又到了超紫外光(EUV)微影技術(shù)的關(guān)鍵時(shí)刻了,?？v觀整個(gè)半導(dǎo)體發(fā)展藍(lán)圖,，研究人員在日前舉辦的IMEC技術(shù)論壇(ITF)上針對(duì)EUV微影提出了各種大大小小即將出現(xiàn)的挑戰(zhàn),。
到了下一代的10nm節(jié)點(diǎn),，降低每電晶體成本將會(huì)變得十分棘手,。更具挑戰(zhàn)性的是在7nm節(jié)點(diǎn)時(shí)導(dǎo)入EUV微影,。更進(jìn)一步來看,，當(dāng)擴(kuò)展到超越5nm節(jié)點(diǎn)時(shí)可能就需要一種全新的晶片技術(shù)了。
目前最迫在眉睫的是中期挑戰(zhàn),。如果長(zhǎng)久以來一直延遲的EUV微影系統(tǒng)未能在2017年早期就緒的話,，7nm制程將會(huì)成為一個(gè)昂貴的半節(jié)點(diǎn)。
不過,，研究人員們樂觀地看好EUV將會(huì)及時(shí)準(zhǔn)備好,，但也預(yù)期接下來將出現(xiàn)諸多挑戰(zhàn)：
.光源必須至少升級(jí)到180W，目前最佳的是ASML展示的110W光源;
.系統(tǒng)必須至少有80%的時(shí)間可用,，當(dāng)今系統(tǒng)的可用性約僅50-60%;
.系統(tǒng)必須從每小時(shí)70-80片晶圓產(chǎn)出增加到更接近每小時(shí)200片晶圓;
.光阻劑必須具有更高感光度,，才能以更低劑量與較不粗糙的邊緣作業(yè);
.必須設(shè)計(jì)新的晶圓保護(hù)蓋——即薄膜(pellicle)，以取代目前ASML提供給客戶用于80-110W低功耗級(jí)的原始薄膜;
.在查找與修復(fù)缺陷方面還需要進(jìn)一步的改善,。
IMEC執(zhí)行長(zhǎng)Luc Van den Hove深信,，“EUV可望從7nm節(jié)點(diǎn)開始導(dǎo)入制造制程?！盜MEC已經(jīng)為多年來致力于開發(fā)EUV系統(tǒng)的先進(jìn)研究晶圓廠投入高達(dá)13億美元了,，目前也已在全球安裝的8套最新系統(tǒng)中占有一席之地。
幾乎所有的主要晶片制造商都與IMEC合作,，針對(duì)下一代節(jié)點(diǎn)展開前期競(jìng)爭(zhēng)性研究,。今年，東芝(Toshiba)與SanDisk也加入了這一計(jì)劃,。
ASML為EUV客戶提供了一種原型薄膜,，但可能還得重新設(shè)計(jì)，才能支援未來發(fā)展藍(lán)圖所需的更強(qiáng)光源
致力于開發(fā)EUV的荷蘭業(yè)者ASML提出了目前的最新進(jìn)展：一家客戶采用其NXE 3300B系統(tǒng)，在一星期中達(dá)到了82%的正常運(yùn)作時(shí)間,。ASML的目標(biāo)是在年底前讓揮發(fā)性光源達(dá)到86%的正常運(yùn)作時(shí)間,。
這套系統(tǒng)雖然復(fù)雜困難，但也至關(guān)重要,。ASML執(zhí)行長(zhǎng)Peter Wennik強(qiáng)調(diào),，“在不斷微縮至更小型晶片的制程中，甚至得投入數(shù)兆美元,。而這是一部結(jié)合許多業(yè)界工程問題的機(jī)器——它讓我們得以一個(gè)接著一個(gè)地解決問題,。”
的確,，ASML表示每次為重要的光源問題提高功率后,，另一個(gè)模組就會(huì)出現(xiàn)一些問題,，因而必須加以升級(jí)或重新設(shè)計(jì),，才能維持系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但I(xiàn)MEC微影技術(shù)計(jì)劃負(fù)責(zé)人Kurt Ronse表示,，“這是一個(gè)連續(xù)工程的過程,。”
少了EUV,，7nm也只是半節(jié)點(diǎn)
IBM,、IMEC、英特爾(Intel),、三星(Samsung)和臺(tái)積電(TSMC)等業(yè)者目前至少都使用了一種最新的EUV系統(tǒng),。至今，大多數(shù)的系統(tǒng)也都升級(jí)到80W光源了,。
然而,，ASML的Wennik說：“也許業(yè)界還有很多人并不看好EUV，但是從技術(shù)角度看來,，我們即將實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù),。”
事實(shí)上,，觀察人士認(rèn)為,，這一局勢(shì)將會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。半導(dǎo)體市場(chǎng)分析公司Future Horizons執(zhí)行長(zhǎng)兼首席分析師Malcolm Penn表示：“我們一直在懷疑EUV的能力,，但現(xiàn)在看來各種技術(shù)匯流將有助于實(shí)現(xiàn)最后的目標(biāo),。”
IMEC制程技術(shù)開發(fā)資深副總裁An Steegen強(qiáng)調(diào),，“業(yè)界對(duì)于晶圓產(chǎn)出的強(qiáng)勁發(fā)展藍(lán)圖,，讓我們有信心EUV將在N7制程時(shí)準(zhǔn)備就緒。”
盡管如此,，使用的昂貴的EUV系統(tǒng)將受限于每晶片三個(gè)關(guān)鍵層,。針對(duì)7nm制程，EUV系統(tǒng)可在單次實(shí)現(xiàn)目前采用浸潤(rùn)式微影需要3至5次才能完成的步驟,。
如果少了EUV,，在7nm時(shí)采用浸潤(rùn)式微影的步驟將大量增加
Steegen預(yù)計(jì)，目前仍在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段的定向自組裝(DSA)技術(shù)可望最先用于7nm節(jié)點(diǎn),。DSA將有助于減少使用多重圖案的需求數(shù)量,。
如果EUV系統(tǒng)無法在未來的18個(gè)月內(nèi)準(zhǔn)備好用于量產(chǎn)，晶片制造商就得在缺少EUV的情況下展開7nm制程,。Steegen指出,，在這種情況下，7nm或許將成為一種半節(jié)點(diǎn),，而不是一項(xiàng)完整的微縮技術(shù),。而這對(duì)于晶片設(shè)計(jì)者的限制也將變得更加嚴(yán)格——相較于20nm導(dǎo)入雙重圖案后的限制而言。
Steegen說：“你可以加大間距以及簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),，使其變得更有利于微影技術(shù)......但有些時(shí)候它可能需要五次的曝光,。”
總之,，晶片顯然將會(huì)變得比以前更加昂貴,。因此，最后可能只有最大型的FPGA和處理器才會(huì)利用這種先進(jìn)制程,。利潤(rùn)也將會(huì)大幅縮水,，大家都得勒緊皮帶過日子，許多廠商可能沒好日子過了,。
除了微影技術(shù)存在巨大的挑戰(zhàn),，如何善加利用7nm進(jìn)行制造也造成激烈辯論。 Steegen認(rèn)為當(dāng)今的3D電晶體——鰭式場(chǎng)效應(yīng)電晶體(FinFET)將讓位于新型的環(huán)繞式閘極(gate-all-around)奈米線,。
此外,，像鍺這一類具有高遷移率的新材料也很需要。一位分析師預(yù)測(cè),，英特爾去年開始在10nm時(shí)利用鍺和砷化鎵銦(InGaAs)制造量子阱場(chǎng)效應(yīng)電晶體(FET),。從EUV、新型電晶體結(jié)構(gòu)和新材料等諸多新元素?cái)?shù)量來看,，7nm可能會(huì)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展史上最困難的制程節(jié)點(diǎn)之一,。
ASML發(fā)布最新的EUV進(jìn)展
10nm的每閘極成本
盡管最近對(duì)于10nm節(jié)點(diǎn)的預(yù)測(cè)樂觀，但它的每閘極成本可能無法如預(yù)期般地降低,。根據(jù)IMEC的Steegen表示,，10nm將會(huì)是第一個(gè)需要三重圖案以及多達(dá)6層光罩的節(jié)點(diǎn),，顯然會(huì)大幅增加最終的開銷。
大多數(shù)的晶片制造商表示,，目前所使用的20nm和14/16nm先進(jìn)節(jié)點(diǎn),，每顆電晶體的成本已經(jīng)增加了。只有英特爾可說是個(gè)例外,，該公司宣稱其成本在14nm時(shí)仍持續(xù)降低,。市場(chǎng)觀察家Handel Jones最近也預(yù)測(cè)，10nm節(jié)點(diǎn)將會(huì)比先前的制程世代更具成本效益,。
不過,，Steegen對(duì)此預(yù)測(cè)持保留態(tài)度，“我知道在10nm時(shí)的成本將會(huì)增加,，而且也知道可以有技巧地使其降低,，但凈成本是否減少、維持現(xiàn)狀或提高,，則視每家晶圓廠及其設(shè)備而異,。”
相較于目前為關(guān)鍵層使用雙重圖案,、兩次微影步驟的制程,，三重圖案所需的額外光罩成本將會(huì)變得‘十分可觀’,。因此,，巧妙的結(jié)合制程與設(shè)計(jì)技巧將有助于減輕所需的成本負(fù)擔(dān)，但究竟能降低多少成本,，目前仍不得而知,。
透過金屬顯影微縮可以提供更大的面積，并降低每電晶體的成本,。此外,，間距也可能較寬松些，她說,。
Wennick宣布,，ASML將在今年年底以前推出一款升級(jí)的7nm浸潤(rùn)式微影步進(jìn)機(jī)，它能夠達(dá)到每小時(shí)275片晶圓(275w/h)的產(chǎn)出效率,，較目前的200w/h更高得多,。分析師Penn認(rèn)為，這將會(huì)是有利于減輕10nm成本負(fù)擔(dān)的一大進(jìn)展,。
ASML預(yù)計(jì)在今年年底前推出7nm浸潤(rùn)式微影系統(tǒng),，可望達(dá)到275w/h的晶圓產(chǎn)出效率
EUV技術(shù)也可能被加以改造，在因應(yīng)第二代10nm制程時(shí)才及時(shí)出現(xiàn),。如果是這樣的話,，它應(yīng)該能夠用于處理一次或三次曝光圖案層,，不過該系統(tǒng)也將減緩整體吞吐量。此外,，由于該系統(tǒng)十分昂貴,，因而是否可真的降低10nm成本將取決于其折舊周期。
“盡管某種程度上已經(jīng)決定了10nm的未來,，但這并不表示無法為其改造EUV工具,，”IMEC的Van den Hove說，“我知道有幾家公司迫切地想要在10nm時(shí)使用EUV,?！?/p>
好消息是大部份的晶片制造商預(yù)計(jì)在10nm時(shí)制造第二代FinFET，這是一種他們較有經(jīng)驗(yàn)掌握的電晶體類型,。由于英特爾已經(jīng)展示其14nm的第二代FinFET制程,，接下來的鰭片(Fin)將會(huì)變得更高且更薄。
更重要的是,，Steegen強(qiáng)調(diào),，“至今我們所分析的N10制程提供了一個(gè)完整的微縮節(jié)點(diǎn)?！?/p>
IMEC認(rèn)為,，金屬顯影技術(shù)可望大幅減少晶片面積(上圖)，但卻也存在性能缺陷(下圖),。
邏輯元件亟需堆疊新方式
事實(shí)上,，要準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)接下來的三個(gè)新制程世代(到5nm節(jié)點(diǎn))，幾乎是不可能的,。但有兩件事情是相當(dāng)明確的：未來需要一些新的邏輯電晶體堆疊類型,，此外，研究人員們?nèi)阅軋?zhí)著地抱持樂觀態(tài)度,。
未來如果無法大幅改造工具,，EUV將無法有效使用。對(duì)此,，ASML表示該公司已經(jīng)與Carl Zeiss展開合作了,。IMEC則展示其于5nm原型研究的初期成果。二者都必須結(jié)合使用四重圖案浸潤(rùn)以及EUV微影技術(shù),。
IMEC掌握了多種堆疊邏輯電晶體的方法,，一部份來自于3D NAND的啟發(fā)
Steegen認(rèn)為，水平的奈米線未來將會(huì)被新的垂直電晶體結(jié)構(gòu)所取代,。她說,，邏輯元件需要的是類似三星率先突破的3D NAND堆疊進(jìn)展。
為了打造超高密度的晶片設(shè)計(jì),，Steegen展示各種堆疊奈米線途徑的發(fā)展藍(lán)圖,。她并展示可用于連接堆疊晶片的矽穿孔(TSV)技術(shù)進(jìn)展,。此外，她并建議,，AMD,、美光(Micron)、海力士(SK Hynix)和賽靈思(Xilinx)目前所用的2.5D晶片可望進(jìn)一步超越現(xiàn)有的矽中介層,，從而用于矽光子學(xué),。
如今的問題是“如何巧妙地利用3D重新設(shè)定像NAND的發(fā)展藍(lán)圖，”Steegen說,。當(dāng)業(yè)界進(jìn)展到“5nm或甚至3nm時(shí),，我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的堆疊架構(gòu)，讓我們能夠從那時(shí)起重新安排,，并且以新的方式開始計(jì)算節(jié)點(diǎn),。”
“只要市場(chǎng)存在需求,，我們就能不斷地重新塑造摩爾定律,，而其產(chǎn)生的架構(gòu)并不會(huì)像20年前的傳統(tǒng)電晶體一樣，而是一條持續(xù)微縮的道路,?！?/p>
IMEC認(rèn)為，矽光子可望在未來的3D晶片堆疊取代矽中介層