[分享] 半导体发展前景分析 [复制链接]

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300mm发展报告


　　现在，全球有24家芯片生产线正在体验300mm晶圆生产所带来的好处。只要在设备和厂务上增加相对很少的额外成本，就可以在300mm晶圆上生产出200mm晶圆2倍以上的芯片。因此，每片晶圆大约可以节省30%的成本。当半导体工业走出持续的不景气期开始增加产能时，这些未雨绸缪投资预计将会增加拥有300mm晶圆生产能力公司的竞争力。



　　Lam 2300系列蚀刻设备被设计成与晶圆大小无关，不仅可以在200mm Fab里与200mm晶圆兼容，节省开发成本，而且可以直接应用于300 mm工艺。（资料来源： Lam Research）

　　回顾半导体历史，在向300mm晶圆技术的转移过程中，人们走过了一条崎岖不平的漫漫长路。1995年，半导体工业就已达成了共识，认为300mm将是下一代晶圆的尺寸大小；并预计1998年会开始这些大直径晶圆的生产。设备供应商也注意到了这种需求，于1996和1997年推出了第一代可用于300mm晶圆生产的设备。然而，接下来出现的半导体产业不景气，推迟了向300mm晶圆上生产芯片的转移。2000年，半导体工业出现反弹。这次反弹很快变得很不确定，大部分公司认为增加200mm生产线的产能要比冒险转向未经验证的300mm工艺更安全。而且，2000年的反弹时间很短。预计最近新景气期的出现将会显著增加300mm产能。
　　根据市场战略协会（Strategic Marketing Associate）的资料，现在运营的24条300mm生产线，除了少数用于研发和流片试产外，大部分都是量产型生产线。图1是根据已装机设备计算的，具有300mm生产能力的前七家公司的产能情况。然而，大部分Fab并未达到全部产能。研究公司注意到，如果全部量产，这些Fab每个月可以生产350，000片晶圆。换算成200mm，相当于将近800，000片晶圆或40个月产20，000片晶圆的200mm Fab的产能。根据Fab设计的理论产能计算，Intel和UMC的产能比其他任何公司都要大（图2）。Strategic Marketing Associate还报告说，从现在到2004年第二季度，还会有15座新的300mm Fab投入生产。图3显示了现有、理论和计划中的300mm产能情况。



图1 具有300mm生产能力的前七家公司的现有产能。（资料来源：Strategic Marketing Associates）



图2 按照Fab设计全部量产时，前七家公司的理论产能。（资料来源：Strategic Marketing Associates）
　　第一座300mm Fab是DRAM厂。由于对成本非常敏感，因此DRAM厂是300mm技术理想的候选人。1998年2月，Motorola和Infineon共同投资在德国Dresden建起了Semiconductor 300（SC300）。18个月后（1999年7月），SC300通过产品质量认证。现在，SC300完全属于Infineon。根据Strategic Marketing Associates的报告，目前DRAM公司拥有300mm全部产能的40%，其次是代工厂，占30%。来自iSuppli的另外一份报告预计，未来三年内存储器制造商占300mm产能的比例将会提高到67%。
　　对于逻辑器件（特别是面积较大的芯片）制造商来说，300mm具有同样的优点。Intel 11X Fab就是一个典范。该Fab最近赢得了Semiconductor International颁发的全球最佳Fab奖项。Fab 11X建于2002年，下半年开始生产第一片300mm晶圆。开始每个月的投片量约为2000片，现在已经达到每个月约6600片。目前采用130nm技术生产，2003下半年开始向90nm新技术转移，预计2004下半年将100%转为90nm技术。



图3 300mm现有产能、已建Fab的理论产能和规划设计建设中的产能情况。
（资料来源：Strategic Marketing Associates）
　　　德州仪器公司（TI）位于Dellas的DMOS6是另外一个很好的例子。DMOS6的厂房建于1990年代中期，2000年第三季度开始装机。最近，DMOS6的产能从7000片/月扩大到10000片/月。TI高级逻辑产品部副总裁Larry Tolson说，到明年年底时，产能有可能继续扩大到25000~30000片/月。“我们正在继续逐步增加产能。最终，这些产能都将用于生产高级逻辑产品，而且会采用300mm晶圆技术进行生产。”
　　iSuppli预计到2010年，20%的半导体制造业将采用300mm晶圆进行生产。到2005年，70%的300mm生产线将会落户在亚洲，其中40%会落户在台湾。长远来看，不能向领先技术和大尺寸晶圆转移的公司将不太可能保持成本竞争力。

300mm技术的延期
　　半导体工业曾经历过几次向大尺寸晶圆转移的历史。每一代新的晶圆所持续的时间都比前一代长很多。向100mm、125mm和150mm的转移各自花了大约三年时间。然而，从150mm到200mm的转移花了5年时间。300mm更长，用了8年才达到1亿平方英寸晶圆的生产。与过去不同的是，设备制造工业承担了大部分向300mm转移所需要的成本；而过去都是由某家公司单独承担的。例如，IBM承担了向200mm转移的成本，Intel则为150mm。 Applied Material硅处理系统资深副总裁Ashok Sinha说：“尽管许多芯片制造龙头企业投资了整条流片试产生产线，300mm的量产还是被延期了。不幸的是，向300mm转移的过程和其他困难重重的技术转移重合在一起了，比如从铝制程到铜制程，从FSG/SiN介电材料到低介电常数材料，从0.13um技术到90nm技术。”
　　300mm技术的延期令人喜忧参半。其好处是有更多的时间来解决向大尺寸晶圆转移过程中出现的一些难题。审阅过本文的人都认为向300mm转移的主要技术问题都已经解决了。到目前为止，许多设备开发商已经推出了第二代甚至第三代300mm设备。此外，为300mm工艺开发的新的自动化系统和数据控制策略优化并提高了其生产效率。
　　可是另一方面，很多300mm设备采用了一些新的部件，因此需要一些时间来解决可靠性问题。Novellus整合和高级发展部首席技术官兼执行副总裁Wilbert van den Hoek说：“虽然我们有10年200mm设备的丰富经验，但是300mm设备并不是完全在200mm设备基础上开发的。目前，300mm设备的正常运行时间即使不比200mm设备好，也能达到基本一致，但是平均故障间隔时间（MTBF，mean time between failure）和平均事故间隔时间（MTBI，mean time between incidents）还不能达到同一水平。”
　　设备供应商还抱怨说他们不得不承担向300mm转移的成本，但是回报却很少。van den Hoek说：“300mm技术是在设备工业的基础上发展起来的。我们必须很早就向市场推出新设备，然而5年后我们才可能会有收益。如果你从设备工业的角度去看，我们已经花了好几十亿美元，可是离收回投资的日子却仍然十分遥远。过去7年里，从财务上来看向300mm的转移并没有使我们感到很兴奋。”
　　当然，如果不是因为长期不景气和对设备价格的持续压力，事情就可能截然不同了。TI 公司的 Tolson说：“我们的经验是，设备成本是向300mm转移过程中的一个重要因素。设备供应商希望能够提高下一代300mm设备的价格。这是他们的目标。”
　　我们还要注意到，200mm技术取得了一些显著的进步，在某种程度上，这种进步起到了阻止向300mm转移的作用。有意思的是，为300mm生产效率开发的一些技术已经在200mm生产线上得到了应用。“我们在200mm生产中得到了一些提高生产率的方法。如果不是因为有300mm的驱动力，这是不可能发生的。”International SEMATECH的Steve Fulton认为：“如果不是为了300mm工厂的生产，就不可能出现这些技术并在现有半导体工业中发挥作用。”
　　300mm工厂具有更高的自动化程度，包括前开门式统一规格POD（FOUP）和微环境的普遍应用；非常高的单机自动化水平；高度集成的全厂计算机集成制造（CIM）系统；自动化物流系统；为自动化生产优化设计的工厂布局；大大减少的操作工人数量等等。这些特点在一定程度上进一步提高了其生产效率。

对300mm技术担心的因素
　　有人担心300mm尚未开发的产能储存释放出来之后将会是一场灾难。这些Fab全部量产后，过剩产能将会大得惊人，导致价格下跌，收入受损，从而不可避免地出现下一个萧条期，而且情况会更加严重。虽然没有人预计在没有市场需求的情况下，半导体公司会继续盲目增加产能，但是现有潜在产能已相当于40个月产20,000片的200mm 生产线，再加上15个计划中新的300mm生产线，其总数将会非常惊人。
　　人们担心的第二个问题是半导体工业将分成两个集团：拥有300mm技术的公司和没有300mm技术的公司。当必将出现的景气期来临时，那些具有300mm生产能力的公司可以很快地释放出300mm的产能，而且因为成本低，所以竞争力很强。而准备不足的竞争者将会很快地失去市场份额直至消失。这种忧虑是对的，不过主要是针对那些生产DRAM之类产品的公司。
　　新技术的应用使情况变得更加复杂。van den Hoek说，“半导体工业的发展遇到了严重的限制和束缚，迫使我们针对每代新技术做出更大的变化。我们正在推出更多的新材料，并在很多方面作出了改进以满足要求。”
　　300mm的早期接受者如SC300还用过0.25um技术进行生产。可是现在这些公司不仅要努力向更大尺寸的晶圆转移，而且还要在这些大尺寸晶圆上引进许多新技术，包括更小的栅极长度（90nm）、双嵌入式铜制程工艺、低介电常数和高介电常数介电材料的制备、甚至可能是晶圆长凸技术和背面研磨技术等。
　　目前，大多数公司采取了在200mm设备上开发新技术，然后转移到300mm生产线上去的模式。这是因为300mm晶圆的成本比200mm高很多，而且300mm设备的投资成本和运行成本也比较高。“目前，我们认为这种方法能有效地控制成本，而且我们还有能力继续在200mm设备上开发技术然后转移到300mm上。”TI公司Tolson说：“光是晶圆价格，300mm的成本就是200mm的5~6倍，甚至是10倍。我们的研发部门每个月就要吃掉好几千片这样的晶圆。在使300mm制造逐渐成熟的过程中，我们要做很多事情，使研发成本更加具有成本竞争力。这样做的缺点是你会遇到技术转移的问题。”
　　这种开发模式可能会遇到问题：设备供应商不再希望或能够为200mm平台新技术开发提供支持。van den Hoek说：“假如继续保留200mm版本设备的唯一原因是客户可以用它来开发技术时，200mm不可能给设备供应商带来必要的财务回报。另一方面，如果客户没有在200mm设备做过尝试而直接将新技术应用到300mm生产中去，这样的风险也是很大的。这不是一个简单的问题，因为每一代新技术都会有很多变化。我想这会成为一个很大的问题，需要整个半导体业共同努力，给出一个圆满的答案。”
　　Denis Fandel在International SEMATECH经济论坛演讲时谈到：“考虑到设备供应商的限制和同时在两种晶圆上进行研发的投资能力，我们预计最后会以200mm技术能力为基础达到一个平衡点。”
　　Lam Research采用了一个巧妙的解决办法，尽管该方法可能不适用于所有类型的设备。Lam新产品开发部Dave Hemker介绍说：“1998年，我们决定从蚀刻产品开始，采用新产品研发不受晶圆大小限制的策略。我们保留了200mm设备的基本结构并使它能兼容300mm晶圆。我们知道对于大多数客户来说，300mm是不可避免的。但是我们根本不用关心他们是现在还是明天会采用这项技术。”
　　Applied公司Sinha认为：“看起来90nm逻辑芯片和110nm DRAM芯片将会实现量产化。现在，几乎所有的65nm和65nm以下先进技术的研发都是首先在300mm而不是200mm晶圆上进行的。当对领先技术的需求超过产能时，总有一天，我们会看到300mm给我们带来的好处的。

价格要与体积成正比拉！