半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展概況(上)

1、半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展概況(上)1 半導(dǎo)體硅工業(yè)的發(fā)展 隨著社會(huì)的發(fā)展，直到20世紀(jì)時(shí)，世人才發(fā)現(xiàn)硅具有半導(dǎo)體的性質(zhì)。這些性質(zhì)包括其電阻率隨著溫度的增加而遞減、光電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、磁電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)及其與金屬接觸的整流效應(yīng)等。繼硅晶體管發(fā)明之后，雖然可利用喬赫拉斯基法來制備硅單晶體，但是由于直拉(CZ)法生長(zhǎng)的硅單晶，因由于使用的石英坩堝會(huì)受到硅熔體的侵蝕而增加氧的沾污。為了獲得高純度的硅單晶體，1956年HenryTheurer發(fā)明了區(qū)熔法(FZ)6。區(qū)熔法因沒有使用石英坩堝容器，故不存在氧污染的問題。之后，在1958年由于DashFI發(fā)明了一種五位錯(cuò)單晶生長(zhǎng)法，才使得生長(zhǎng)優(yōu)質(zhì)大直徑硅單晶技術(shù)得到

2、了不斷發(fā)展。1958年，Kilby(基爾比)在美國(guó)德州儀器公司發(fā)明了集成電路8，奠定了信息時(shí)代到來的基礎(chǔ)。第一代IC(集成電路)問世后，半導(dǎo)體工業(yè)迅速得到了發(fā)展，晶片上的電子元器件的密度和復(fù)雜性，也就從小規(guī)模集成電路(SSI)向中規(guī)模集成電路(MSB、大規(guī)模集成電路(LSB、超大規(guī)模集成電路(VLSI)、甚大規(guī)模集成電路(ULSI)不斷地發(fā)展。集成電路的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，按不同的用途集成電路的分類見圖1所示”。以硅材料為主的半導(dǎo)體專用材料已是電子信息產(chǎn)業(yè)最重要的基礎(chǔ)、功能材料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事工業(yè)中占有很重要的地位。全世界的半導(dǎo)體器件中有95以上是用硅材料制成，其中85的集成電路也是由硅材料制

3、成。2 國(guó)外半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)隨著IC工藝、技術(shù)的不斷發(fā)展，硅單晶的直徑尺寸越做越大，40多年來，小于中200mm的硅單晶片已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的水平，中300mm的硅單晶拋光片也已在特征尺寸線寬小于013m的IC器件工藝中得到了廣泛應(yīng)用，并已進(jìn)入了研制、生產(chǎn)的階段，中400mm的硅單晶也進(jìn)入了開發(fā)、研究的階段。納米電子技術(shù)必將成為今后研究和發(fā)展的方向。21 硅集成電路發(fā)展現(xiàn)狀制備集成電路用的硅單晶直徑研制發(fā)展歷史見表1所示。*現(xiàn)尚處于開發(fā)、研究的階段300mm硅單晶片與其它直徑硅單晶片的比較見表2。根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線指南International Technology Roadmap S

4、emiconductors(ITRS)1998年、2000年、2001年、2003年在近期、遠(yuǎn)期中對(duì)IC用硅拋光片的技術(shù)要求預(yù)測(cè)報(bào)道10，關(guān)于未來15年內(nèi)的半導(dǎo)體制造技術(shù)分析，對(duì)集成電路芯片的特征尺寸變化及對(duì)硅拋光片的幾何尺寸加工精度有了更嚴(yán)格要求。參見圖2、圖6和表3表6。美國(guó)英特爾公司最初創(chuàng)始人之一的Gordon Moore(戈登·摩爾)先生首先預(yù)測(cè)到集成電路芯片的容量(集成度)會(huì)逐年遞增翻番，而價(jià)格上則是相應(yīng)的逐年遞減，認(rèn)為單個(gè)微處理器芯片的性能增長(zhǎng)是按照指數(shù)曲線、幾何級(jí)數(shù)的規(guī)律增長(zhǎng)，在對(duì)數(shù)圖上呈現(xiàn)的是一條直線型的發(fā)展趨勢(shì)，而且一直到今天這種發(fā)展趨勢(shì)都得到了事實(shí)的驗(yàn)證。根據(jù)19

5、65年Gordon Moore的摩爾定律預(yù)言：芯片上晶體管的數(shù)目每隔18-24個(gè)月就將增加1倍。事實(shí)上在一個(gè)芯片上的晶體管數(shù)目已經(jīng)由1969年的2300個(gè)增長(zhǎng)到2000年P(guān)entium 4微處理器的4200萬個(gè)，即增長(zhǎng)了18萬多倍。目前，已能在一個(gè)芯片上集成108個(gè)晶體管。20世紀(jì)90年代末，集成電路、微處理器的芯片制造工藝已從“微米級(jí)”、“深亞微米級(jí)”進(jìn)入到“納米電子級(jí)”的系統(tǒng)單芯片時(shí)代，在一個(gè)芯片上，可集成包括CPU、DSP、邏輯電路、模擬電路、射頻電路、存儲(chǔ)器和其他電路模塊及嵌入軟件等，并相互連接構(gòu)成完整的系統(tǒng)。到2004年后，小于90nm的制造工藝將會(huì)被運(yùn)用到大量的芯片生產(chǎn)之中。在過去

6、近40多年里，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一直是遵循著這條摩爾定律而得到了高速的發(fā)展。當(dāng)然，目前對(duì)關(guān)于摩爾定律還能適用多久，已經(jīng)存在著有兩種不同的看法：一種觀點(diǎn)認(rèn)為10年內(nèi)摩爾定律仍然有效；另外一種觀點(diǎn)則認(rèn)為摩爾定律將面臨著難以克服的障礙，最終會(huì)影響摩爾定律的繼續(xù)引用。當(dāng)前關(guān)于摩爾定律還能適用多久的爭(zhēng)論實(shí)質(zhì)上就是對(duì)縮小芯片的特征尺寸的爭(zhēng)論。但是摩爾定律的原創(chuàng)者、英特爾公司創(chuàng)始人之一的Gordon Moore博士于2003年12月10日，在美國(guó)舊金山召開的一次國(guó)際會(huì)議上向與會(huì)的著名芯片設(shè)計(jì)人員、工程師們?cè)v過，摩爾定律的未來將取決于芯片設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新能力，并同時(shí)鼓勵(lì)他們迎接新的挑戰(zhàn)。美國(guó)英特爾公司微處理

7、器的發(fā)展就是這條摩爾定律的明證。圖3所示為美國(guó)英特爾公司對(duì)微處理器的發(fā)展及預(yù)測(cè)。美國(guó)英特爾公司自1969年推出世界上第一塊4位微處理器芯片4004，集成度是2300個(gè)晶體管、于2000年推出微處理器芯片Pentiun 4，集成度是4200萬個(gè)晶體管。目前，已能在一個(gè)芯片上集成108個(gè)晶體管。英特爾公司預(yù)言，2010年將推出集成度為10億個(gè)晶體管的微處理器，其性能為1 000億s。隨著VLSI技術(shù)的發(fā)展，CMOS電路的集成度也不斷提高，電路線寬尺寸大約每隔3年就會(huì)縮小了約30。根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線在近期、遠(yuǎn)期中對(duì)IC用硅拋光片的技術(shù)要求預(yù)測(cè)集成電路芯片的特征尺寸變化見表3-表5、圖4。據(jù)全球晶

8、圓廠半導(dǎo)體協(xié)會(huì)(Fabless Semiconductor Association，F(xiàn)SA)統(tǒng)計(jì)，在2003-2004年間集成電路芯片的特征尺寸仍然是以018m為主流產(chǎn)晶，約占總量的35-41。但013m產(chǎn)品的使用量將逐步增加，在2003年的第一季度中200mm和中300mm的013m產(chǎn)品分別占有量是6和2，預(yù)測(cè)到第四季度中200mm和中300mm的013m產(chǎn)品占有量分別可提升到15和4、并于2004年提高到200mm和300mm的013mm產(chǎn)品分別占有量的20和9。相反，035m和025m產(chǎn)品將從2002年的15和23大幅度減為2004年的9和10。在2004年采用009m技術(shù)的300mm實(shí)

9、際需求量，將占芯片總量的1-2。從表5可知，ULSI技術(shù)為了擴(kuò)大動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)容量，在30多年來，IC芯片制造商找到了在一個(gè)晶圓片上能生產(chǎn)集成度的容量向4G-16G推進(jìn)、增大芯片容量的辦法是：縮小IC芯片的特征尺寸或增大晶圓片的直徑。目前全世界銷售的硅片中，按其面積統(tǒng)計(jì)，在2001年，150mm、200mm與300mm硅片產(chǎn)量共占全球硅片市場(chǎng)的84，預(yù)計(jì)在2005年可增長(zhǎng)到90。預(yù)計(jì)在進(jìn)入21世紀(jì)后，由于納米電子技術(shù)的迅速發(fā)展，將加速硅片市場(chǎng)中由小尺寸芯片向大尺寸芯片市場(chǎng)的轉(zhuǎn)換，300mm的硅片將被大量使用，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率與降低成本之目標(biāo)。表6顯示出以動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)

10、為代表的集成電路發(fā)展與硅片直徑的關(guān)系。 從表中可以看出，IC芯片集成度的提高部分可依靠集成電路的特征尺寸的縮小，部分也可依靠增大芯片的直徑尺寸。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)每更換一代產(chǎn)品，IC芯片的面積就要增大約50左右。如果硅片直徑不變，那么硅片所得到的芯片就要減少約13。另外，如果硅片上作出的芯片愈多，其成本也可隨之下降。據(jù)測(cè)算，對(duì)同一種電路，如果使用150mm硅片的成本以100計(jì)，則使用200mm硅片的成本約為75，使用300mm硅片的成本則約為50。根據(jù)對(duì)IC硅芯片的生產(chǎn)成本分析可知，相對(duì)于200mm芯片，300mm芯片的晶方(Die)產(chǎn)出是中200mm芯片的24倍，由于在芯片制造過程中

11、，不論是對(duì)200mm芯片還是300mm芯片所需要的制造工時(shí)是差不多的，因此即使建設(shè)300mm芯片廠初期所需購(gòu)買設(shè)備等投資龐大，但從長(zhǎng)期發(fā)展看，300mm芯片廠可使每一個(gè)芯片的晶方(Die)整體生產(chǎn)成本降低約30以上。300mm相對(duì)于200mm及相對(duì)于150mm芯片的產(chǎn)出效益(以DRAM為例)比較，見表7。根據(jù)美國(guó)摩托洛拉公司統(tǒng)計(jì)分析(以1998年產(chǎn)品為例)的300mm與200mm芯片的成本比較表可知13:以025m CMOS電路進(jìn)行核算，以存儲(chǔ)器標(biāo)準(zhǔn)芯片計(jì)算，使用300mm芯片比用200mm芯片可降低約33。以邏輯IC電路標(biāo)準(zhǔn)芯片計(jì)算，使用300mm芯片比用200mm芯片可降低約41。據(jù)美國(guó)菲

12、尼克斯市場(chǎng)研究公司Semico高級(jí)分析師的報(bào)道14，按最簡(jiǎn)單的方法計(jì)算，雖然300mm芯片面積比200mm芯片面積大了225倍，但其運(yùn)行費(fèi)用僅僅只增加約30，一旦英特爾公司的6座采用013m工藝的晶圓芯片工廠全部啟動(dòng)生產(chǎn)，到2003年其晶圓芯片的生產(chǎn)成本可降低約25。美國(guó)IBM公司也聲稱，其單片300mm芯片成本也可降低約30-40。另據(jù)TI公司分析，以生產(chǎn)基帶處理芯片為例，在一片200mm芯片上只能生產(chǎn)出1500-2500個(gè)芯片，而在一片300mm芯片上卻能生產(chǎn)出5000-6000個(gè)芯片，可使其生產(chǎn)成本可降低約40，又由于在300mm芯片生產(chǎn)可采用更小的特征尺寸工藝致使其生產(chǎn)能力得到進(jìn)一步的

13、提高，這樣一條300mm芯片生產(chǎn)線能使得成本節(jié)約近60。又如，臺(tái)灣力晶半導(dǎo)體公司估計(jì)，在300mm芯片上能生產(chǎn)出1000個(gè)128MDRAM芯片，即使這條300mm生產(chǎn)線產(chǎn)量只達(dá)到70時(shí)，其一個(gè)128 M DRAM芯片的生產(chǎn)成本可保持在25美元以下，其生產(chǎn)凈利潤(rùn)率也可超過約40，同樣在中300mm芯片上能生產(chǎn)出800個(gè)256 M DRAM芯片，則可使其256 M DRAM芯片的生產(chǎn)成本可降低至35美元，這要比2001年底的8美元降低了60。從上可知，由于300mm芯片廠有明顯的大產(chǎn)能與低生產(chǎn)成本的優(yōu)勢(shì)，故國(guó)際上幾個(gè)主要半導(dǎo)體比芯片制造商為了取得更大的生產(chǎn)效益，降低生產(chǎn)成本，適應(yīng)當(dāng)前國(guó)際集成電路技術(shù)的發(fā)展需要，對(duì)300mm芯片廠均有開發(fā)、研究、增加投資來擴(kuò)建300mm的芯片廠的擴(kuò)大建設(shè)計(jì)劃。當(dāng)前集成電路已從200mm向300mm芯片過渡。據(jù)Stmico公司預(yù)測(cè)，2002年全球300mm芯片已占芯片總產(chǎn)量的5，2006年將增加到35。另據(jù)Dataquest公司預(yù)測(cè)，2001年全球300mm芯片生產(chǎn)設(shè)備銷售已占全球設(shè)備銷售總額的25，2002年大約占35-40，2005年將會(huì)占65。但是建設(shè)300mm IC芯片生產(chǎn)線需要投入大量資金，沒