来实现缩微是现实的解决方案。据目前的实践，上述方法己经能实现22-20nm水平，但是能不能突破14nm，尚难预料，因此14nm可能是个拐点。

不过近期也有好的消息，据设备大厂应用材料公司在它的Q2财务会上透露，英特尔己准备为14nm设备下订单。

另外，近期英特尔，台积电等都声言半导体技术可达7nm，5nm，相信并非是忽悠，因为从EUV的波长14nm及BEUV的波长仅6.8nm，在实验室环境下实现7nm，5nm、是完全可能。但是其中有两个方面必须考虑，一个方面是由于光学光刻技术己走到尽头，必须要采用EUV或者EB电子束等下一代缩微技术，另一方面是这些方法从理论上都是可行的，然而实现工业化量产尚有诸多关键技术与配套材料需要解决。因此未来的技术都必须把成本考量及投资回报率放在首位，经济上的可行性更显关键。

硅片尺寸的过渡

汇总历史数据及预测来观察全球硅片尺寸的过渡趋势。由于未来全球半导体业仍有6-7%的年均增长率来推动工业成长。当假设450mm硅片在2017年开始依较快速率的增长，与300mm硅片的交*点可能在2023年附近。

从图中看到150mm硅片在1999年左右开始下降，200mm硅片在2009年左右开始下降，表明接近10年为一个硅片尺寸周期。按理2019年应该开始450mm与300mm交替，可能由于全球大环境与定律趋向终结等原因推迟了更替。另外OEM估计为什么全球200mm硅片至今仍非常稳定，有两个因素，1)，那些己经全折旧完的fab能实现盈利。虽然有些产品的ASP持续下降，但是这些fab仍能支撑它。2)，现在许多200mmfab开始转向LED，MEMS与功率器件生产。

另外，目前全球一半以上的fab产能超过10年以上，其中依200mm及300mm硅片fab为主。问题是如何支持这些老旧fab及设备能够满足日益增长的市场需求

2011年日本大地震引发出许多老旧150mm，200mmfab及备件问题。

老旧fab有两个方面的问题1)，设备年久，很难再得到备件与技术支持。这也是为什么现在要提出设备老化的对策。2)，开展设备能力的提高及再利用计划。把现有的设备延长使用寿命，或者转移至LED，，MEMS等器件生产。

英特尔于2002年兴建它的第一条12英寸生产线DIC于俄勒冈州。

3D封装与TSV最新进展

在3D的设备等尚未准备好之前，2.5D，利用interposes转接板是个捷径，问题是转接板的成本是多少?目前转接板的材料有两种选择，硅与玻璃。玻璃肯定便宜，但是它的线的间距和TSV的通孔直径受到限制。所以可能分成两类市场，高端用硅，如微处理器，需要高密度，1微米线与间距。而如RF等低端器件就用玻璃。

Globalfoundries的ECTC主席McCann认为目前TSV尚未量产，然而己在RF射频器件中广泛应用，原因它们采用背面接触。下一个存储器将采用TSV量产，越来越多的存储器将采用堆叠封装(SSI)。对于存储器制造商它们在生产线上就能采用TSV技术实现堆叠封装，它不需要外部标准就能完成。再下一个是大量的I/O，不管是I/O的变种，还是I/O2，未来每个应用处理器都会在它的顶部带有大量的I/ODRAM。McCann表示此种结构从2013年开始，到2014年采用20纳米的产品会得到工业应用。接下来与此关系很大的就是标准。大量的I/O标准对于多片存储器供应商或者利用多片技术的供应商都是十分关键。

预计3D封装真正具有实力可能要到2017或者2018年。McCann认为，异质器件如存储器，数字，模拟，RF和电源等可以堆叠在一起是3D集成的起飞之时。

McCann认为要能提供设计工具来实现器件的模块放置，TSV，及球焊等最佳化设计。尽管最初的3D产品还不可能达到最佳化，但是能逐步完善。[!--empirenews.page--]

McCann表示未来3D集成中器件的测试是个大挑战。需要依靠更多的IP来邦助实现。就拿DRAM看，在DRAM制造厂由自已进行测试，涉及到众多的IP，没有人愿意外协进行测试。但是在2.5D或3D堆叠封装时由谁作DRAM测试，未来这些封装制造厂可以完成测试吗?

McCann相信未来堆叠存储器将可分成两个步骤，首先是从存储器制造厂出货芯片，它可以进行测试，或者修复，直至合格的芯片。第二步需要微处理器供应商或者DRAM制造商提供相应的IP进行堆叠之后芯片的测试。目前己经看到从代工厂和存储器制造厂提供的测试IP模块可以利用处理器对于存储器芯片进行测试。至少目前正在探寻阶段，未来还尚难预料，但是可以相信通过合作最终能解决一切。

未来半导体业会是什么样?

跟踪先进工艺制程或者是”不”，己成为顶级芯片制造商的最困难决定。预计到2014年时全球仅存下10家，可能是3家IDM，4家存储器及3家代工。再过5年可能有一半要再出局，全球可能只剩下三足鼎立。

从技术制程方面，14纳米可能是个坎。目前英特尔与台积电分别采用不同技术路线，英特尔高调宣称继续使用193nm浸入式光刻技术，不惜增加成本，采用两次图形曝光技术，甚至三，四次。在10纳米节点时约2015年左右才准备导入EUV技术。而台积电认为它在14纳米时就准备采用EUV技术。实际上由于在工艺制程技术上台积电至少相比英特尔要滞后两年，因此从EUV的时间切入点两者都在2015年，实际上反映EUV设备在2015年左右才可能基本就绪。

至于450mm硅片，看来是势在必行。时间点也会推迟至2015年或之后，不过它能服务的技术节点可能仅只有两代，即10nm与7nm。不过这也无限大局，因为450mm硅片的成本效益在同样工艺技术节点下会比300mm高。

英特尔资深院士MarkBohr在2011年12月的iEDM会上讲;传统的MOSFET已经服务于我们30多年，未来为了继续提高功能，降低功耗与成本，一个方向选择高迁移率沟道材料如InGaAs等，尤其是量子阱FET(QWFET)。另一方面提高”开关”速度，采用自旋晶体管，隧道晶体管，或者碳纳米管CNT“s或者石墨烯材料等。

英特尔去年提出的3D，三栅晶体管结构是半导体业中又一次重大创新，具有深远意义。可以预计，半导体业前进的步伐不会止步，一个是消费电子产品与互联网结合，导致手机，平板等具个人特色产品的应用面持续扩大，芯片的出货量会持续上升，据预测未来各种电子装置的市场需求量达1000亿台。另一方面各种新的材料，包括新的器件结构会应运而生。相信全球半导体业的前景仍是十分诱人。

附录;2000年至今在半导体业中发生的重要事例：(统计到2012.07.30)

2000年

? 全球半导体销售额首次跃过2000亿美元，增长率达37%

? 主流工艺技术达0.13微米，开始由铜引线替代铝引线

? 1999年由SiemensAG半导体部剥离成立InfineonTechnologiesAG

? 1999年NEC与日立的存储器部合并于2000年取名尔必达Elpida

? 台积电开建第一座12英寸晶园厂

? 英特尔以303亿美元居第一，全球模拟IC销售额达303亿美元，增长37%，DRAM以265亿美元增长28.4%及NAND闪存以113亿美元，增长148%

2001年

? 互联网泡沫破裂，硅谷是一片哀鸿遍野，半导体处于下降周期

? 1999年现代半导体合并LGSemiconductor，于2001年取名Hynix

? TI的12英寸晶园厂开始投产

2002年

? 英特尔第一条12英寸生，产线DIC于俄勒冈州量产，采用0.09微米技术

? 日本SELETE成立，由NEC等11家公司合资，它与三家日本掩模公司(大日本印刷，凸版印刷和HOYA及三家电子束曝光设备厂(日立高科技，日本电子和东芝机械)共同开发70nm工艺及设备，计划2004年达到实用水平

2003年

? 日立半导体与三菱半导体合并取名瑞萨半导体Renesas

? 尔必达兼并三菱存储器部

? Spansion飞索半导体由AMD与富士通的闪存部门合并是全球最大NOR闪存制造商

? 英特尔决定放弃157nm光刻机开发，而采用193nm的氟化氩激光器，浸液式技术，预计可达45nm。预计浸液式光刻机的样机于2004年推出

2004年

? 2004Q4全球12英寸硅片占总产能的11.1%，2005Q4占17.6%及2006Q3占26.1%。表明12英寸硅片开始进入主流地位，但未能超过8英寸硅片。

? Freescale成立，从Motorola的半导体部剥离出来

2005年

? 全球半导体材料市场为140亿美元，2004年上升22.2%为130亿美元

? 1999年从HP剥离的Agilent依26.6亿美元将芯片制造部出售给两家私募基金公司

? 中芯国际以2.6亿美元股权交换天津Motorola的MOS-17

? 日本Toppan兼并DuPont的掩模制造部

2006年

? NXP成立，从Philips半导体剥离出来

? 奇梦达Qimonda诞生，由Infineon的存储器部剥离

? AMD化54亿美元兼并全球第二大显示芯片制造商ATI

? 安华高Avago全球最大的非上市独立半导体公司，由2005年Agilent以26.6亿美元出售给两家私募基金公司后改名

? 三星，IBM和特许半导体为高通生产第一片90nm的处理器芯片

2007年

? 2007年英特尔开发高k金属栅HKMG工艺，将摩尔定律又延伸十年

? 三星发伟50nm的16GbNAND闪存，同时60nm的DRAM量产

2008年

? 2008年Q4开始的全球金融危机，一直持续到2010Q2

? AMD分折成fabless及代工Globalfoundries

? Q4全球金融危机

? 三菱改名Panasonic

? Rohm罗姆兼并日本Oki的半导体

? 恒忆Numonyx成立，由英特尔的闪存和STMicroelectronics闪存部合并

2009年

? 2009年德国存储器厂奇梦达破产

? ATIC用39亿美元兼并新加坡特许，后将其并入Globalfoundries中

? SEMI报道全球各种硅片尺寸生产线在册共有1075条，其中新建45条，一半是LED生产线，关闭16条

? Panasonic兼并三详Sanyo

2010年

? Q2始脱离金融危机半导体业上升

? 据SICAS报告于2010Q1时全球12英寸硅片产能为2479.6万，折合月产能为206.6万片，再换算成8英寸相当于月产464.9万片，占全球总产能每月890万片的52.2%，由此表示12英寸硅片己成主流地位。

? 德仪用18.3亿元兼并中国成芯半导体[!--empirenews.page--]

? 美光用12.7亿美元兼并NOR大厂恒忆Numoyx

? 美光公司于2005年9月宣布在西安高新区投资2.5亿美元，建立半导体封装测试生产基地。2007年3月项目建成投产，实现年出口额10亿美元。2010年2月，美光公司与西安高新区签约，决定再投资3亿美元建设新产品测试基地。该项目建成后，将形成50亿美元的加工出口能力。

? 英特尔用77亿美元兼并Mcfee

? 瑞萨半导体与NEC半导体合并叫新瑞萨半导体

? 测试仪大厂日本爱德迈Advantest以7.35亿美元兼并Verigy

2011年

? 311日本大地震及泰国洪灾

? 2011年英特尔又开发出3D晶体管工艺

? 德仪用65亿美元兼并国家半导体

? 应用材料用49亿美元兼并离子注入机厂瓦里安Varian

? Qualcomm用31亿美元兼并Atheros通讯公司

? Broadcom博通用37亿美元兼并NetLogic

? 半导体设备大厂LamResearch用33亿美元兼并Novellus

? Fabless厂Xilinx推出世界上最高容量的FPGAVirtex-72000T包含68亿个晶体管，200万个Logic门，采用28nm技术及2.5D封装，由TSMC代工量产

? 谷歌用125亿美元收购摩托洛拉移动

? 苹果的CEO乔布斯去世

2012年

? 英特尔用14亿美元兼并英飞凌的手机芯片部

? VLSI公布2011年全球半导体设备制造商前十大排名，ASML首次居首，终结了应用材料公司自1991年起连续20年称霸地位

? 日本尔必达提出进入破产程序，美光在竞标中用25亿美元完成兼并

? 折解英特尔的标记为3.3GHzCorei5-3550的IvyBridge处理器芯片，其裸晶面积尺寸为170mm2，小于目前SandyBridgei72600K处理器的208mm2。

? 台湾联发科宣布将用38亿美元兼并晨星，成为全球第四大fabless

? 微软推出surface平板电脑

? Google推出平板电脑

? 瑞萨电子(RenesasElectronicsCorp.)，拟把国内19家半导体厂房当中的10家关闭或出售，将生产重心转移到微控制器。

? 英特尔注资41亿美元于ASML换取15%股份开启芯片制造厂与设备厂合作的新启点