Lam告诉你重要的技术转折点在哪里

Lam告诉你重要的技术转折点在哪里

出自：SEMI中国

 

Lam副总裁兼全球产品事业部首席技术官潘阳博士、Lam副总裁兼中国区总经理刘二壮博士

 

根据终端客户的使用状况，互联网今天的发展也许还是处于早期；预计至2035年，连到互联网上的器件将有一万亿，所有的物体都可以连到互联网上去，我们将这称为“物联网”。所有连接到互联网上的这些器件都会产生大量的数据，这些数据要被存储起来，之后经过处理和分析才产生价值；另外这些数据会被移动，通过互联网从A端移到B端。所以这种巨大的终端需求，会推动芯片产业的增长，而所有这些东西都是芯片在起作用，没有芯片这些事情什么都做不了。

另外，智能手机结合虚拟现实、人工智能、医疗方面的应用范围会越来越广泛。手机会作为个人和网络的连接，手机的芯片实际上在集成电路发展里有一个很重要的作用，很多我们新型的设备，最终都是被应用到手机的芯片上，然后再应用到其他领域里。所以，从应用的角度看，数据的产生、数据的移动、数据的存储、数据的分析会驱动集成电路产业继续大幅发展。

数据存储主要是看数据中心和移动通讯。大家可以看到，数据中心的增长还是会继续，但是DRAM相对于三维闪存会相对比较慢，闪存有一个很巨大的增长，从数据中心做了60%，到移动通信40%。现在很难讲什么样的应用是杀手级的应用，手机、智能电话在很长时间内扮演了这个角色，但是现在看来未来重要的趋势是终端应用方面将变得更加丰富多彩。

为了满足这些丰富多彩的应用，芯片的产业也将变得非常地分化。如果从集成电路生产的角度来看，有先进工艺和成熟工艺之说。比如，在先进工艺方面，我们要推进10纳米工艺、7纳米工艺的生产；在成熟工艺方面，如28纳米的这种工艺可能还会有一个很大的成长空间。可以说，不光是在先进集成，在成熟集成、相对成熟的集成方面也会有一个很大的发展。所以， 28纳米从2015年到2020年还会有30多万片产能需求，这是一个很重要的事实。

预计，3D闪存年增长率有35%到40%，DRAM会转向应用所谓的18纳米、16纳米的技术。在存储器方面，将从二维向三维转变，DRAM继续进行技术的更新。从逻辑芯片和晶圆代工（Fab）方面来看，除先进集成的产能会增加外，相对比较成熟的集成也会有增长，特别是在28纳米这个技术节点上。

随着技术的进步，5纳米工艺和3纳米工艺都会出现，但3纳米工艺预计得等到2021或2022年。我们认为，3D闪存的发展还处在早期阶段。今天来看，64层大部分都已经做出样品了，96层的开发已经在紧锣密鼓地进行，128层的研发工作其实也已经开始在做了，所以3D闪存的发展空间未来还很大。如果从每年byte增长的速度来看，3D闪存的发展实际上是快于传统的摩尔定律的。闪存前几年在二维的时候已经走到尽头了，基本已经不能再继续缩小尺寸了，因为一个器件所能涉及到的电子数目已经小到器件不能很可靠地进行工作，但是当3D闪存出来以后，立即会看到存储的密度在迅速增加。实际上今年3D闪存存储的数据量已经超过磁盘，到2020年3D闪存存储数据会是整个数据储存量的一半。这样将会驱动今后5年3D闪存技术很大的发展，包括产能的扩充。

DRAM至少还有两到三个世代可以走，基本上1z没有太大的悬念，但是1z以后有没有更进的可能性，现在还在继续进行研究。因为DRAM在整个计算体系里，占有一个重要的角色，就是很多的系统性能是因为处理器和DRAM之间的瓶颈所造成的，所以DRAM的速度在整个系统里占一个重要的作用。现在有几家公司在研发相关产品，如把8片的DRAM压到一起来增加，所以DRAM至少还有两个世代可以发展。

在图形产生领域一个是多重曝光技术，另一个是自对准的图形产生技术。过去很长一段时间，摩尔定律最重要的驱动力实际上是光刻技术，光刻技术用越来越短的波长去分辨越来越细的线长，应用于248纳米到193纳米的工艺。但是当器件尺寸进一步缩小的时候，这项技术出现了很大的瓶颈，所以多重曝光技术出现了。

多重曝光技术大概是在2010年左右进入生产的，而EUV极紫外光刻技术会接近7纳米节点开始被应用，到了5纳米节点会有很重要的应用。它最早的应用是在形成孔洞方面，因为集成电路上有孔洞、有线条，线条会晚于孔洞，5纳米节点上EUV技术将会用来打孔。自多重曝光技术开始应用以来，已经有超过1亿片晶圆的制造使用了该技术。

如果我们将16、14纳米技术节点作为基准，大家可以看到，每到一个技术节点，所使用的多重曝光技术都在增加。未来在7纳米节点上，EUV技术用于直接产生二维图形的可能性其实是很小的，即使未来EUV技术被应用了之后，多重曝光技术，特别是自对准多重图形技术的应用还是会继续增长。甚至3纳米节点上，我们需要将EUV技术和自对准的多重曝光技术组合使用，才能产生所需的精度。

而且在刻蚀和沉积方面，自对准图形产生技术的使用有很多步骤，每个步骤其实都可以来改进边缘的光滑度，这个光滑度对器件或者芯片的性能是很重要的。由此我们可以预计，到2020年，多重曝光技术会继续增长约40%。同时，正因为多重曝光技术和自对准的多重曝光技术有很多工艺步骤，生产中的工艺控制就变得非常重要。

生产时要将芯片承托在一个“盘子”上面，由此我们研发了一种新的技术，很细致地控制其温度，当光刻产生一些变化时，我们可以把它补偿掉，这样就能通过刻蚀技术来改进控制。这些创新的技术帮助Lam在原子层沉积技术市场增长了3倍，在刻蚀技术领域增长了4倍。

在EUV技术的使用上，刻蚀技术在里面起着很重要的作用。EUV技术波长非常短，所以几乎任何材料都会吸收这个紫外光。从光源到晶圆上，产生的光子中约有90%多会丢失掉，所以当光子打到晶圆上面，每一个光子都变得很珍贵。且光刻后会产生了很多变化（误差），即使是很小的区域也会产生变化，这会对成品率产生很大的影响。而通过原子层刻蚀技术，可以把洞的尺寸变得更加规整，毛糙的边缘会被修整，这能使尺寸的均匀性有一个很大的提升。同时也可以降低EUV的成本，因为我们不再需要极大的能量和很长的曝光时间来完成工艺步骤。Lam预计仅此一项技术就可以为公司产生约3亿美元的营收。

今天绝大部分数据还是存在磁存储器件上，而到了2020年，约有一半的数据会被存在闪存的器件上，这意味着3D闪存会有一个非常巨大的成长空间。这一技术不光用在固态硬盘SSD上面，也会用在手机上，当前有的手机已经开始使用三维闪存技术。三维闪存（3D NAND）技术实际上是一个氧化层和氮化物的堆栈，可能堆叠36层，可能是48层，这些都已经投入生产了，现在最新技术能到96层。当你把这么多层的材料叠加在一起，应力的管理就变得很重要。

另一个难点是堆栈做完了以后，要在上面做垂直的沟道，这就意味着要打洞。这个打洞的技术是整个技术里最难的，因为随着堆栈高度的不断增加，高宽比也变得越来越大。再看刻蚀这个技术本身，要让离子能够到达这个底部是靠活性化合物，这个活性化合物要能够扩散到底部，这需要很多年的技术和创新积累。需要把3D NAND中的洞挖得很均匀，这个洞不是打一两千个，从整个芯片来看，需要打几十亿个洞。一个晶片上的数量更是巨大无比。而其中如果有一个洞打不开，就会导致成品率的问题，所以这是一个非常核心的技术。

而要做到128层，最难的就是其中的打洞技术。要打洞的上面要有一个硬掩模，所以加起来整个厚度很大，需要打的洞很深，大概会到7 - 9微米，器件尺寸大概是100纳米。所以最核心的技术就是怎么刻蚀，包括怎么使离子到达底部，使活性化合物到达底部，怎么控制保持洞的方向的垂直等。这是其中一个最核心的技术。其次，氧化物/氮化物的沉积会产生很大的应力，这会导致晶片弯曲，晶片弯曲之后曝光技术会受到很大的影响，所以我们需要创新的技术，保证光刻技术不受应力的影响。第三就是钨怎么填进去，这会变得越来越有挑战性。这需要原子层沉积技术的帮助。钨沉积技术里会含氟，怎么把氟的浓度做到最小，把电阻力做最小，把应力做最小，这几点都是很重要的。

逻辑内存的鳍式晶体管技术最终会走到所谓的纳米线技术上。目前，晶体管鳍式结构的厚度大概是6个纳米，也就是30个硅原子，所以两边的控制基本上就是一到两个原子层的精度，这必然需要使用原子层刻蚀技术去产生非常平滑的表面和非常垂直的结构，对于尺寸很小如6纳米的器件，这是十分关键的技术，Lam同样处于市场领先地位。

新的存储器件主要分为：磁存储器，其技术难点在于薄膜堆栈的成分非常复杂，包括铁、钴等元素，很难被刻蚀。因为刻蚀的基本条件就是其产生的副产品能挥发，而这些元素会产生许多不可挥发的副产品，因此很难被刻蚀。Lam研发了很多非常创新的技术用于解决这个问题。另外，是英特尔、美光推出的Crosspoint技术用了相变的材料，这种材料太脆弱不能见空气，否则见了空气材料就要受损。Lam的解决之道是在刻蚀完后马上用一种原子层沉积技术把它包起来，这也是一项非常核心的技术，涉及到不同的机型要能够连接起来，而且这个时间是很短的。

晶体管做好了以后就要在存储器里实现连接，这个连接技术今天也面临着很大的挑战，因为随着器件尺寸不断缩小，铜很难填进去，因为填进去的时候物理气相沉积会形成了barrier。这个barrier不是很均匀，经常会有洞。对此我们开发了新技术，即使barrier不是很完美的情况下也可以进行填充。对于特别小的结构，用钴来替代铜用于连接更可行，Lam的电镀技术是全球领先，在此基础上镀钴技术也一直领先业界。

在腔体里晶圆一定要放在一个垫片上，这个在刻蚀技术里通常是用静电的原理来把它吸附住。所以这里面说最早期，整片的晶圆是一个温度，然后技术慢慢进化成几个不同的区域可以调节温度，调整温度的原因是晶片本身并不是均匀的，光刻技术本身不是均匀的，所以不同的区域温度可以分别控制，来补偿那些光刻技术产生的误差。现在，Lam在二维的chamber上分出若干个区域，分别对每个区域的温度加以控制，这样当晶片进来时就可以把光刻产生的结果全部测量一遍，然后决定每个小区域生产的温度，这样保证出来的每个晶片更加均匀一致。所以说，半导体制造的最高境界就是每个晶圆、每个芯片都是完全一致的，那是最完美的。

在过去两年Lam的营收增长率是半导体设备产业增长率的三倍，盈利是营收增长的1.5倍。Lam在2016年营收达63亿美元，到2017-2018年预测营收能达到70到80亿美元，到2019-2020年前端设备的整体市场将扩大到380亿美元左右，而Lam可以做到约85亿到92亿美元。整个公司的盈利持续保持在比较健康水平的主要原因：

首先，Lam在产业重要的技术转折点上占据了先机，主要表现在两方面：一是多重图形技术，二是3D闪存技术，这是两块最重要的增长领域，在业界占据领导地位。Lam副总裁兼全球产品事业部首席技术官潘阳博士表示，Lam在图形技术、三维闪存技术、新器件和新连接技术上占有先机，在与3D相关的刻蚀技术上Lam市占率是百分之百，此外与之相关的钨填充需要用到的原子层沉积技术，Lam的市占率也是百分之百。

Lam重点集中在3D闪存、DRAM、逻辑芯片、晶圆代工，特别是鳍式晶体管的使用，也在向客户提供三维封装解决方案，这是一个很重要的发展领域。在沉积设备市场，Lam的市占率在30%多。在刻蚀领域，Lam一直是全球最大的设备供应商，市占率大概有55%。潘阳预计，在接下来的2018年到2019年两者都会有4到8个点的增长，几乎是整个行业增长速度的3倍。