莫大康：縮小半導(dǎo)體工藝尺寸能走多遠(yuǎn)？

推動(dòng)半導(dǎo)體業(yè)進(jìn)步有兩個(gè)輪子，一個(gè)是工藝尺寸縮小，另一個(gè)是硅片直徑增大，而且總是尺寸縮小為先。由半導(dǎo)體工藝路線圖看，2013年應(yīng)該進(jìn)入14納米節(jié)點(diǎn)，觀察近期的報(bào)道，似乎已無異議，而且仍是英特爾挑起大樑。盡管摩爾定律快“壽終正寢”的聲音已不容置辯，但是14nm的步伐仍按期走來，原因究竟是什么?
傳統(tǒng)光刻技術(shù)與日俱進(jìn)
當(dāng)尺寸縮小到22/20nm時(shí)，傳統(tǒng)的光刻技術(shù)已無能力，必須采用輔助的兩次圖形曝光技術(shù)。
提高光刻的分辨率有3個(gè)途徑：縮短曝光波長(zhǎng)、增大鏡頭數(shù)值孔徑NA以及減少k1。顯然，縮短波長(zhǎng)是最主要的，而且方便易行。目前市場(chǎng)的193nmArF光源是首選，再加入浸液式技術(shù)等，實(shí)際上達(dá)到了28nm，幾乎已是極限(需要OPC等技術(shù)的幫助)。
所以Fabless公司NVIDIA的CEO黃仁勛多次呼吁工藝制程在22/20nm時(shí)的成本一定相比28nm高。其理由是當(dāng)工藝尺寸縮小到22/20nm時(shí)，傳統(tǒng)的光刻技術(shù)已無能為力，必須采用輔助的兩次圖形曝光技術(shù)(DP)。從原理上講，DP技術(shù)易于理解，甚至可以3次，或者4次。但是這樣帶來兩個(gè)大問題，一個(gè)是光刻加掩模的成本迅速上升，另一個(gè)是工藝的循環(huán)周期延長(zhǎng)。所以業(yè)界心知肚明，在下一代光刻技術(shù)EUV尚未到來之際，采用DP是不得已而為之，實(shí)際上在技術(shù)上的可行性并不是問題，更多的是要從經(jīng)濟(jì)層面做出取舍的決定。
193nm光刻技術(shù)在計(jì)算的光刻技術(shù)輔助下，包含兩項(xiàng)關(guān)鍵的創(chuàng)新，一個(gè)是同時(shí)帶OPC(光學(xué)圖形修正)的兩次圖形曝光技術(shù)，另一個(gè)是采用一種倒轉(zhuǎn)的光刻技術(shù)來改善困難的布局復(fù)制，可以在局部區(qū)域達(dá)到最佳化。
因此可以相信，傳統(tǒng)的193nm浸液式光刻技術(shù)加上兩次圖形曝光技術(shù)(DP)，甚至4次，從分辨率上在2015年時(shí)有可能達(dá)到10nm，這取決于業(yè)界對(duì)于成本上升等的容忍度。
7nm還是5nm
除了工藝尺寸縮小之外，產(chǎn)業(yè)尚有多條路可供選擇，如450mm硅片、TSV3D封裝等。
何時(shí)能夠達(dá)到7nm或者5nm，截至今日尚無人能夠回答，因?yàn)镋UV何時(shí)進(jìn)入也不清楚。樂觀的估計(jì)可能在2015年或2016年。如果真能如愿，可能從10nm開始就采用EUV技術(shù)，一直走到5nm。但是目前業(yè)界比較謹(jǐn)慎，通俗一點(diǎn)的說法仍是兩條腿走路。在今年的SemiconWest上各廠家的反應(yīng)也是如此。Nikon正努力延伸193nm的浸液式技術(shù)，甚至包含450mm硅片;而ASML由于獲得英特爾、三星及臺(tái)積電的支持，正加快NXE3300B實(shí)用機(jī)型的發(fā)貨。
據(jù)說已經(jīng)有6臺(tái)NXE3100EUV設(shè)備在客戶處使用，累積產(chǎn)出硅片已達(dá)44000片。另外，下一代EUV設(shè)備NXE3300B已開始安裝調(diào)試，計(jì)劃2013年共發(fā)貨5臺(tái)，另有11臺(tái)NXE3300B的訂單在手及7臺(tái)訂單在討論中。
ASML正在準(zhǔn)備450mm光刻機(jī)，它是客戶共同投資計(jì)劃中的一部分。公司有信心將3臺(tái)EUV的營(yíng)收落實(shí)在2013年的銷售額之中。
ASML在2013年展覽會(huì)的演講中詳細(xì)描繪了業(yè)界期待已久的EUV光源路線圖，近期Cymer公司已推出了專為ASML光刻機(jī)配置的40W極紫外(EUV)光源，工作周期高達(dá)每小時(shí)30片，并計(jì)劃在2014年時(shí)NXE3300B中的光源升級(jí)達(dá)到50W，相當(dāng)于43WPH水平。而100W光源可能要等到2015年或2016年，相當(dāng)于73WPH。至于何時(shí)出現(xiàn)250WEUV光源，至少目前無法預(yù)測(cè)，除非等到100W光源成功，并有出彩的表現(xiàn)。500W光源寫進(jìn)路線圖中是容易的，但是未來能否實(shí)現(xiàn)還是個(gè)問題。
只要實(shí)現(xiàn)73WPH，可以認(rèn)為EUVL已達(dá)到量產(chǎn)水平，因?yàn)榕c多次曝光技術(shù)相比，它的成本在下降。在10nm節(jié)點(diǎn)以下如果繼續(xù)釆用MP多次曝光技術(shù)，則可能需要4x甚至8x的圖形成像技術(shù)。
因?yàn)閺睦碚撋现v，硅晶格大小約0.5nm，通常大于10個(gè)晶格尺寸，即約5nm時(shí)，才可能有好的硅器件功能，所以可以認(rèn)為5nm是工藝尺寸的最終極限。預(yù)測(cè)在2024年以后半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)可能發(fā)生革命性變化，電荷不再是傳輸信息的唯一載體，同時(shí)計(jì)算架構(gòu)也可能發(fā)生革命。
另外，ASML、IMEC及AppliedMaterials等共同協(xié)作，認(rèn)為采用EUV技術(shù)有可能達(dá)到小于7nm，由于EUV技術(shù)同樣也可采用DP兩次圖形曝光技術(shù)來提高分辨率。
隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的繼續(xù)發(fā)展，之后的每一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)步都要付出極大的代價(jià)，要求達(dá)到財(cái)務(wù)平衡的芯片產(chǎn)出數(shù)量巨大。現(xiàn)在市場(chǎng)上已很難找出幾種能相容的產(chǎn)品，因此未來產(chǎn)業(yè)面臨的經(jīng)濟(jì)層面壓力會(huì)越來越大。然而除了尺寸縮小之外，產(chǎn)業(yè)尚有多條路可供選擇，如450mm硅片、TSV3D封裝，F(xiàn)inFET結(jié)構(gòu)與III-V族作溝道材料等，此外還有應(yīng)用商店。而站在客戶立場(chǎng)，他們并非知道芯片的內(nèi)部構(gòu)造，僅是需要價(jià)廉、實(shí)用，而又方便使用的電子終端產(chǎn)品。