受朋友之托,写此文,不知为何名,故定义为:《半导体技术分类的科普》吧。

大体意思是,讲解一下各节点的通用平台和特殊平台的关系,以及各种器件的分类和定义等等。这个看着简单,写着也不知道写什么,姑且按照自己的理解写一下吧。

简单点讲,就是两个:纵向就是尺寸缩小的More Moore (Moore Law),横向就是种类繁多的More than Moore (MtM)。

半导体技术发展的科普知识-《芯苑》

先简单讲摩尔定律(Moore's Law),就是从七八十年代的微米级工艺,到90年代的Sub-micron(<1um)、Deep Sub micron (<0.35),一路走到纳米技术。这就是一路走了几十年的摩尔定律,曾经有一段时间大家都以为摩尔定律走到了尽头,连摩尔定律的创始人Intel也已经放弃了,可是敝公司还是坚守,找到继续前行的方法,所以现在人们给她新的名字叫“More Moore”。至少目前走到3nm还是有Solution的!

再回顾一下摩尔定律吧,也算是凑篇幅吧,也是怕有人没有读到我以前的文章~

Moore's Law: 表示每两年,单位面积的晶体管数量增加一倍。什么概念?翻译成尺寸就是,每两年晶体管面积要缩小一半(也就是0.5)。所以边长就要缩小0.7倍(0.7*0.7≈0.5)。知道为啥半导体工艺主流节点路线:1um -> 0.7um -> 0.5um -> 0.35um -> 0.25um -> 0.18um -> ... ->5nm -> 3nm....了吧?

而且,这些路线都是国际组织ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductor)每年定义好的,从尺寸到性能甚至到用什么material都是有预测的,当然不一定绝对正确,毕竟能不能突破还是要看各公司的技术实力的。

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然而,每个节点的过度都会带来半导体的一次革命,或者一次制程技术的演变,如果你能够从3um一路讲到0.11um每个时代遇到什么问题都是怎么解决的,那么你就算一个合格的PIE了。当然只是8寸的啊~。(大家可以好好总结下这个问题,真的对flow的学习很有帮助)

再到12寸的scalable,一路shrink到几个纳米,尺寸和厚度只有几个原子的大小,一是尺寸没法control,二是载流子隧穿很容易。所以器件稳定性以及漏电都是问题。即使你很牛的解决了,这cost也是非常惊人的。

当然,这个More Moore很多时候玩的是文字游戏,一个FinFET device不是只有一个gate length,就好比我们一个transistor不是只有一个channel length一样,我们还有STI隔离区,我们还有Source/Drain区域,所以我们最终还是要看一个device的pitch,一个SRAM的面积的呢。所以三星的14nm刚出来的时候,就被人家挨个比了一遍,其实还不如我们的16nm啊,更别说Intel的14nm了。这又让我想起了前几年国内某八寸厂要做90纳米工艺了,后来托人打听一下才知道原来是90nm的后段,你懂得!

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再回来我们的More than Moore,如果说摩尔定律是尺寸驱动的话,那么More than Moore就是应用为导向驱使的,他包含穿戴式装置、物联网(IoT)、智能家居和4K面板等,让我写点啥呢?真不知道咋写,说直白点吧,就是摩尔定律跑太快了,光顾着往前冲,很多无法shrink的器件或者更care其他性能的(Analog, ADC/DAC, signal, reliability, etc)还有无源器件(Passive components)等等,就无法随着摩尔定律走下去了,但是这些器件重要吗?我们都知道最leading edge的technology都是用来做CPU和存储器的,为了面积和速度。这如同人体的大脑,但是人体不是只有大脑吧?你是不是需要心肝肾胃脾,对吧?如同一个人脑子再聪明身体不好有啥用?所以说没有是万万不行的。所以,ITRS以前没有把MtM放到半导体发展路线预测里面,后来才加进去。

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那么More than Moore到底包含什么呢?这很难定义,总之不是摩尔定律的尺寸scalable的都可以称之为Moore than Moore。

再具体点吧,可以从几块来讲,一个是封装比如2.5D/3D封装还有SiP封装等等,第二个就是半导体厂的process option,提供更多的器件平台(高性能、低漏电、低功耗,IP,以及Passive device等等),再第三个就是现在很火的IoT里面的各种MEMS Sensor吧,如果再细分的话比如Medical,Automotive,Discrete等等都是More than Moore。其实其他衍生出来的新的应用都算,比如光学测距,无线充电(RF模块)等等,范畴太广了。所以,只要每个公司找到一块领域深耕细植一定都能大有作为的~

再说说FAB的More than Moore吧(不是产业的More than Moore啊),通常我们都是以摩尔定律的Logic制程作为base来扩展各种technology platform的,以适应各种不同产品design的需求,当然要求越高器件种类越多的自然就越难搞得出来了。所以至今BCD还是停留在0.18和0.15um node,渐渐转向0.13um等等了。

MtM最早流行于欧洲,后来美国学术界流行NanoTechnology,作为未来技术的替代方案,以前他们认为人类做不出来100nm以下的器件,知道2003年Intel做出了90nm,这个名词才被MtM取代,MtM的存在继续延续了摩尔定律的后效益,而不需要继续等比例缩小(Scaling Down)。其次MtM创造了摩尔定律配套的一整套产业链价值,比如MEMS、半导体照明、太阳能以及其他Non-digital的application(Analog/RF/Power)等等。

比如HV吧,一般都是做driver的,所以他都是有HV device做gate driver (18V或32V),需要有LV logic device做时钟控制等等,还有需要SRAM或OTP等做寄存器代码存储等,还有需要MV 5~7V器件做 source driver,当然还需要一个电容做Cs (storage capacitor)。所以这些基本上是套路,这就是为什么一个HV的platform需要那些option一样了。当然对于HV平台来讲,应用太局限了,FAB总是希望他的平台能够应用于各个产品,那么自然就是需要涵盖所有产品的特性,比如信号处理需要很多的电容滤波,而电容又有MOSCAP/PIP/MIM/MOM等等,除了电容还需要有高电阻,阻值还要尽可能大(省面积)。Core和I/O还有low noise,low Rdson等等,甚至还要Embedded Flash/MTP等IP。

其次,就是Cost和Area的考量,经典的就是eFlash。这些都是用在MCU上,工艺都是要STD CMOS,外加Flash相关的layer(很多!),这cost也不得了吧。但是现在有另一种MCU就是把controller stack在Flash Memory上面,这样达到了cost和面积的折衷,尤其需要比较大面积memory的时候你可以stack好几个memery chips。所以有时候别人跟你说他需要外挂芯片的时候不要吃惊。

每家FAB都有自己的代工专长,这就要自己去他的roadmap去研究。从低端成熟工艺一路走到最先进技术的,一定是他们的顶梁柱技术。比如当年的HHNEC,搞定了SIM卡技术,让我们办理电话卡从100块钱挂失费变成免费,搞定了二代身份证芯片,这些都是嵌入式eFlash技术,这就是他们的强项(Flash/EEPROM/OTP)。另外H公司还有个强项就是功率器件,主要得益于早期和A公司合作,所以他们在功率器件领域的起步比我们都早,所以技术储备是很足的,技术节点从1.0um可以延伸到0.13um,还有IGBT/NFET/超级结等等。

顺便推荐大家也去看看知乎上摩尔精英张竞扬的一篇文章,《你真的了解中芯国际?》。

再来说说各家的roadmap吧,如果说8寸代工分三个阵营,tsmc肯定是第一梯队,包含产能和品质。第二梯队就是所有人都叫得出名字那几家,我就不说了。关键还有第三梯队,一般人不知道,这些厂家都有自己特定的专长并且依靠当地地区的产业链优势一起成长,比如Magachip和Vangurd都是HV的LCD Driver来服务台湾和韩国的LCD面板行业,还有Magachip和东部的CIS以及东部安南的汽车电子等等。

还有两个公司是我经常光顾的,X-FAB和TowerJazz。X-FAB擅长混合信号和MEMS,而且能够把MEMS代工化可想而知他们的工艺多牛,主页上就可以看出他们的option五花八门应对各种deisgner,人家主页就是:“Analog/Mixed-Signal Semiconductor Foundry”。另外一个是TowerJazz,他的专长是射频,2008年以色列公司Tower收购了Jazz公司。没事的时候多去看看,人家比你多那些Option/Module,你才知道差距在哪里啊,呵呵。随便给你贴一个C018HV的成熟平台,打击一下各位的自信心吧(是不是有一半都没听说过?)。

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