第一章半导体器件与工艺技术的发展2.

半导体工艺技术中国半导体工业的发展微电子技术发展第一章、半导体器件与工艺技术的发展2推动半导体业进步的两个轮子：工艺尺寸缩小和硅片直径增大，而且总是尺寸缩小为先。超大规模集成电路的设计和制造所需的快速技术变化，导致新设备和新工艺的不断引入。每隔18到24个月，半导体产业就引入新的制造技术。伴随微芯片技术的发展有三个主要趋势：•提高芯片性能提高芯片可靠性•降低芯片成本一、半导体工艺技术的发展1.1趋势1：提高芯片性能从20世纪60年代早期，小规模集成电路时代以来，半导体微芯片的性能已得到了巨大的提高。判断芯片性能的一种通用方法是速度。器件做得越小，在芯片上放置得越密，芯片的速度就会越快。这是因为通过电路得电信号传输距离更短了。提高速度的另一方法：使用材料，通过芯片表面的电路和器件来提高电信号的传输。关键尺寸芯片上的物理尺寸特征被称为特征尺寸。描述特征尺寸的另一个术语是电路几何尺寸。硅片上的最小特征尺寸，也称为关键尺寸或CD。自半导体制造业开始以来，器件的CD一直在缩小，从20世纪50年代初期以大约125um的CD开始，目前主流是45nm或者更小，可以量产的最小CD已达到28nm。半导体产业使用“技术节点”这一术语描述在硅片制造中使用的可应用CD。从1um以下的CD实际的和预计的产业技术节点如下表所示。观察近期的报道，2013年应该进入14纳米节点，而且仍是英特尔挑起大樑。尽管摩尔定律快“寿终正寝”的声音已不容置辩，但是14nm的步伐仍按期走来，原因究竟是什么?-------传统的光刻技术与日俱进当尺寸缩小到22/20nm时，传统的光刻技术已无能力，必须采用辅助的两次或多次图形曝光技术。提高光刻的分辨率有三个途径：缩短曝光波长、增大镜头数值孔径NA以及减少工艺参数。显然，缩短波长是最主要的，而且方便易行。目前市场的193nmArF光源是首选，再加入浸液式技术等，实际上达到了28nm，几乎已是极限。光刻技术因此可以相信，传统的193nm浸液式光刻技术加上两次图形曝光技术(DP)，甚至4次，从分辨率上在2015年时有可能达到10nm，这取决于业界对于成本上升等的容忍度。何时能够到7nm或5nm？截至今日尚无人能够回答，因为EUV何时进入也不清楚。乐观的估计可能在2015年或2016年。如果真能如愿，可能从10nm开始就采用EUV技术，一直走到5nm。但是目前业界比较谨慎，通俗一点的说法仍是两条腿走路。Nikon正努力延伸193nm的浸液式技术，甚至包含450mm硅片;而ASML{阿斯麦（中国大陆）、艾司摩尔（中国台湾）,总部设在荷兰,全球最大的半导体设备制造商之一，ASML的股票分别在阿姆斯特丹及纽约上市}。ASML由于获得英特尔、三星及台积电的支持，正加快NXE3300B实用机型的设备在客户处使用，累积产出硅片已达44000片。另外，下一代EUV设备NXE3300B已开始安装调试，计划2013年供货。ASML2013年描绘了业界期待已久的EUV光源路线图，近期Cymer公司已推出了专为ASML光刻机配置的40W极紫外(EUV)光源，工作周期高达每小时30片，并计划在2014年时NXE3300B中的光源升级达到50W，相当于43WPH（wafersperhour)水平。而100W光源可能要等到2015年或2016年，相当于73WPH。至于何时出现250WEUV光源，至少目前无法预测。500W光源写进路线图中是容易的，但是未来能否实现还是个问题。只要实现73WPH，可以认为EUVL已达到量产水平，因为与多次曝光技术相比，它的成本在下降。在10nm节点以下如果继续釆用多次曝光技术，则可能需要4x甚至8x的图形成像技术。元件芯片的特征尺寸减小，在硅片上制作元件的数量就更多。对于微处理器，通过减小芯片CD，增加芯片的集成度，提高芯片表面的晶体管数量，由于芯片上的晶体管数连年急剧增加，芯片性能也已提高（见图）。每块芯片上的元件数摩尔定律1964年，戈登·摩尔，半导体产业先驱和英特尔公司的创始人，预言在单位芯片上的晶体管数大约每隔一年翻一番。关于微处理器上的晶体管数，如图所示，摩尔定律惊人地准确。功耗芯片性能的另一重要参数是功耗。真空管功耗很大，而半导体器件确实功耗很小。随着器件的微型化，功耗相应减小。尽管每块芯片上晶体管数迅速增加，芯片的功耗却逐步降低（见图）。这已成为便携式电子产品市场增长的一个关键性能参数。Intel’sCPUYearofintroductionTransistors400419712,250800819722,500808019745,0008086197829,0002861982120,000386™processor1985275,000486™DXprocessor19891,180,000Pentium®processor19933,100,000PentiumIIprocessor19977,500,000PentiumIIIprocessor199924,000,000Pentium4processor200042,000,000Intel公司CPU芯片集成度的发展1.2.趋势2：提高芯片可靠性芯片可靠性就是致力于使可靠性趋于芯片寿命的功能的能力。技术上的进步已经提高了芯片产品得可靠性（见下图）。例如，通过无颗粒空气净化间的使用以及控制化学试剂纯度，来控制沾污。为提高器件可靠性，不间断地分析制造工艺，减少污染的时间和空间。通过硅片监控和微芯片测试以验证可接受的性能。这样可变成在工作过程中低失效的产品。1.3趋势3：降低芯片成本半导体微芯片的价格一直持续下降（见下图）。1996年之前的近50年中，半导体微芯片的价格以一亿倍的情况下降。例如，1958年一个质量低劣的硅晶体管价值大约10美元。在今天，10美元可以买到具有超过两千万晶体管的一块存储器芯片、或一个等量的其他元件以及必要的互连以便做成一个有用的芯片。等等。价格降低的两个原因：1.CD不断缩小，一片硅片可生产更多的芯片。2.市场需求增大，形成规模经济。二、中国半导体产业发展1947年，美国贝尔实验室发明了点接触式晶体管。1956年中国提出“向科学进军”，国家制订了“十二年科学技术发展远景规划”，提出中国也要发展半导体科学，把半导体技术列为国家四大紧急措施之一，明确了目标。中国半导体材料从锗(Ge)开始。通过提炼煤灰制备了锗材料。1957年北京电子管厂通过还原氧化锗，拉出了锗单晶。1959年天津拉制了硅(Si)单晶。1962年砷化镓(GaAs)单晶，后来也研究开发了其它化合物半导体。黄昆谢希德林兰英1957我国依靠自己的技术开发，相继研制出锗点接触二极管和三极管。为了加强半导体的研究，中国科学院于1960年在北京建立了半导体研究所，同年在河北省石家庄建立了工业性专业研究所-第十三研究所。1962年研究成外延工艺，并开始研究采用照相制版、光刻工艺，河北半导体研究所在1963年搞出了硅平面型晶体管。1964年搞出了硅外延平面型晶体管。1、半导体器件在平面管之前不久，也搞过锗和硅的台面扩散管，但一旦平面管研制出来后，绝大部分器件采用平面结构，因为它更适合于批量生产。半导体所属工厂后改建为微电子中心，所生产的开关管，供中国科学院计算研究所研制成第二代计算机。随后在北京有线电厂等工厂批量生产了DJS-121型锗晶体管计算机，速度达到1万次以上。后来还研制出速度更快的108机，以及速度达28万次、容量更大的DJS-320型中型计算机，该机采用硅开关管。在有了硅平面工艺之后，中国半导体界也跟随世界半导体开始研究半导体集成电路。中国第一块半导体集成电路究竟是由哪一个单位首先研制成功的？1965年12月，河北半导体研究所召开鉴定会，鉴定了第一批半导体管，并在国内首先鉴定了DTL型（二极管DD晶体管逻辑）数字逻辑电路。1966年底，上海元件五厂鉴定了DTL电路产品。这些小规模双极型数字集成电路主要以与非门为主，还有与非驱动器、与门、或非门、或门、以及与或非电路等。这标志着中国已经制成了自己的小规模集成电路。2、半导体集成电路3、我国半导体工业我国半导体产业起步于1950年代。1965年，我国已自主研制成第一块硅数字集成电路，仅比美国日本晚了几年，而且势头不亚于同处于半导体发展初期的美国。在外部封锁条件下，我国半导体产业，按照军工主导、科研创新带动模式，形成了自己的一套产业体系。国家曾组织三次全国规模的大规模集成电路（LSI）大会战，以逻辑电路、数字电路为主，主要为计算机配套，开发出了自己的109、130、220、370计算机系列。而且自主开发出配套的设备、仪器、原料，形成了生产能力。随后的“文化大革命”耽误了10年。我们搞“文革”的10年，正是美国在半导体制造技术获得全面突破和进入大规模生产阶段，日本半导体产业崛起的时期。31978年，无锡742厂（今华晶厂）投资2.8亿，从日本东芝引进全套彩电用线性集成电路生产线（5微米技术），1982年起投产，1985年国家验收通过。华晶的全套引进在当时是比较成功的项目。1983年改革开放以来，面对国外巨大的技术优势，我国半导体发展模式经历了重大转型。分散引进，33条生产线成效甚微“文革”结束后的1980年代初，，努力追赶国际水平。中国科学院北京、上海两个半导体研究所，于79年试制成功4K存储器，1980年就做出16K，1985年做出了64K存储器。但是，在巨大的进口潮冲击下，1980年代后期停止了在通用电路方面的追赶（256K存储器的研发计划被搁置），转而走技术引进的路子。1984年是我国的“引进年”。大量引进汽车、彩电、冰箱生产线，同时各科研、制造单位和大专院校，大量引进半导体器件生产线。从1984年到“七五”末期，先后共引进33条集成电路生产线共花费外汇1.5亿美元。但是，由于当时“巴黎统筹委员会”的禁运政策（巴统1949年11月在美国的提议下秘密成立，17个国家，其宗旨是执行对社会主义国家的禁运政策。禁运产品有三大类：军事武器装备、尖端技术产品和战略产品）。引进设备基本上是已经淘汰的，达不到设计能力，只有1/3可以开动。而且，企业急功近利，只讲生产不重消化，缺乏消化吸收方案，也缺乏资金保障。这33条线绝大多数没有发挥作用。“908”项目：从决策到投产用了7年1990年8月，国家决定投资20亿人民币，上马“908工程”。包括一条6英寸生产线（在华晶厂），一个后封装企业，10个设计公司，还有6个设备项目。“908”工程是指国家发展微电子产业20世纪90年代第八个五年计划.“908工程”吸取了“33条线”教训，强调了集中投资。但是，在实际上马过程中，仅仅立项就用了4年（1994年立项才获批准），突出暴露了我国决策机制之迟缓，不能适应高科技产业快节奏发展的弊病，最后还是引进一条二手的6英寸生产线。直到1997年左右才建成。新加坡的CHATER公司也是1990年开始引进生产线，两年建成，三年投产，到今天已经成为国际著名半导体公司。我们从立项到建成投产，用了几乎7年时间，投产之日即是技术落后之时。技术已经前进了几代。“909”的成功，增强了我国半导体产业界的自信20多年来，我国半导体领域从争相引进、无所建树，“909”项目，可以说是到目前为止，我国由国家主导的半导体制造项目中最成功的一个。该项目1995年立项，共投资100亿人民币，其主体是一条8英寸，0.35微米的生产线（华虹NEC），其设备的先进性达到同期国际水平；另外还有若干集成电路设计公司。1997年开工建设，按照国际标准，18个月即建成，1999年底试投产。“909”是在吸取了历史教训基础上，由国家集中组织，一次性大规模投资取得的成果。“909”引进了国际当今主流技术和装备，具有资产控制能力，为培养自己的队伍创造了极好的平台。正是“909”的成功，为上海和华东地区形成新兴半导体产业群落带来了大好契机。半导体设备长期被外国卡脖子半导体产品平均3年更新一代，加工技术也随之升级，所以，半导体支撑产业——制造设备、测试仪器和原材料是产业升级的关键，其