蒋尚义:自主创新推动半导体技术升级

2011-01-24 10:43:33来源: 中国电子

    上世纪80年代中期,晶圆代工企业的出现改变了集成电路产业的游戏规则,使全球半导体产业的生态系统发生了革命性的变化。随着集成电路特征尺寸进入32纳米节点,“摩尔定律还能走多远”成为业界关注的话题。作为专注于集成电路制造的企业,如何在新的工艺节点抢占先机?如何面对即将到来的器件物理极限?如何拓展新的业务领域?就此话题,记者日前专访了TSMC研发资深副总裁蒋尚义。

  推动半导体技术不断升级

  记者:TSMC开创了专业从事晶圆制造的Foundry模式,并取得了成功。你认为这种产业模式未来是否还具有生命力?
  
  蒋尚义:TSMC自成立至今已有23年历史。在过去的23年中,我们不断地看到采取IDM(集成器件制造商)模式的公司逐渐放弃芯片制造业务,转型成为Fabless(无生产厂集成电路设计公司)或Fablite(轻制造设施)公司,而不是相反。
  
  晶圆制造是一个资金密集型的产业,以TSMC为例,我们每增加1元钱的投资,能得到的年销售收入增长是0.5元,普通公司很难承受这样的投资强度。同时,从事晶圆制造行业必须非常注重规模效应,对于企业而言,通常产能规模越大,其生产成本就越低。如今,IDM模式的公司越来越少,足以说明Foundry模式具有强大的生命力,也足以说明TSMC最初选择的发展道路是正确的。
  
  记者:两年前,TSMC和英特尔、三星一起宣布,共同推动18英寸生产线在2012年问世。你认为这个目标是否还能够按当初的计划得以实现?
  
  蒋尚义:在过去数十年中,半导体晶圆直径从4英寸、6英寸、8英寸直到12英寸,大概每隔10年晶圆尺寸就会有一次升级。如果按照这个规律进行推算的话,18英寸生产线应该在2011年或2012年被推出,但从目前的情形来看相当具有挑战性,其中最重要的原因是设备制造商的研发成本太高,而且在他们付出巨额的研发费用之后,得到的结果是销售的设备数量却较前一世代线减少,因此他们对升级到18英寸并没有多大兴趣。当前的半导体设备制造业与过去数十年有一个很大的不同,就是在集成电路生产的几个关键环节,其设备供应商几乎都是一家独大,而不是像过去那样可以形成两三家企业竞争的局面,这也在一定程度上影响了设备供应商推动其产品更新换代的积极性。我认为,从12英寸升级到18英寸,最大的障碍与其说是技术上的,不如说是经济上的。不过,TSMC会一如既往推动半导体产业的升级。
  
  记者:TSMC在28nm节点转向了Gate Last(后栅)工艺,你如何看待Gate Last和Gate First(先栅)两种技术的前景?集成电路设计公司对此持何种态度?
  
  蒋尚义:我们现在面临的情况跟上世纪80年代初所遇到的问题有些类似。当时,半导体业界刚刚开始从NMOS工艺转向CMOS工艺。我们知道,CMOS器件融合了NMOS和PMOS两种器件的构造,CMOS工艺至今仍是主流的工艺技术。当时,人们试图沿用NMOS工艺的做法,在CMOS器件中统一采用N+掺杂的多晶硅材料来制作栅极,但发现其中的PMOS性能非常不好。为此,部分厂商试图往PMOS管的沟道中掺杂补偿性的杂质材料,尽管取得了一些效果,但此举又带来了很多副作用。
我们今天面临的难题仍然是NMOS和PMOS两种构造在CMOS器件中共存的问题。以前,TSMC一直采用先制作栅极、后制作源/漏极的Gate First工艺,但Gate First工艺有一个先天的限制,就是同一个器件其栅极材料只能用一种。对于单纯的NMOS器件或PMOS器件来说这是没有问题的。但对CMOS工艺而言就无法兼顾两种构造,目前业界普遍的做法是在选择栅极材料的时候尽量迁就性能较强的NMOS器件,因此PMOS的性能就相对较差。
  
  TSMC在28nm节点转向Gate Last工艺,Gate Last工艺是在制作完源/漏极之后再制作栅极,可以分别针对NMOS和PMOS沉积不同的栅极材料。这样,就解决了栅极材料无法使NMOS和PMOS两种构造同时达到性能最佳化的问题。尽管有业内企业在28nm节点仍然采用Gate First工艺,但我相信,在20nm节点,他们必然也会转向Gate Last。对集成电路设计企业而言,他们也非常希望工艺路线能尽快得到统一,否则会给他们的设计工作带来很大的困扰。

    记者:从IC制造的角度来看,光刻技术也是必须突破的瓶颈。你认为目前193nm浸润光刻技术会在哪个技术节点宣告终结?
  蒋尚义:在40nm节点,TSMC仍然使用的是193nm波长的浸润式光刻设备,在28nm和20nm节点,我们还将继续使用这种设备,但在光罩技术方面需要进一步的创新做法。我认为,在未来的15nm或14nm节点,即便193nm波长的光刻设备在技术上还能满足需求,但在成本上已不具经济效益优势。届时,就需要引入EUV(极紫外)光刻设备或E-Beam(电子束直写)光刻设备。当然,引入新工艺和新设备的成本也不容小觑。以EUV为例,一台EUV设备目前的售价是1亿美元,而为给这台EUV配套,我们还需要事先在洁净室里安装一台价值180万美元的起重机。另外,从产能角度来看,EUV的单台产能要达到每小时100片晶圆才能具有生产效益;E-Beam的弱点也在于生产能力,但如果E-Beam能保证每小时加工10片晶圆,那么10台E-Beam的价格合计也会低于1台EUV。此外,E-Beam具备另一个优势是不再需要掩模(Mask)。

  “摩尔定律”或将失效

  记者:在过去的半个世纪里,集成电路工艺技术一直按照“摩尔定律”稳步提升,到今天已经进入32nm节点。业界始终有人在探讨“摩尔定律”究竟何时将失效,你对此持什么观点?
  
  蒋尚义:现在的集成电路中的晶体管被称为“平面晶体管”,从物理结构上来看,平面晶体管可以延续到18nm工艺,因此这种结构在20nm节点仍然适用。如果器件的特征尺寸继续减小,就需要引入新的结构。就目前而言,FinFet和SOI是两个主要发展方向,TSMC更看好充分利用三维空间的FinFet结构。如果采用FinFet技术,那么器件的特征尺寸可以做到7nm~8nm。当然,我们也希望在今后10年内能有新的技术涌现出来,让“摩尔定律”能够延续下去。值得注意的是,工艺技术继续向上提升,每升级一代研发成本和生产成本都会大幅增加,如果获得效益的增加幅度小于成本增加的幅度,那么工艺技术的升级就难以为继了。
  
  我们可以通过粗略的计算来比较一下效益与成本。摩尔定律每升级一代,晶体管的尺寸便缩小为上一代产品的70%,转化为面积则缩小一半;也就是说,同样面积的芯片上晶体管数量将翻一番,从理论上讲这意味着芯片厂的效益将增长100%。但由于系统中的输入/输出、模拟器件等无法将面积缩小一半,所以,其晶体管数量的增长仅为85%左右,相应的,其效益的增长也仅为85%。另外,开发新产品的研发成本将抵消30%的效益,相比上一代技术,新技术带来的效益仅为55%。集成电路产品的价格每年都在下跌,通常每年会下跌12%左右,而升级一代产品大约需要两年时间,因此,价格的下跌又将抵消25%的效益;同时,工艺的升级会导致晶圆制造厂的成本增加,未来,如果因为晶圆制造成本增加使得工艺升级失去投资效益,届时,可能就是摩尔定律走到尽头的时候。
  
  记者:如果严格按照“摩尔定律”的工艺路径,65nm之后的各个节点应该是45nm、32nm、22nm,但TSMC从45nm节点开始就不再遵循这个路径,而是每每领先“半步”,先是采用了40nm工艺,随后跳过32nm直接进入28nm,最近又宣布将跳过22nm直接进入20nm。请问TSMC采取这样的策略是出于何种考虑?

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关键字:自主创新  半导体  摩尔定律  业务

编辑:赵思潇 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/manufacture/2011/0124/article_5100.html
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