集成电路调研

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1、 晶圆尺寸的发展及下一代晶圆的成本问题 王青鹏Abstract： 众所周知，扩大晶圆尺寸的最大好处是提高产量和降低成本，从而获取更打的利润，扩大晶圆尺寸是半导体产业链发展的必然规律，然而另一方面，研制下一代450mm晶圆，其研发费用与制程总成本呈指数式增加，令所有人望而却步。本文将简单介绍一下晶圆尺寸的发展历程及下一代晶圆的成本问题。Key words： 晶圆尺寸 450mm 成本一、晶圆尺寸的发展历程 半导体业界经过八年不懈的努力 终于实现了晶圆尺寸从200mm到300mm的过渡业界早在1998年已开始筹建300mm制造厂，当时工艺以130nm制程为主，进入2000年工艺向100nm过渡，导

2、致IC制造厂需要大小尺寸同时兼顾，一方面是晶圆尺寸的增大，另一方面是制程尺寸的缩小，使300mm实现的难度比预期的高，加上2001年半导体市场的总销售额下跌40%，也为300mm的建厂带来资金投入的困难，全年投片不到7万片， 进入2002年300mm生产线终于开始量产，产量超过40万片，2003年产量165万片，2004年产量387万片，预计2005年产量将达到740万片，这些数字表明300mm晶圆制造厂开始进入上升阶段。 根据国际半导体发展路线图(ITRS)的指引，下一代450mm的晶圆制造厂进入试生产的时段在20122014年，亦即处在45nm节点过渡到32nm节点的时段，如表1所示。 应

3、该说明ITRS对于晶圆尺寸进程的要求并无提供专门的章节,表1是 “工厂集成” 章节的2004年修改版的“设备技术要求(长期)”表的开头部分在其它章节分别提及450mm的引入时间是 2010，2011，2012和2015年， 换句话说 ITRS有关章节对450mm晶圆的启动时间不完全明确。然而， 在工业路线图中概括为 ，如果450mm晶圆在2011年投入生产，则晶圆制造厂的开发应该从2003年起动。 实际情况是2003年半导体业界的大部分300mm晶圆制造厂尚未进入量产，无暇顾及450mm晶圆的进展，直至2005 年300mm晶圆顺利进入量产时，业界才开始关注到下一代的450mm晶圆开发计划。二

4、、300mm到450mm过渡的现状 半导体业界拥有许多商务和技术联合体，其中美国Sematech公司是最著名的芯片制造商联盟，为了推动300mm晶圆制程，它曾制订i300i计划，在1990年代促进300mm晶圆制造的国际合作， 对生产自动化的设备 ，制程 ，开发用生产线，包括芯片生产的前后工序都做了大量工作。类似机构还有日本的Selete联盟得到日本官、商 、学的支持。 但是 ，面对450mm晶圆制造可能遇到的困难,Sematech亦感到当前无法制订一个类似i300i 那样的i450i计划,以推动450mm晶圆的实现。Sematech开始做些450mm晶圆的基础工作，从建立下一代晶圆的投资和商

5、务模型着手，以及由Semate牵头的i450i国际计划的可能性。在今后五 ，六年内将有更多的300mm晶圆制造厂投产，表明300mm晶圆即使在2011-2012年后仍是IC制造业的主流，450mm晶圆计划的可行性备受关注，甚至有人认为晶圆尺寸发展到300mm可告一段落。大部分业界人士坚持发展450mm晶圆，按ITRS路线图下去，既然100mm晶圆前进至200mm晶圆用不到五年的时间，200mm晶圆提高至300mm晶圆花去八年，业界从每次晶圆进步中都获得效益，相信将来450mm晶圆的成功，加上45nm节点的突破，摩尔定律最少在十年甚至二十年还发挥作用，现在开始规划450mm晶圆仍为时不晚。三、4

6、50mm的成本效益 晶圆尺寸从200mm进人300mm是半导体制程的进步，整个过渡历时八年，比预定四年时间增加一倍，现在全业界都认为300mm晶圆取得很大成功，今后十年至二十年问300mm晶圆将成为首选0r晶圆。到2018年全球300mm晶圆制造厂将从目前的80个增加到400晶圆，仍然需要几百个300mm晶圆制造厂。这种预测数字可信度很高，Sematech和Ic Knowledge等公司都是根据Ic制程预测趋势的。但是许多业界分析人士并不同意这种预测，认为今后十至二十年内300mm晶圆制造厂只需200250个。对预测趋势的争议还会进行下去，至于300mm晶圆的成本效益的提高方面却是有共睹的，特

7、别是单元电路标准化和规模经济明显的存储器芯片，追求大批量和低成本生产变得至关重要，具体策略表现为晶圆尺寸增大和制程工艺不断缩小，透过尺寸一大一小的办法使单位晶圆的裸晶数目明显增加。由于采用的策略相同，各存储器供应商都在使用300mm晶圆和引入90nm线宽的时问上竞争，保持领先地位。按2004年度的110nm制程生产256M位的DRAM作为比较标准，根据IC Insight两公司数据模型获得Knowledge和IC台的300mm晶圆与200mm晶圆的成本效益对比如表2所示。 从表2的300mm晶圆与200mm晶圆的对比数字中可见，晶圆制程成本虽然增加876美元(524)，但是总裸晶数增加756片

8、(1 39.7)，裸晶成本降低1 .18美元(-36.4)，封装测试后的芯片成本减小1. 2美元(-28)。换句话说，晶圆尺寸从200mm升级至300mm，仍然使用110nm制程的存储片，制程成本增加524，最终获得芯片成本降低(一280)，亦即每片芯片成本约减小1/3。如果全面升级至300mm晶圆和90nm线宽的制程，每片芯片成本将进一步降低。鉴于300mm晶圆具有明显的成本效益，存储器供应商对它的投资建厂最为积极，占垒球存储器市场75的以三星、姜光、海力士、英飞凌为代表的大厂，三星和海力士都有10个300mm晶圆制造厂，美光和英飞凌则有5个300mm晶圆制造厂，而整个存储器业界共有36个3

9、00mm晶圆厂。CPU供应商英特尔、ADM、TI、IBM，逻辑Ic代工厂台积电、联华等，基于与存储器供应商相同的策略，兴建和计划的300mm晶圆制造厂的总数亦在40个左右。存储器供应商巨头三星公司占DRAM总市场的32，微处理器供应商巨头英特尔占CPU总市场的50，两巨头都主将开发450mm晶圆也只有他们具备这种实力。由于450mm稻对300mm和300mm相对2都是直径增大15倍，面积扩大2 25倍，表2的相对增减百分比仍然可作参考。亦即450mm制程的裸晶成本将同样比300mm晶圆的裸晶成本降低36，4以上。但是晶圆制程总成本呈指数式增加，一般集成电路供应商只好望而却步，先从300mm晶圆

10、取得最大效益后再开发450mm晶圆。 四、450mm晶圆任重道远 从IC Insight的2002年至2005导体制造厂商的每季度资本开支统计可知，历年的资本开支分别是25l、295、457和458亿美元。对今后几年的预测资本开支是基于占全球半导体销售额的19作出的，2006年估计半导体市场将有5至10的增张，预测资本开支呈现持平或略有下降的趋势。对主要半导体供应商的调查发现，美国和韩国大体保持19的资本开支，欧洲、日本、台湾都有不同程度的降低。虽然IC Insight公布2006年后的预测资本开支数字，为了说明设备制造业可供研发使用的经费，在此可假设2 006至2009年的每年资本开支是45

11、0500亿美元，以研发开支占资本开支10计算，则设备制造业可动用的设备妍发经费每年只有4050亿美元。这部分研发经费主要用于300mm晶圆设备的继续开发，即使拿出20-25投入开发400mm晶圆的设备，对1000亿美元的巨额经费也是杯水车薪，心有余而力不足。 450mm晶圆制造设备的研发投资只有依靠芯片供应商了，因为拥有每年销售额2500亿美元的买方，显然具有更大的财力作后盾。试看两家大型芯片供应商的最新动向，存储器供应商三星公司动用330亿美元在未来七年内增建300mm晶圆生产线8条，平均每生产线成本为40亿美元。台积电公司创建台湾第一座300mm晶圃的“千兆厂”，投资100亿美元，它是继英

12、特尔和三星之后的业界第三座“千兆厂”，亦即月产量为8万至10万晶圆的特大型芯片制造厂。英特尔、二星、台积电的特大型厂能够比中型厂降低10的成本，以补偿业界销售额的复合年增长率从15降为10带来的损失。英特尔借助300mm晶圃和90nm工艺，在2004年使芯制造成本节约10亿美元，从2003至2005年保持颗晶制造成本在约40美元的水平。 根据SEMI硅制造商组织(SMG)的调查报告，全球硅晶圆材料出货量经历2005年的2年增长率之后，2006至2008年将有7到11的年增长率。预测2006年出货量为6862百万平方英寸，2007年增加到7287百万平方英寸，2008年达到8192百万平方英寸，

13、相当300mm晶圆(12英寸)分别为6067厅片，6436万片，年、7242万片/年。如果每年分由100个晶圆制造厂使用这些晶圆材料，则每厂的每月晶圆数目分别是505万片(2007年)，537万片(2008年)、603万片(2008年）。显然，一般的300mm晶圆制造厂将无法承担每月5万片晶圆以上的产量，解决办法足增加并无晶圆制造厂数目，或者扩容成为“千兆级”晶圆厂。从英特尔、三星和台积电的增建和扩建300mm晶圆每厂投资40亿至100亿美元的举措来看，大型芯片供应商愿意使用尺寸更大的450mm晶心，也有能力分期分批投入技术研发和制造设备的经费。2005年即将过去，ITRS建议的450mra晶圆起动计划并未落实有些业界专家认为可能耍推迟5年至l0年，在2018年时段完成300mm晶圆过渡到450mm晶圆的计划比较稳妥。总的来说，450mm品圆前途艰难，目标可望而不町及，应该相信目标是能够达到的。Reference1. 翁寿松 推动半导体产业链发展的两大轮2. 李锦林 450mm可望而不可及的下一代晶圆上、 450mm可望而不可及的下一代晶圆下3. 翁寿松 谁为研发450mm晶圆设备买单