摩尔定律的救赎：3D堆叠技术

【导读】随着集成电路产业的发展，硅芯片的很多层已经逼近原子级别。芯片技术未来的发展可能终将面对无法逾越的障碍。业界进行了很多改变，铝取代了铜;CMP技术被引入;高K铪氧化物取代硅氧化物作为晶体管(门)的基础;移动性的提升有赖于应力器件(电介质膜或源级/漏极区的选择性外延生长)。当然英特尔最近还宣布了Tri-Gate晶体管技术。今天先进的晶体管工艺(32nm以下)和十年前的130nm晶体管已经大为不同。

摘要：  随着集成电路产业的发展，硅芯片的很多层已经逼近原子级别。芯片技术未来的发展可能终将面对无法逾越的障碍。业界进行了很多改变，铝取代了铜;CMP技术被引入;高K铪氧化物取代硅氧化物作为晶体管(门)的基础;移动性的提升有赖于应力器件(电介质膜或源级/漏极区的选择性外延生长)。当然英特尔最近还宣布了Tri-Gate晶体管技术。今天先进的晶体管工艺(32nm以下)和十年前的130nm晶体管已经大为不同。

关键字：  半导体，  3D堆叠，  摩尔定律，  模拟，  MEMS，  电源

半导体行业由盛转衰的论调不断出现，很多专家预测“摩尔定律的终结”即将到来。让我们来看看过去四十年间驾驭着半导体行业的这个定律相关的一些情况。

摩尔相信半导体相关的科学进步对经济发展至关重要。因为半导体在工业、政府、国防领域的应用范围极广。他认为这取决于科学发展步伐与生产更强大设备所需成本之间的权衡。

随着集成电路产业的发展，硅芯片的很多层已经逼近原子级别。芯片技术未来的发展可能终将面对无法逾越的障碍。业界进行了很多改变，铝取代了铜;CMP技术被引入;高K铪氧化物取代硅氧化物作为晶体管(门)的基础;移动性的提升有赖于应力器件(电介质膜或源级/漏极区的选择性外延生长)。当然英特尔最近还宣布了Tri-Gate晶体管技术。今天先进的晶体管工艺(32nm以下)和十年前的130nm晶体管已经大为不同。

所有这一切所带来的结果是：我们有了更好、更快、更先进的设备以及生产设施，同时生产成本也显著上升。如图表1所示。

不过随着一些多年未得到应有关注的“沉睡”技术获得重生，现在业界出现了一个明显的分叉。我说的是模拟、MEMS和电源器件。

德州仪器、意法微电子、ADI、英飞凌是模拟电子行业的领导者。无线应用越来越多地采用模拟集成电路(图2)。智能手机、平板电脑、笔记本电脑等移动设备的快速发展也提升了模拟芯片的发展。

模拟集成电路技术正在4G手机网络、无线传感器网络系统、宽带无线网络系统等无线系统中扮演着重要角色。无线系统主要在收发芯片中使用模拟集成电路进行信号处理。模拟集成电路的其它应用领域还包括无线数据访问卡、WLAN卡、无线鼠标、无线中继等等。

电源器件包括功率晶体管、电源管理设备——后者被用于移动设备，在保证耗电最小化的同时提供了其它一些功能。随着移动设备全面渗入社会，电源器件的应用最近几年有了显著增长。混合动力/电动汽车、智能电网和太阳能设备也带动了电源器件的发展。图表2提供了更多细节。

MEMS和摩尔

MEMS行业也随着陀螺仪等传感器在手持设备上的普及而显著增长，见图3。这些全新的应用将整个行业推向了新的方向。

这些新应用的共同点是所需晶圆相对较小，对设计要求宽松。大多数生产这些产品的晶圆厂都是相对“较老的”6英寸和8英寸晶圆厂。德州仪器是唯一一家拥有300mm模拟晶圆厂(R Fab，位于德州Richardson)的公司。这些晶圆厂的优势在于它们的价值已经被完全榨干，运行成本相对较低。

鉴于此原因，我们看到过去几年里200mm晶圆厂设备的需求增长让所有设备供应商都措手不及。

总的来说，一方面我们看到支撑技术的发展按照摩尔定律的节奏缩减了设备的体积;另一方面，半导体行业又有了一种完全不同的组成部分，这部分业务对设计发展速度要求相对轻松，采用相对较老的晶圆厂。

将摩尔定律延续下去，特别是延续到22nm以下需要高昂的花费。而单片型3D堆叠能缓解一些问题，让先进工艺晶圆厂的高昂成本得以降低。单片型3D堆叠技术还让旧有技术能够继续发挥作用，但在性能和功耗方面则却能达到先进节点的水平。

我想我们应该学习模拟晶圆厂的业务之道。