又到了超紫外光(EUV)微影技術(shù)的關(guān)鍵時刻了。縱觀整個半導(dǎo)體發(fā)展藍圖，研究人員在日前舉辦的IMEC技術(shù)論壇(ITF)上針對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，降低每電晶體成本將會變得十分棘手。更具挑戰(zhàn)性的是在7nm節(jié)點時導(dǎo)入EUV微影。更進一步來看，當(dāng)擴展到超越5nm節(jié)點時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制程將會成為一個昂貴的半節(jié)點。
不過，研究人員們樂觀地看好EUV將會及時準(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70-80片晶圓產(chǎn)出增加到更接近每小時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)計新的晶圓保護蓋——即薄膜(pellicle)，以取代目前ASML提供給客戶用于80-110W低功耗級的原始薄膜;
.在查找與修復(fù)缺陷方面還需要進一步的改善。
IMEC執(zhí)行長Luc Van den Hove深信，“EUV可望從7nm節(jié)點開始導(dǎo)入制造制程。”IMEC已經(jīng)為多年來致力于開發(fā)EUV系統(tǒng)的先進研究晶圓廠投入高達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，針對下一代節(jié)點展開前期競爭性研究。今年，東芝(Toshiba)與SanDisk也加入了這一計劃。
ASML為EUV客戶提供了一種原型薄膜，但可能還得重新設(shè)計，才能支援未來發(fā)展藍圖所需的更強光源
致力于開發(fā)EUV的荷蘭業(yè)者ASML提出了目前的最新進展：一家客戶采用其NXE 3300B系統(tǒng)，在一星期中達到了82%的正常運作時間。ASML的目標(biāo)是在年底前讓揮發(fā)性光源達到86%的正常運作時間。
這套系統(tǒng)雖然復(fù)雜困難，但也至關(guān)重要。ASML執(zhí)行長Peter Wennik強調(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)界工程問題的機器——它讓我們得以一個接著一個地解決問題?！?/p>
的確，ASML表示每次為重要的光源問題提高功率后，另一個模組就會出現(xiàn)一些問題，因而必須加以升級或重新設(shè)計，才能維持系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。但IMEC微影技術(shù)計劃負責(zé)人Kurt Ronse表示，“這是一個連續(xù)工程的過程?！?/p>
少了EUV，7nm也只是半節(jié)點
IBM、IMEC、英特爾(Intel)、三星(Samsung)和臺積電(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，我們即將實現(xiàn)這項技術(shù)?！?/p>
事實上，觀察人士認(rèn)為，這一局勢將會發(fā)生轉(zhuǎn)變。半導(dǎo)體市場分析公司Future Horizons執(zhí)行長兼首席分析師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)匯流將有助于實現(xiàn)最后的目標(biāo)?！?/p>
IMEC制程技術(shù)開發(fā)資深副總裁An Steegen強調(diào)，“業(yè)界對于晶圓產(chǎn)出的強勁發(fā)展藍圖，讓我們有信心EUV將在N7制程時準(zhǔn)備就緒?！?/p>
盡管如此，使用的昂貴的EUV系統(tǒng)將受限于每晶片三個關(guān)鍵層。針對7nm制程，EUV系統(tǒng)可在單次實現(xiàn)目前采用浸潤式微影需要3至5次才能完成的步驟。
如果少了EUV，在7nm時采用浸潤式微影的步驟將大量增加
Steegen預(yù)計，目前仍在實驗室開發(fā)階段的定向自組裝(DSA)技術(shù)可望最先用于7nm節(jié)點。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，而不是一項完整的微縮技術(shù)。而這對于晶片設(shè)計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化設(shè)計，使其變得更有利于微影技術(shù)......但有些時候它可能需要五次的曝光。”
總之，晶片顯然將會變得比以前更加昂貴。因此，最后可能只有最大型的FPGA和處理器才會利用這種先進制程。利潤也將會大幅縮水，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，英特爾去年開始在10nm時利用鍺和砷化鎵銦(InGaAs)制造量子阱場效應(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數(shù)量來看，7nm可能會是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展史上最困難的制程節(jié)點之一。
ASML發(fā)布最新的EUV進展
10nm的每閘極成本
盡管最近對于10nm節(jié)點的預(yù)測樂觀，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將會是第一個需要三重圖案以及多達6層光罩的節(jié)點，顯然會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先進節(jié)點，每顆電晶體的成本已經(jīng)增加了。只有英特爾可說是個例外，該公司宣稱其成本在14nm時仍持續(xù)降低。市場觀察家Handel Jones最近也預(yù)測，10nm節(jié)點將會比先前的制程世代更具成本效益。
不過，Steegen對此預(yù)測持保留態(tài)度，“我知道在10nm時的成本將會增加，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變得‘十分可觀’。因此，巧妙的結(jié)合制程與設(shè)計技巧將有助于減輕所需的成本負擔(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的7nm浸潤式微影步進機，它能夠達到每小時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，這將會是有利于減輕10nm成本負擔(dān)的一大進展。
ASML預(yù)計在今年年底前推出7nm浸潤式微影系統(tǒng)，可望達到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制程時才及時出現(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時使用EUV。”
好消息是大部份的晶片制造商預(yù)計在10nm時制造第二代FinFET，這是一種他們較有經(jīng)驗掌握的電晶體類型。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)將會變得更高且更薄。
更重要的是，Steegen強調(diào)，“至今我們所分析的N10制程提供了一個完整的微縮節(jié)點?！?/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
事實上，要準(zhǔn)確地預(yù)測接下來的三個新制程世代(到5nm節(jié)點)，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堆疊進展。
為了打造超高密度的晶片設(shè)計，Steegen展示各種堆疊奈米線途徑的發(fā)展藍圖。她并展示可用于連接堆疊晶片的矽穿孔(TSV)技術(shù)進展。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)展藍圖，”Steegen說。當(dāng)業(yè)界進展到“5nm或甚至3nm時，我們將會發(fā)現(xiàn)不同的堆疊架構(gòu)，讓我們能夠從那時起重新安排，并且以新的方式開始計算節(jié)點。”
“只要市場存在需求，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。”
IMEC認(rèn)為，矽光子可望在未來的3D晶片堆疊取代矽中介層