EUV微影前進(jìn)7nm制程，5nm仍存在挑戰

　　EUV微影技術(shù)將在未來(lái)幾年內導入10奈米(nm)和7nm制程節點(diǎn)。 不過(guò)，根據日前在美國加州舉辦的ISS 2018上所發(fā)布的分析顯示，實(shí)現5nm芯片所需的光阻劑仍存在挑戰。

　　極紫外光(extreme ultraviolet;EUV)微影技術(shù)將在未來(lái)幾年內導入10奈米(nm)和7nm制程節點(diǎn)。 不過(guò)，根據日前在美國加州舉辦的年度產(chǎn)業(yè)策略研討會(huì )(Industry Strategy Symposium;ISS 2018)所發(fā)布的分析顯示，實(shí)現5nm芯片所需的光阻劑(photoresist)仍存在挑戰。

　　同時(shí)，EUV制造商ASML宣布去年出貨了10臺EUV系統，今年將再出貨20至22臺。 該系統將擁有或至少可支持每小時(shí)生產(chǎn)125片晶圓所需的250W雷射光源。

　　IC Knowledge總裁Scotten Jones表示：「在7nm采用EUV的主要部份已經(jīng)到位，但對于5nm來(lái)說(shuō)，光阻劑的缺陷仍然高出一個(gè)數量級。 」

　　經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，新的和昂貴的系統均有助于為下一代芯片提供所需的優(yōu)質(zhì)特性，并縮短制造時(shí)間。 Scotten說(shuō)，這些系統將首先用于制造微處理器等邏輯芯片，隨后再應用于DRAM，但現今的3D NAND閃存芯片已經(jīng)不適用了。

　　「EUV大幅減少了開(kāi)發(fā)周期以及邊緣定位的誤差...，但成本降低的不多，至少一開(kāi)始時(shí)并不明顯。 此外，還有其他很多的好處，即使沒(méi)什么成本優(yōu)勢，它仍然具有價(jià)值。 」

　　Jones預計，ASML將在2019-2020年之間再出貨70臺系統。 這將足以支持在Globalfoundries、英特爾(Intel)、三星(Samsung)和臺積電(TSMC)規劃中的生產(chǎn)節點(diǎn)。

　　除了EUV系統本身，其他重要的挑戰還包括薄膜、光罩測試儀和抗蝕劑(來(lái)源：ASML)

　　Jones表示，ASML計劃將系統的正常運行時(shí)間從現在的75%提高到90%，這同時(shí)也是微影技術(shù)業(yè)者最關(guān)切的問(wèn)題。 此外，他表示相信該公司將會(huì )及時(shí)發(fā)布所需的薄膜，以保護EUV晶圓避免微塵的污染。

　　為了開(kāi)發(fā)針對5nm可用的抗蝕劑，「我們有12到18個(gè)月的時(shí)間來(lái)進(jìn)行重大改善。 業(yè)界將在明年產(chǎn)出大量晶圓，這將有所幫助。 」Jones并估計，到2019年晶圓廠(chǎng)將生產(chǎn)近100萬(wàn)片EUV晶圓，到了2021年更將高達340萬(wàn)片晶圓。

　　ASML的目標是在2020年時(shí)，將其250W光源所能達到的每小時(shí)145片晶圓的吞吐量提高到155片/時(shí)。 ASML企業(yè)策略和營(yíng)銷(xiāo)副總裁Peter Jenkins在ISS上指出，該公司已經(jīng)展示實(shí)驗室可行的375W光源了。

　　目前該公司的薄膜已經(jīng)能通過(guò)83%的光線(xiàn)了，至今也以245W光源進(jìn)行超過(guò)7,000次的晶圓曝光測試了。 然而，第二代7nm節點(diǎn)在搭配用于250W或更高的光源時(shí)，預計還需要一個(gè)傳輸率達到90%的薄膜。

　　GF、英特爾、三星與臺積電的7nm版本

　　Jones談話(huà)中最有趣的部份內容就是對于10nm、7nm和5nm節點(diǎn)的詳細分析。 臺積電去年秋天通過(guò)7nm制程，目前正使用現有的光學(xué)步進(jìn)器實(shí)現量產(chǎn)。 他說(shuō)，Globalfoundries將在今年晚些時(shí)候推出類(lèi)似的制程。

　　兩家公司計劃在明年初量產(chǎn)第二代7nm制程，采用EUV制作觸點(diǎn)和通孔，將15個(gè)光學(xué)層數減少到5個(gè)EUV層。 這一制程可望縮短周期時(shí)間，而且不需要薄膜。

　　Globalfoundries去年六月份宣布在2019年采用EUV實(shí)現7nm的計劃。 Jones「臺積電私下告訴客戶(hù)也計劃如此。 」瓊斯說(shuō)。

　　芯片制造商可能必須使用30mJ/cm2劑量的抗蝕劑，這高于其目標的20mJ/ cm2。 他們還可能必須使用電子束系統檢查光罩的缺陷，而不是像EUV系統一樣使用13.5mm波長(cháng)尋找缺陷的光化系統。

　　Globalfoundries、三星和臺積電除了使用觸點(diǎn)和通孔外，還計劃為不同的7nm版本使用EUV和薄膜來(lái)制作1x金屬層。 這些制程將提供微縮，并使23層光學(xué)層減少到9層EUV。

　　這正是三星將在明年初推出的首款7nm節點(diǎn)，即7LPP。 臺積電的7FF+版本，預計將在2019年中期推出，Globalfoundries則將在明年年底推出7LP+。

　　Jones詳細介紹了他預計到2020年將會(huì )看到的各種10nm、7nm和5nm制程版本

　　Jones表示，英特爾目前使用的10nm制程采用光學(xué)步進(jìn)器實(shí)現量產(chǎn)，提供的密度相當于其競爭對手所能實(shí)現的最佳7nm版本。 他預期英特爾將在2019年采用EUV升級10nm+制程。

　　三星和臺積電已經(jīng)在討論可能在2019年底前提供5nm制程。 他們應該會(huì )是第一批使用EUV制造1D金屬層的制造商。 他說(shuō)，如果有更好的抗蝕劑出現，這個(gè)制程就能使用EUV減少多達5個(gè)切割光罩，讓FinFET減少到僅使用1個(gè)光罩。

　　另外，Jenkins表示，ASML已經(jīng)為支持高數值孔徑(NA)的EUV系統完成光學(xué)設計部份了，而且整體設計「順利」。 該公司已于2016年底宣布計劃在2024年量產(chǎn)該新系統。

　　盡管EUV是推動(dòng)半導體產(chǎn)業(yè)制造更小芯片的重要里程碑，但預計并不至于顛覆目前的芯片制造設備和裝置市場(chǎng)。 Jones說(shuō)，晶圓廠(chǎng)將會(huì )持續需要大量的現有資本設備和供應，才能與EUV一起邁向未來(lái)的制程節點(diǎn)。