半導體製造的工藝與材料發展趨勢

作者/ 迎九 《電子產品世界》編輯

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/340845.htm

摘要：應用將持續驅動晶片業的發展。

摩爾定律將繼續演進，但形式正發生變化，從注重特徵尺寸的縮小，正轉變到同時關注材料和結構創新。

預計中國半導體市場10年內翻番，將帶來半導體製造的興盛。

為了迎接10nm以下的挑戰，應用材料公司近期推出了三款新產品。

在近日應用材料公司舉辦的媒體說明會上，應用材料中國公司首席技術官趙甘鳴博士介紹了從該公司角度看未來晶圓製造的工藝與材料的發展趨勢。

晶圓設備支出的驅動因素

如圖1，從2000年開始，驅動晶圓設備支出(WFE)的驅動元素可以分成三個階段，第一階段是2000年到2008至2009年，主要是由PC+網際網路所驅動的，平均每年大概是255億美元的投資，誤差80億美元左右。

2010年有新的移動+社交媒體模式湧現，這一波行情也是非常振奮人心的，這期間每個人基本上有一到兩部移動手機或平板電腦，上面有各種各樣的APP應用，使生活與社交非常方便。

這一波對晶圓設備行業的影響，大概是在原來的基礎之上又增加了21%。

從2010年到2016年，每年約317億美元的支出，每年會有一些波動，波動值在27億美元左右。

現在正在經歷的這段時間及再往後，還是相對比較平穩發展的階段。

展望未來會有什麼事情發生呢?是人工智慧、IoT(物聯網)、大數據、智能汽車、3D列印(增材製造)和個性化醫療等，它們都是未來驅動整個市場或經濟的非常重要的元素。

回歸到對晶片的生產會有怎樣的變化?例如手機矽片的內容增加了，數據爆發性增長，電視、物聯網有顯示器的需求，以及AR/VR、人工智慧等，這些終端市場的新需求最終會反映在半導體晶片的製造技術上。

通常認為10/7納米的代工會變得非常重要，3D NAND也是一種新的非常重要的存儲器結構，圖案化(patterning)也是趨勢，即縮小器件由光刻來主導的方向，變成由材料改變、結構改變來驅動。

具體來說，原來是靠光刻機縮小光刻尺寸，現在大家在尋找其他解決方案，把器件的結構由原來是平面的變成三維的，這就需要通過材料工程來實現。

另外是新的材料、器件會進來，大家可能會把原來傳統的scaling是由光刻工藝決定的，變成增加由材料和結構來改變的方法。

關鍵技術變革推動摩爾定律發展

業內在討論摩爾定律是否會終結。

從技術發展的角度來看，摩爾定律還是會繼續走下去，只是它的表現形式有所改變。

可以看到技術的節點，十幾年前認為是0.25微米，現在已有5納米的加工技術。

光刻波長在逐漸的縮小，但是到了5納米時，光刻再往下就很困難了，未來patterning(圖案化，例如double-patterning, multi- patterning等)在EUV還是有可能的。

因此，除了工藝上的變化，還有新材料和3D結構的革新(圖2)。

例如，在過去的一段時間內，28納米、20納米、FinFET等帶來材料的很大變化，出現了高K金屬柵、鈷襯墊/蓋，然後是3D FinFET(圖3)，所以技術的延伸由僅靠光刻的縮小，而變成了由材料、結構和尺寸搭配的解決方案。

目前有一些挑戰性的解決方案，包括接觸區創新和新型互聯材料的解決方案。

未來，FinFET往下是什麼?是接觸區創新，採用SiGe通道還是柵繞式結構，還是有其他的解決方案?這個大家都在觀望，沒有一個非常清晰的共識。

但是10納米、7納米是比較清晰的。

從由光刻所決定的scaling變成材料工程器件的改變，這對材料企業是有優勢的。

應用材料公司等企業正在原子層面上創新或者改變材料，但僅僅是科研還不夠，還要實現工程化、量產化和工業化，這是非常重要的。

中國半導體及晶圓市場瞭望

據國際商業戰略(International Business Strategies)公司2016年的預測，2016年中國半導體市場為1670億美元，十年後翻番(如圖4)。

從應用材料公司跟相關客戶接觸所知，中國代工和內存線加起來約有十三條線，WFE投資額未來5年支出大約為200~300億美元。

應用材料公司背景

應用材料公司在材料、服務和多種產品組合方面擁有優勢。

在研發方面投資巨大，過去十年的年均投入是10億美元，2015年達15億美元。

公司在電晶體、互聯、圖案化、封裝和檢測等半導體製程中居於行業領導地位。

應用材料公司半導體產品事業部的產品群有八個：沉積、金屬鍍膜、檢測、電鍍、熱處理、CMP(平坦化，或稱機械拋光)、刻蝕和離子注入。

這些產品的組合為應用材料公司與客戶在最新技術上的緊密合作提供了機會。

了解客戶需要什麼，不僅僅是現在量產的問題，還有未來兩三代客戶思考的問題，找到客戶最需要的技術，去投資、開發。

應用材料公司提供的不是單一技術，而是全套解決方案，這個對客戶來講非常重要，因為很多時候，工藝之間的磨合也是很重要的。

拆開的工藝現象和整合在一起是不一樣的，無論是器件的可靠性還是性能，都會有較大的差異。

應用材料公司的三款10nm產品

為了迎接10nm以下的挑戰，應用材料公司推出了三個法寶：1nm電子束檢測設備 - ProVisionTM，解析度提高3倍、速度提升3倍;利用縫隙抑制型鎢填充接觸區工藝來降低良率 - Endura@ VoltaTM CVD W以及Centura@ iSprintTM ALD/CVD SSW;以突破性的蝕刻技術實現原子級的蝕刻精準性 - Producer@ SelectraTM。

本文來源於中國科技核心期刊《電子產品世界》2016年第11期第6頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。