“巧婦難為無(wú)米之炊”，半導(dǎo)體設(shè)備落后延宕14nm工藝

臺(tái)積電研發(fā)高管在Semicon臺(tái)灣國(guó)際半導(dǎo)體展的一次演講中表示，留給臺(tái)積電決定如何在2015年投產(chǎn)14nm芯片的時(shí)間越來(lái)越短，而資本設(shè)備廠商卻沒(méi)能跟上進(jìn)度。

臺(tái)積電認(rèn)為公司需要轉(zhuǎn)向下一代光刻技術(shù)和450mm晶圓才能讓14nm芯片成本變得經(jīng)濟(jì)，但資本設(shè)備廠商在這兩塊的進(jìn)度可能都跟不上?！拔覀兠刻於荚絹?lái)越擔(dān)心”臺(tái)積電研發(fā)高級(jí)副總裁蔣尚義(Shang-Yi Chiang)說(shuō)道。

晶圓廠需要每小時(shí)輸出100片以上的晶圓。但到目前EUV(Extreme Ultraviolet)光刻每小時(shí)最多只能生產(chǎn)五片晶圓。而兩種采用多電子光束直寫(xiě)(multiple e-beam direct write)的方法每小時(shí)還不到一片。

類似的，臺(tái)積電“幾個(gè)月前就希望生產(chǎn)450mm晶圓，但一些資本設(shè)備廠商認(rèn)為這樣太激進(jìn)，現(xiàn)在我們不知道具體日程會(huì)是什么樣子”。演講結(jié)束后蔣尚義對(duì)電子工程專輯說(shuō)，“我們得像130nm那代產(chǎn)品一樣，當(dāng)時(shí)有些用200mm晶圓生產(chǎn)、有些用300mm晶圓。”

臺(tái)積電目前計(jì)劃在新竹的Fab 12晶圓廠建立一條450mm晶圓試產(chǎn)線，隨后在臺(tái)中建立一條量產(chǎn)生產(chǎn)線。更大的晶圓不但需要跟上摩爾定律，也需要將晶圓成本降低最多30%。

450mm晶圓可以減少晶圓廠所用晶圓數(shù)量，大幅降低土地和人員成本。通過(guò)450mm晶圓滿足等同于3200萬(wàn)片8英寸晶圓的需求，臺(tái)積電需要聘請(qǐng)20000名工程師運(yùn)作22家晶圓廠。蔣尚義估計(jì)如果使用今天的300mm晶圓完成相同的產(chǎn)量就需要29座晶圓廠和27000名工程師。

他說(shuō)：“450mm晶圓不存在技術(shù)問(wèn)題，但面臨著經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，而后者在今天比前者更加重要。”

光刻方面，現(xiàn)在的193nm浸潤(rùn)式(immersion)系統(tǒng)可以同時(shí)滿足臺(tái)積電目前的28nm節(jié)點(diǎn)和未來(lái)的20nm節(jié)點(diǎn)。但到了20nm，晶圓廠需要進(jìn)行雙重曝光(double patterning)，讓晶圓在某些曝光流程上走兩次以畫(huà)出更好的線。

到14nm以后，浸潤(rùn)式系統(tǒng)所需要的雙重曝光次數(shù)會(huì)讓成本對(duì)于很多客戶來(lái)說(shuō)變得過(guò)高。因此臺(tái)積電兩周前就開(kāi)始測(cè)試ASML的一臺(tái)3100系列EUV原型機(jī)。此外臺(tái)積電還在測(cè)試來(lái)自Mapper Lithography BV的電子光束系統(tǒng)，明年還會(huì)安裝一臺(tái)KLA Tencor的設(shè)備。

蔣尚義警告說(shuō)：“如果我們沒(méi)法讓EUV或電子光束設(shè)備達(dá)到100晶圓每小時(shí)的輸出量，出于成本因素的考慮，將只有很少的客戶會(huì)愿意采用更高級(jí)的節(jié)點(diǎn)?！?br>
臺(tái)積電希望在2015年投產(chǎn)14nm制程，因此“我們必須在明年早些時(shí)候做出(關(guān)于光刻的)決定，”蔣尚義說(shuō)道，“如果我們決定采用193nm浸潤(rùn)，未來(lái)很難切換到EUV，設(shè)計(jì)原則也取決于光刻技術(shù)的選擇，時(shí)間越來(lái)越少?！?br>

臺(tái)積電：450mm晶圓能夠降低工程人員與土地投入

新晶體管需要14nm

蔣尚義表示浸潤(rùn)光刻到14nm將會(huì)過(guò)于昂貴，超過(guò)半數(shù)資本設(shè)備節(jié)點(diǎn)成本指南。盡管EUV和電子光束設(shè)備耗資巨大，可能會(huì)高達(dá)1.2億美元，但它們還是比雙重曝光下采用浸潤(rùn)系統(tǒng)更便宜。

蔣尚義說(shuō)電子光束和EUV系統(tǒng)開(kāi)支基本相當(dāng)。但目前測(cè)試中的電子光束系統(tǒng)不需要掩膜，因此使用成本將比EUV略低。


臺(tái)積電：浸潤(rùn)的光刻成本在14nm將會(huì)飛漲

布魯塞爾IMEC研究咨詢公司首席執(zhí)行官Luc Van den hove表示EUV擁有“最為廣闊的支持，是最有可能勝出的選擇”。他在另一個(gè)場(chǎng)合下提到“但今明兩年我們得測(cè)試這種技術(shù)的生產(chǎn)是否值得?！?br>
IMEC已經(jīng)運(yùn)行一臺(tái)預(yù)生產(chǎn)型ASML 3100系統(tǒng)生產(chǎn)晶圓達(dá)三個(gè)月，Van den hove說(shuō)：“這期間輸出速度有所改善，但進(jìn)度還是太慢，未來(lái)必須加速?！?br>
EUV光源的功率還是太低，盡管已經(jīng)有兩種途徑創(chuàng)造光源?！斑M(jìn)度不夠理想，這是目前優(yōu)先級(jí)最高的問(wèn)題”，曾經(jīng)負(fù)責(zé)過(guò)IMEC光刻項(xiàng)目的Van den hove說(shuō)道。

就好像資本設(shè)備問(wèn)題還不夠似的，臺(tái)積電預(yù)計(jì)需要在14nm改用新的晶體管設(shè)計(jì)，比如FinFET。英特爾宣布從20nm開(kāi)始采用這種3D晶體管設(shè)計(jì)。

臺(tái)積電和GlobalFoundries相信平面晶體管可以一直用到20nm。但兩家公司也都預(yù)期會(huì)在14nm轉(zhuǎn)向FinFET這樣的3D晶體管或FDSOI。

Van den hove評(píng)論說(shuō)FinFET“最有可能被選中。此外我們相信必須再來(lái)一次技術(shù)突破才能使用超高移動(dòng)性材料，例如鍺p-channel或10nm節(jié)點(diǎn)n-channel所用的三五族(III-IV)材料?！?br>
蔣尚義說(shuō)好消息是出人意料的創(chuàng)新在過(guò)去幾代成功推動(dòng)業(yè)界翻越障礙，打破十次摩爾定律將終結(jié)的預(yù)測(cè)。他根據(jù)可行性演示預(yù)測(cè)目前已定義的技術(shù)將能把CMOS帶向7nm。