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半导体三星工艺世界半导体业必将走上多样化发展道路

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今年市场将优于预期

  在全球金融/经济风暴的袭击下,世界半导体业2008、2009连续两年陷入困境,出现负增长,2010年触底强劲反弹。WSTS(世界半导体贸易统计协会)去年秋季曾预测,当年市场将大幅增长31.7%,市场突破3000亿美元大关,达3004亿美元,是十年来增长最快的一年。可是,冷暖相依,大多市调公司对2011年市场并不看好,预期增长率仅能在5%上下,徘徊于个位数的低端。

  预测不过是预测而已

  最近WSTS发表了今年1月份的数据统计,世界半导体的销售额达240亿美元,同比劲增16%,而环比(比上年12月)仅下降4.5%,是自1999年以来12年中下降最少的一年(据统计,1999~2010年间每年l月的平均环比负增长率达20%)。

  依据上述数据,市场调研公司IC Insights将历年的详细数据加以推算,再加上最近如美国失业率减少、新兴经济国家需求殷切等的经济积极因素,该公司对今年世界半导体市场前景表示乐观,认为可增长10%左右。

  无独有偶,VLSI公司在3月份竟两次上调今年世界半导体市场的增长率,尤其引人瞩目。该公司不久前曾表示,去年世界半导体市场增长了30.9%,预测今年将增长8.1%,达2687亿美元,虽然承认今年市场确有许多不确定因素,但鉴于首季度的市场运行情况,于3月2日将今年的增长率上调至8.9%,达2707亿美元。等到3月30日,一季度的半导体市场表现红火好于预期,今年快速提高了11.6%,销量也从11%提高到14%,因此一季度为全年发展构建了良好基础。于是,VLSI公司便再次将今年世界半导体市场的增长率上调到12.2%,并认为即使有石油涨价、通货膨胀、日本地震等种种不利因素,未来几个季度运行速度可能会趋缓,但至少可保持两位数的增长率。

  IC Insights公司预测,今年热销的半寻体产品有数据转换电路、汽车专用模拟电路和MPU等,日前又特别提到了O-S-D(光电器件-传感器/传动器-分立器件)市场,3类产品总销售额将比去年上扬10.2%,达583亿美元,其中光电器件增长11%,达264亿美元;传感器/传动器增长15%,达85亿美元;分立器件增长8%,达234亿美元。

  由于日本3.11地震曾导致15座晶圆厂生产中断,对半导体业造成不良影响,IC Insights公司最近又出版了一份相关报告。据其统汁,世界半导体制造产能中有63%位于地震活动带,晶圆代工产能更超过90%,尤其是位于中国台湾地区的世界两大顶级晶圆代工厂――台积电和联电,一旦遭遇地震或飓风灾害,则将对整体电子产业供应链造成巨大冲击。

  自1980年半导体业界采用l00mm晶圆进行生产,大约每5年前进一代,1985年采用150mm生产;l990年采用200mm生产;1995年采用300mm生产。可自300mm以来已超过15年还未走向450mm新一代晶圆,时间可谓长矣,近年虽议论不少,可始终未见具体计划。

  究其原因,主要是缺少突破型新产品需求的驱动力,据说300mm晶圆线的巨额投资,厂商还没全部收回,因而缺少投资新一代工艺的经济实力。另外,开发新一代技术已不像以往各代的工艺主要是重复,而是要求制造设备厂商具有综合开发能力,包括工艺开发、材料准备、软件编写、工厂自动化等,庞大的资金和专业知识均非易事。当前,即使像应用材料和东京电子这样世界最大的设备制造公司在资源方面也难于独立完成这样的开发。

  2008年5月,Intel、三星和台积电共同发表实施450mm生产线的声明时,业界一时震动。可其后适遇经济风暴,市场陷入低迷,计划亮起红灯。直到不久前,人们才又见到促进派特别是Intel和台积电的动静,发表了较为具体的发展路线图。台积电计划2013~2014年完成试制生产线,2015~2016年实现量产,并计划2012年第三季度开始在450mm晶圆上采用20nm工艺技术进行生产。Intel公司2月宣布,即将投资50亿美元以上,在亚利桑那州建立42号工厂,釆用l4nm以下工艺,2013年建成,据称将是世界上最先进的工厂。

  台积电4月5日在美国圣荷塞举行的技术论坛上,详细透露了公司的450mm晶圆生产计划。台积电将全力向450mm时代挺进,目的之一是降低成本,其二是争取比竞争对手抢先一步。450mm生产线约需投资100亿美元,其中设备费尤为高昂,但其生产率可比300mm生产线提高1.8倍,且可减少工厂数量,避免面临寻找大量优秀工程技术人员的难题,未来10年将减少人员需求7000人。据悉,台积电将首先在新竹第12号工厂建立试制线,预计2013~2014年投入运行,然后转入台中第15号工厂进行量产,计划2015~2016年完成。初时釆用20nm工艺,未来将转向14nm工艺。

  摩尔定律何时到头?

  在半导体业界一向奉为圭臬的摩尔定律到头之论早已有之,iSuppli公司2009年便声称摩尔定律即将于2014年失效,曾引起热烈议论。被誉为台湾集成电路之父的台积电董事长张忠谋于今年4月下旬出席“全球科技高峰论坛”时又表示,摩尔定律大约再过6~8年将走到极限。他说,摩尔定律以往平均每两年进入新的一代,未来IC的微细化发展空间已不大,倒是电路板方面还有发展空间,未来势必要往新的应用发展,如低功耗等。

  微细化技术发展的困难日益增大,速度趋缓,从2003年的90nm工艺、2005年的65nm工艺、2007年的45nm工艺到2009年32nm,都是两年一代。跨入2010年以后工艺革新的间隔时间将延长,预计将从2011~2012年的22nm、2014~2015年15nm到2017~2018年11nm,将放慢到2.5~3年一代。

  今天的半导体业除了继续走传统微细化道路的所谓“More Moore(更摩尔)”方式之外,业界还提出了有别于此的所谓“More than Moore(超摩尔)”的发展道路。它包括通过3D方式提高集成度,以及将模拟电路、功率器件、传感器、生物芯片、无源元件等集成在一个封装里,称为SIP(System In a Package)。另外,“Beyond CMOS(后CMOS)”也是业者提出的另一方式,即利用与现有MOS晶体管不同原理进行工作的新器件,包括将原子、量子、光、自旋电子等用作芯片布线等技术,并将成为本世纪20年代的基础技术。

  总之,未来集成电路必将走上多样化的发展道路,“More than Moore”和“Beyond CMOS”将成“More Moore”技术发展的原动力。此外,还有化合物半导体(Ge和III-V族半导体)材料的应用也值得注意,业界有“得材料者得天下”的说法。

  无论如何,微细化的道路还将走下去,当前32nm工艺已成主流技术,今年世界主要半导体厂商如Intel、台积电、Global F、三星等公司即将跨入22nm新一代技术,但综观世界半导体业各生产公司,自130nm以下,共有6代生产工艺并存于世(图1)。预计明年22nm将成主流生产技术。

  另外还有一种提法,认为微细化技术在NAND flash等的牵引下,不断采用新的手段,前进步伐还将加快,超过了ITRS(国际半导体技术发展路线图)的预测,今年1Xnm技术即将成事,9nm技术也已在实验室开发成功。若依ITRS路线图,2024年将进入5nm时代,届时每平方厘米尺寸的芯片上,集成的晶体管数将超过250亿个。当然,它必须经过革新原有技术,应用新的半导体材料。

  总之,世界半导体业将在这新的十年里闪展腾挪,争时立新,人们必须清醒地认识到这一点,方能不失时机地择机而进。2011~2012年22nm工艺付诸量产时,现有的MOS晶体管结构和材料尚可维持,可到2014~2015年15nm时代以后,就必须要开发提高产品性能的新技术了。

  结语

  事物总在发展,生命必有尽头。摩尔定律是在半导体芯片上通过传统手段缩小工艺尺寸以提高其集成度和降低成本,这条道路走不下去了,人们便研究出改变M0S晶体管结构、更换半导体材料以及3D化等不同手段,使半导体工艺微细化继续不断前进。

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