半導(dǎo)體工藝微細(xì)化遇阻

半導(dǎo)體工藝技術(shù)在不斷進(jìn)步。先行廠商已開始量產(chǎn)22/20nm工藝產(chǎn)品，而且還在開發(fā)旨在2～3年后量產(chǎn)的15nm技術(shù)。不過，雖然技術(shù)在不斷進(jìn)步，但很多工藝技術(shù)人員都擁有閉塞感。因?yàn)楣に嚰夹g(shù)革新的關(guān)鍵——微細(xì)化讓人擔(dān)心。決定微細(xì)化成敗的蝕刻技術(shù)沒有找到突破口，由微細(xì)化帶來的成本優(yōu)勢(shì)越來越難以確認(rèn)。而在微細(xì)化以外的技術(shù)方面，2011年出現(xiàn)了頗受關(guān)注的話題，美國英特爾宣布三維晶體管實(shí)用化、臺(tái)積電(TSMC)宣布建設(shè)450mm晶圓生產(chǎn)線。這些技術(shù)正在逐漸擴(kuò)大到全行業(yè)。

量產(chǎn)中遲遲無法采用EUV光刻技術(shù)

“2011年開始量產(chǎn)22nm工藝產(chǎn)品。2013年和2015年將分別量產(chǎn)14nm和10nm工藝產(chǎn)品”,“工藝開發(fā)將保持2年推進(jìn)1代的速度”。先行廠商并沒有放緩微細(xì)化、即“延續(xù)摩爾法則”步伐的跡象。但業(yè)內(nèi)仍然籠罩著一種閉塞感。原因是，本應(yīng)通過微細(xì)化獲得的成本效應(yīng)越來越難以感受到。

半導(dǎo)體行業(yè)之所以數(shù)十年來一直在推進(jìn)微細(xì)化，是因?yàn)槲⒓?xì)化宛若“萬能法寶”一樣。也就是說，僅憑微細(xì)化，就能同時(shí)改善性能、耗電量及成本等所有方面。不過，這個(gè)萬能法寶隨著微細(xì)化的推進(jìn)逐漸退去了光環(huán)。首先，僅憑微細(xì)化已經(jīng)難以削減耗電量。其次，性能也難以僅憑微細(xì)化改善了。目前是在實(shí)現(xiàn)微細(xì)化的同時(shí)通過導(dǎo)入各種助推技術(shù)(旨在改善晶體管性能的技術(shù))來改善性能。但成本優(yōu)勢(shì)即將迎來極限。

越來越難實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)勢(shì)的主要原因是蝕刻成本的上升。在今后的微細(xì)化中，作為能夠抑制蝕刻成本上升從而實(shí)現(xiàn)微細(xì)化的技術(shù)，備受業(yè)界期待的EUV光刻遲遲未能實(shí)用化。因此，不得不利用高成本蝕刻技術(shù)量產(chǎn)半導(dǎo)體。在22/20nm工藝產(chǎn)品中，各公司均采用ArF液浸曝光技術(shù)，而不是EUV光刻技術(shù)。將于2013～2014年開始量產(chǎn)的15nm工藝產(chǎn)品雖然將EUV光刻作為第一候選，但作為備用技術(shù)已經(jīng)準(zhǔn)備了ArF液浸+二次圖形(DP)技術(shù)。不過，延長ArF液浸曝光壽命的這些技術(shù)工序數(shù)量多、成本高?？梢缘脑?，還是希望能穩(wěn)步推進(jìn)EUV光刻技術(shù)的開發(fā)，使用EUV光刻技術(shù)。

EUV光源的輸出功率無法提高

EUV光刻的開發(fā)無法取得進(jìn)展的最大原因是EUV光源的輸出功率不足。EUV光源的輸出功率如果按當(dāng)初預(yù)定應(yīng)該是在2010年實(shí)現(xiàn)100kW@IF(中間焦點(diǎn)位置的輸出)，2012年實(shí)現(xiàn)250kW@IF。但截至2010年秋季的研究水準(zhǔn)的數(shù)據(jù)(Champion Data)只有20～40kW@IF左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到當(dāng)初目標(biāo)。因此，從事EUV光源開發(fā)的各公司計(jì)劃2011年力挽狂瀾，在2011年內(nèi)達(dá)到目標(biāo)。

進(jìn)入2011年后，這個(gè)計(jì)劃從最初就遭遇了挫折。2011年EUV曝光裝置開始配備光源，要求的是實(shí)用水平的輸出功率而非研究水準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。結(jié)果，20～40kW@IF的光源輸出功率非但沒有提高，反而陷入了停滯甚至降低的困境。之后，經(jīng)過從春到秋的努力，雖然逐漸提高了性能，但最終輸出功率在實(shí)用水平上只有30kW@IF左右。雖然數(shù)據(jù)從研究水準(zhǔn)向?qū)嵱盟疁?zhǔn)進(jìn)步了，但輸出功率的絕對(duì)值這一年里幾乎沒有提高。

對(duì)于如此慢的速度，半導(dǎo)體技術(shù)人員中有兩種觀點(diǎn)。部分技術(shù)人員認(rèn)為EUV光源廠商是“喊狼來了的孩子”，還有的技術(shù)人員認(rèn)為，半導(dǎo)體廠商和曝光裝置廠商向EUV光源廠商提出了不切實(shí)際的日程規(guī)劃。無論怎樣，100kW@IF的實(shí)現(xiàn)時(shí)間又推遲了一年將至2012年中期。這意味著，量產(chǎn)階段所需的250kW@IF的實(shí)現(xiàn)時(shí)間會(huì)更晚。

從目前的EUV光源開發(fā)情況來看，即使今后的開發(fā)按照EUV光源廠商所說的“Best Case”推進(jìn)，能不能勉強(qiáng)趕上2013～2014年開始量產(chǎn)的15nm產(chǎn)品也不一定。如果今后再發(fā)生會(huì)使實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲的情況，15nm就不用說了，能不能用到其后的12～10nm也是未知數(shù)。業(yè)內(nèi)開始有人認(rèn)為，“EUV光刻的實(shí)用化時(shí)間要到2018年以后”。

實(shí)用化時(shí)間的延遲又為EUV光刻的實(shí)用化帶來了新的課題。即能夠通過EUV光刻解像的圖案尺寸與實(shí)用化時(shí)所需的圖案尺寸之間出現(xiàn)了背離的課題。EUV光刻的光源波長為13.5nm。要想支持12～10nm以后的工藝，必然需要各種超解像技術(shù)(RET)。但如果導(dǎo)入RET，蝕刻成本上升的問題這次又會(huì)出現(xiàn)在EUV光刻中。蝕刻技術(shù)人員指出，“EUV光刻面臨著錯(cuò)過量產(chǎn)導(dǎo)入時(shí)機(jī)的危險(xiǎn)”，這種看法越來越有可能出現(xiàn)。

英特爾在22nm工藝中導(dǎo)入三維晶體管，其他公司從15mm工藝開始導(dǎo)入

2011年，半導(dǎo)體工藝相關(guān)的最大話題就是三維晶體管的實(shí)用化。英特爾公司2011年5月宣布將采用三維晶體管。該公司的三維晶體管“Tri-Gate”的構(gòu)造與Fin FET相近，在通道兩側(cè)和上部三個(gè)方向設(shè)置了柵極電極。將用于2011年底開始量產(chǎn)的22nm微處理器。

而TSMC和GLOBALFOUNDRIES等很多業(yè)內(nèi)企業(yè)均表示將從2014年前后開始量產(chǎn)的15nm工藝開始導(dǎo)入三維晶體管。關(guān)于這種差異，TSMC表示，“根據(jù)我們的研究結(jié)果，20nm以前利用平面構(gòu)造就能充分發(fā)揮性能”。另外TSMC還承認(rèn)，如果導(dǎo)入三維晶體管，在設(shè)計(jì)支持方面會(huì)產(chǎn)生巨大負(fù)擔(dān)。22/20nm工藝?yán)闷矫鏄?gòu)造和三維構(gòu)造均能實(shí)現(xiàn)所需的性能，英特爾公司由于是制造自公司的芯片，設(shè)計(jì)支持負(fù)荷較輕，而TSMC和GLOBALFOUNDRIES是承包其他公司的芯片制造，設(shè)計(jì)支持比較重要。極有可能是這種業(yè)務(wù)形態(tài)的差異使得三維晶體管的導(dǎo)入時(shí)間不一致的。

另外，將來不僅是晶體管構(gòu)造，其組成也會(huì)大幅發(fā)生變化。為提高晶體管的性能，正考慮將長期以來一直使用的硅(Si)換成鍺(Ge)及III-IV族材料。通過推進(jìn)這種改良，晶體管技術(shù)有望微細(xì)化至8nm。

TSMC宣布建設(shè)450mm晶圓量產(chǎn)線

TSMC公司于2011年1月27日宣布了建設(shè)450mm晶圓量產(chǎn)線的計(jì)劃。首先，2013～2014年將建設(shè)面向20nm工藝的試產(chǎn)線(Pilot Line)。將在臺(tái)灣新竹“Fab12”的Phase6導(dǎo)入支持450mm晶圓的生產(chǎn)設(shè)備。計(jì)劃2015～2016年建設(shè)量產(chǎn)線，將在臺(tái)中“Fab15”的Phase5導(dǎo)入相應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備。

450mm晶圓相關(guān)技術(shù)正作為重點(diǎn)項(xiàng)目由業(yè)內(nèi)聯(lián)盟推進(jìn)開發(fā)。作為其中一環(huán)，英特爾、美國IBM、GLOBALFOUNDRIES、TSMC以及韓國三星電子五家公司針對(duì)450mm晶圓實(shí)施了聯(lián)合項(xiàng)目。五家公司將統(tǒng)一步調(diào)，加速從現(xiàn)有的300mm晶圓向新一代450mm晶圓過渡。

不過，450mm晶圓相關(guān)技術(shù)的開發(fā)在2011年迎來了所謂的“青黃不接時(shí)期”。這是因?yàn)?，在大口徑化技術(shù)開發(fā)初期階段所需的晶圓和搬運(yùn)系統(tǒng)的開發(fā)，以及與其相關(guān)的工廠自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)化取得發(fā)展的同時(shí)，工藝裝置的開發(fā)及初見成效的時(shí)間是在今后。

因此，在2011年底舉行的“Semicon Japan 2011”上基本沒看到450mm晶圓相關(guān)的新展示。當(dāng)然，450mm晶圓相關(guān)的展示有很多。還展示了450mm晶圓用搬運(yùn)系統(tǒng)、搬運(yùn)機(jī)器人、晶圓夾頭、晶圓加熱器以及支持450mm晶圓的濺射靶。不過，據(jù)說這些全部是2010年展示過的產(chǎn)品。