莫大康：縮小半導體工藝尺寸能走多遠？

縮小半導體工藝尺寸能走多遠?

推動半導體業進步有兩個輪子，一個是工藝尺寸縮小，另一個是矽片直徑增大，而且總是尺寸縮小為先。

由半導體工藝路線圖看，2013年應該進入14納米節點，觀察近期的報導，似乎已無異議，而且仍是英特爾挑起大樑。

儘管摩爾定律快「壽終正寢」的聲音已不容置辯，但是14nm的步伐仍按期走來，原因究竟是什麼?

傳統光刻技術與日俱進

當尺寸縮小到22/20nm時，傳統的光刻技術已無能力，必須採用輔助的兩次圖形曝光技術。

提高光刻的解析度有3個途徑：縮短曝光波長、增大鏡頭數值孔徑NA以及減少k1。

顯然，縮短波長是最主要的，而且方便易行。

目前市場的193nmArF光源是首選，再加入浸液式技術等，實際上達到了28nm，幾乎已是極限(需要OPC等技術的幫助)。

所以Fabless公司NVIDIA的CEO黃仁勛多次呼籲工藝製程在22/20nm時的成本一定相比28nm高。

其理由是當工藝尺寸縮小到22/20nm時，傳統的光刻技術已無能為力，必須採用輔助的兩次圖形曝光技術(DP)。

從原理上講，DP技術易於理解，甚至可以3次，或者4次。

但是這樣帶來兩個大問題，一個是光刻加掩模的成本迅速上升，另一個是工藝的循環周期延長。

所以業界心知肚明，在下一代光刻技術EUV尚未到來之際，採用DP是不得已而為之，實際上在技術上的可行性並不是問題，更多的是要從經濟層面做出取捨的決定。

193nm光刻技術在計算的光刻技術輔助下，包含兩項關鍵的創新，一個是同時帶OPC(光學圖形修正)的兩次圖形曝光技術，另一個是採用一種倒轉的光刻技術來改善困難的布局複製，可以在局部區域達到最佳化。

因此可以相信，傳統的193nm浸液式光刻技術加上兩次圖形曝光技術(DP)，甚至4次，從解析度上在2015年時有可能達到10nm，這取決於業界對於成本上升等的容忍度。

7nm還是5nm

除了工藝尺寸縮小之外，產業尚有多條路可供選擇，如450mm矽片、TSV3D封裝等。

何時能夠達到7nm或者5nm，截至今日尚無人能夠回答，因為EUV何時進入也不清楚。

樂觀的估計可能在2015年或2016年。

如果真能如願，可能從10nm開始就採用EUV技術，一直走到5nm。

但是目前業界比較謹慎，通俗一點的說法仍是兩條腿走路。

在今年的SemiconWest上各廠家的反應也是如此。

Nikon正努力延伸193nm的浸液式技術，甚至包含450mm矽片;而ASML由於獲得英特爾、三星及台積電的支持，正加快NXE3300B實用機型的發貨。

據說已經有6台NXE3100EUV設備在客戶處使用，累積產出矽片已達44000片。

另外，下一代EUV設備NXE3300B已開始安裝調試，計劃2013年共發貨5台，另有11台NXE3300B的訂單在手及7台訂單在討論中。

ASML正在準備450mm光刻機，它是客戶共同投資計劃中的一部分。

公司有信心將3台EUV的營收落實在2013年的銷售額之中。

ASML在2013年展覽會的演講中詳細描繪了業界期待已久的EUV光源路線圖，近期Cymer公司已推出了專為ASML光刻機配置的40W極紫外(EUV)光源，工作周期高達每小時30片，並計劃在2014年時NXE3300B中的光源升級達到50W，相當於43WPH水平。

而100W光源可能要等到2015年或2016年，相當於73WPH。

至於何時出現250WEUV光源，至少目前無法預測，除非等到100W光源成功，並有出彩的表現。

500W光源寫進路線圖中是容易的，但是未來能否實現還是個問題。

只要實現73WPH，可以認為EUVL已達到量產水平，因為與多次曝光技術相比，它的成本在下降。

在10nm節點以下如果繼續釆用MP多次曝光技術，則可能需要4x甚至8x的圖形成像技術。

因為從理論上講，矽晶格大小約0.5nm，通常大於10個晶格尺寸，即約5nm時，才可能有好的矽器件功能，所以可以認為5nm是工藝尺寸的最終極限。

預測在2024年以後半導體產業可能發生革命性變化，電荷不再是傳輸信息的唯一載體，同時計算架構也可能發生革命。

另外，ASML、IMEC及AppliedMaterials等共同協作，認為採用EUV技術有可能達到小於7nm，由於EUV技術同樣也可採用DP兩次圖形曝光技術來提高解析度。

隨著半導體產業的繼續發展，之後的每一個工藝節點進步都要付出極大的代價，要求達到財務平衡的晶片產出數量巨大。

現在市場上已很難找出幾種能相容的產品，因此未來產業面臨的經濟層面壓力會越來越大。

然而除了尺寸縮小之外，產業尚有多條路可供選擇，如450mm矽片、TSV3D封裝，FinFET結構與III-V族作溝道材料等，此外還有應用商店。

而站在客戶立場，他們並非知道晶片的內部構造，僅是需要價廉、實用，而又方便使用的電子終端產品。

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