又到了超紫外光(EUV)微影技術的關鍵時刻了。縱觀整個半導體發展藍圖，研究人員在日前舉辦的IMEC技術論壇(ITF)上針對EUV微影提出了各種大大小小即將出現的挑戰。
到了下一代的10nm節點，降低每電晶體成本將會變得十分棘手。更具挑戰性的是在7nm節點時導入EUV微影。更進一步來看，當擴展到超越5nm節點時可能就需要一種全新的晶片技術了。
目前最迫在眉睫的是中期挑戰。如果長久以來一直延遲的EUV微影系統未能在2017年早期就緒的話，7nm制程將會成為一個昂貴的半節點。
不過，研究人員們樂觀地看好EUV將會及時準備好，但也預期接下來將出現諸多挑戰：
.光源必須至少升級到180W，目前最佳的是ASML展示的110W光源;
.系統必須至少有80%的時間可用，當今系統的可用性約僅50-60%;
.系統必須從每小時70-80片晶圓產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;
.必須設計新的晶圓保護蓋——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;
.在查找與修復缺陷方面還需要進一步的改善。
IMEC執行長Luc Van den Hove深信，“EUV可望從7nm節點開始導入制造制程。”IMEC已經為多年來致力于開發EUV系統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，但可能還得重新設計，才能支援未來發展藍圖所需的更強光源
致力于開發EUV的荷蘭業者ASML提出了目前的最新進展：一家客戶采用其NXE 3300B系統，在一星期中達到了82%的正常運作時間。ASML的目標是在年底前讓揮發性光源達到86%的正常運作時間。
這套系統雖然復雜困難，但也至關重要。ASML執行長Peter Wennik強調，“在不斷微縮至更小型晶片的制程中，甚至得投入數兆美元。而這是一部結合許多業界工程問題的機器——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一些問題，因而必須加以升級或重新設計，才能維持系統的正常運轉。但IMEC微影技術計劃負責人Kurt Ronse表示，“這是一個連續工程的過程?！?/p>
少了EUV，7nm也只是半節點
IBM、IMEC、英特爾(Intel)、三星(Samsung)和臺積電(TSMC)等業者目前至少都使用了一種最新的EUV系統。至今，大多數的系統也都升級到80W光源了。
然而，ASML的Wennik說：“也許業界還有很多人并不看好EUV，但是從技術角度看來，我們即將實現這項技術?！?/p>
事實上，觀察人士認為，這一局勢將會發生轉變。半導體市場分析公司Future Horizons執行長兼首席分析師Malcolm Penn表示：“我們一直在懷疑EUV的能力，但現在看來各種技術匯流將有助于實現最后的目標?！?/p>
IMEC制程技術開發資深副總裁An Steegen強調，“業界對于晶圓產出的強勁發展藍圖，讓我們有信心EUV將在N7制程時準備就緒。”
盡管如此，使用的昂貴的EUV系統將受限于每晶片三個關鍵層。針對7nm制程，EUV系統可在單次實現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預計，目前仍在實驗室開發階段的定向自組裝(DSA)技術可望最先用于7nm節點。DSA將有助于減少使用多重圖案的需求數量。
如果EUV系統無法在未來的18個月內準備好用于量產，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點，而不是一項完整的微縮技術。而這對于晶片設計者的限制也將變得更加嚴格——相較于20nm導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計，使其變得更有利于微影技術......但有些時候它可能需要五次的曝光?！?/p>
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。
除了微影技術存在巨大的挑戰，如何善加利用7nm進行制造也造成激烈辯論。 Steegen認為當今的3D電晶體——鰭式場效應電晶體(FinFET)將讓位于新型的環繞式閘極(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)制造量子阱場效應電晶體(FET)。從EUV、新型電晶體結構和新材料等諸多新元素數量來看，7nm可能會是半導體產業發展史上最困難的制程節點之一。
ASML發布最新的EUV進展
10nm的每閘極成本
盡管最近對于10nm節點的預測樂觀，但它的每閘極成本可能無法如預期般地降低。根據IMEC的Steegen表示，10nm將會是第一個需要三重圖案以及多達6層光罩的節點，顯然會大幅增加最終的開銷。
大多數的晶片制造商表示，目前所使用的20nm和14/16nm先進節點，每顆電晶體的成本已經增加了。只有英特爾可說是個例外，該公司宣稱其成本在14nm時仍持續降低。市場觀察家Handel Jones最近也預測，10nm節點將會比先前的制程世代更具成本效益。
不過，Steegen對此預測持保留態度，“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、維持現狀或提高，則視每家晶圓廠及其設備而異?！?/p>
相較于目前為關鍵層使用雙重圖案、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，巧妙的結合制程與設計技巧將有助于減輕所需的成本負擔，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)的產出效率，較目前的200w/h更高得多。分析師Penn認為，這將會是有利于減輕10nm成本負擔的一大進展。
ASML預計在今年年底前推出7nm浸潤式微影系統，可望達到275w/h的晶圓產出效率
EUV技術也可能被加以改造，在因應第二代10nm制程時才及時出現。如果是這樣的話，它應該能夠用于處理一次或三次曝光圖案層，不過該系統也將減緩整體吞吐量。此外，由于該系統十分昂貴，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計在10nm時制造第二代FinFET，這是一種他們較有經驗掌握的電晶體類型。由于英特爾已經展示其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，“至今我們所分析的N10制程提供了一個完整的微縮節點?！?/p>
IMEC認為，金屬顯影技術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，要準確地預測接下來的三個新制程世代(到5nm節點)，幾乎是不可能的。但有兩件事情是相當明確的：未來需要一些新的邏輯電晶體堆疊類型，此外，研究人員們仍能執著地抱持樂觀態度。
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。二者都必須結合使用四重圖案浸潤以及EUV微影技術。
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
Steegen認為，水平的奈米線未來將會被新的垂直電晶體結構所取代。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計，Steegen展示各種堆疊奈米線途徑的發展藍圖。她并展示可用于連接堆疊晶片的矽穿孔(TSV)技術進展。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有的矽中介層，從而用于矽光子學。
如今的問題是“如何巧妙地利用3D重新設定像NAND的發展藍圖，”Steegen說。當業界進展到“5nm或甚至3nm時，我們將會發現不同的堆疊架構，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點?！?/p>
“只要市場存在需求，我們就能不斷地重新塑造摩爾定律，而其產生的架構并不會像20年前的傳統電晶體一樣，而是一條持續微縮的道路?！?/p>
IMEC認為，矽光子可望在未來的3D晶片堆疊取代矽中介層