至详解半导体5纳米制程技术及成本挑战

详解半导体5纳米制程技术及成本挑战

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半导体业自28纳米进步到22/20纳米，受193i光刻机所限，必须采取两次图形暴光技术。再进1步发展至16/14纳 米时，大多采取finFET技术。如今finFET技术也1代1代升级，加上193i的光学技术延伸，采取SADP、SAQP等，所以未来到10纳米乃至 7纳米时，基本上可使用一样的装备，仿佛己无悬念，只是芯片的制造本钱会迅速增加。但是到5纳米时肯定是个坎，由于如果EUV不能准备好，就要被迫采取 5次图形暴光技术，这已引发业界的关注。

而对更先进5纳米生产线来讲，至今业界还没有关于它的投资估计。但是根据16/14 纳米的经验，以每1000硅片需要1.5亿至1.6亿美元计，推测未来的5纳米制程，由于可能要用到EUV光刻，每台装备需约1亿美元，因此它的投资肯定 会大大超过之前。所以未来建设1条芯片生产线需要100亿美元是完全有可能的。

生产线的量产是个系统工程，需要材料、装备、晶体管由于实验时的震动容易产生松动现象结构、EDA工具等与之配套，对半导体业是个更大的挑战。

新的晶体管型式，加上掩膜、图形、材料、工艺控制及互连等1系列问题，将致使未来半导体业将面临许多的困难。

在近期的会议上，Intel发布的1份报告引发了业界关注，并进1步推动业界开始思考未来先进工艺制程的发展方向。

Intel公司提出的下1代晶体管结构是纳米线FET，这是1种晶体管的1面让栅包围的finFET。Intel的纳米线FET有时被称为环栅FET，并己被国际工艺线路图ITRS定义为可实现5纳米的工艺技术。

如果Intel不是走在前列，也就不可能提供其5纳米进展的讯息。该报告仿佛传递出1个信号，5纳米可能有希望实现，或已在其工艺线路图中采取了新的晶体管结构。

在5纳米的竞争中，台积电也不甘落后，其共同履行长Mark Liu近期也表示，己经开始对5纳米的研发，并有望在7纳米以后两年推出。其他先进制程制造商也都在关注5纳米。

不用怀疑，芯片制造商只看到采取如今的finFET技术有可能延伸至7纳米，至于5纳米尚不清楚，或有可能终其实不能实现。实际上，在5纳米时，的确有许多技术上的挑战，致使本钱之高，让人们没法预计。

但是如果假定5纳米出现在某个时刻，那末产业界将面临众多的困难。利用材料公司先进图形技术部副总裁Mehdi Vaez-ravani认为，这其中每项都是挑战，有物理和灵敏度的要求，也有新材料方面的需求，其中晶体管的结构必须改变。

如果产业真的迈向5纳米，将面临甚么样的挑战?美国半导体工程为了推动进步，从众多挑战中汇总了以下几个方面。

Lam Research产品部首席技术官泮阳认为，在通向5纳米时，功能与本钱是没法躲避的大挑战，所愿为首创中国聚氨酯保温材料事业的新局面以要引入新的技术与材料。

晶体管结构

在finFET或纳米线FET之间选择谁会成功还为时尚早，业界正试图寻求更多的解决方案。

首先芯片制造商必须要做1些困难的决定，其中之1就是必须选择在5纳米时晶体管的结构，如今有两种可供选择，finFET或纳米线FET。

格 罗方德先进器件架构总监及院士Srinivasa Banna认为，对5纳米，finFET是1种选择。明显其从产业角度希望尽量延伸finFET技术。尽人皆知，产业界为了finFET的生态链己经 投了许多钱，因此从投资回报率角度上，希望finFET技术能用得更久。

但是缩小finFET技术至5纳米是个挑战，由于在5纳米finFET时，预计鳍的宽度是5纳米，而实际上这类结构己经到达理论极限。

Banna说，这也是芯片制造商正在开发纳米线FET的缘由。纳米线有很好的静电优势，但是也带来许多问题，如纳米线的器件宽度及器件能有多大的驱动电流，这些业界都在摸索当中。

3星先进逻辑实验室副总裁Rodder认为，直到今天，对5纳米来讲，在finFET或纳米线FET之间选择谁会是成功者还为时尚早，由于业界正试图寻求更多的解决方案。

掩膜制造

掩膜的类型将由光刻工艺是采取光学光刻还是EUV来决定。掩膜的写入时间是大的挑战。

在芯片制造工艺流程中，掩膜制造是首步工艺之1。过去是光刻技术来决定掩膜的型式及规格。而到5纳米时，掩膜的类型将由光刻工艺是采取光学光刻还是EUV来决定。

做 5纳米的光学掩膜是使人惧怕的，一样EUV的掩膜也10分困难。D2S首席履行官Aki Fujimura认为，EUV掩膜在很多方面与193i掩膜不1样。由于它有很大的改变，对每一个产品的特性或功能，在供应链中会产生很大影响，其中包 括光刻胶、掩膜及中间掩膜，也触及制造装备，如采取电子束写入装备和软件。

虽然EUV掩膜在有些方面已获得进展，但是还远远不够，其中空白掩膜的检查是个难点。至今EUV掩膜及中间掩膜的相干问题仍有待解决。

在5纳米时，掩膜的写入时间是大的挑战。由于今天的单电子束写入装备在做复杂图形时的出货不够快，费时太久。

目前有两个公司在致力于解决掩膜写入问题，1个是IMS/JEOL duo，另外一个是Nuflare，它们正采取新型的多束电子束写入技术，目标都是为了缩短写入时间，有望在2016年发货。

从己经出炉的报告来看，由于技术缘由，装备的研发用了比预期长很多的时间。D2S的Fujimura说，任何突破性的创新技术从研发到成功，再到达量产水平，都是如此。

图形

真实的关键层才需要采取EUV，未来combined混合模式光刻是趋势。

掩膜完成以后，将在生产线中使用。掩膜放在光刻机中，然后通过掩膜的投影光线把图形留在硅片的光刻胶上面。

理论上看，EUV的光刻工艺相对简单，可以节省本钱。但是即使EUV在7纳米或5纳米时准备好，从芯片制造商角度尚离不开屡次图形暴光技术。由于真实的关键层才需要采取EUV，所以未来combined混合模式光刻是趋势。

在5纳米时，图形的构成是很大的挑战。为此芯片制造商希望EUV光刻能在7纳米或5纳米时准备好。但是目前EUV光刻机还没有真正到达量产水平，其光源功率、光刻胶和掩膜的供应链还没有完善。

如果EUV光刻在7纳米或5纳米时不能到达量产要求，芯片制造商会面临窘境。虽然193i光刻有可能延伸至7纳米及以下，但是芯片制造本钱的上升可能让人没法接受。

在5纳米时，采取EUV肯定比193i方法便宜，但是由于EUV光刻供应链大的改变，必须在全部工艺制造中新建供应链，其代价也高得惊人，只有极少数公司能承受。

Mentor Graphics经理David Abercrombie认为，在5纳米时，芯片制造商可能会采取不调和的混合策略，EUV的到来其实不表示屡次图形暴光技术的结束。在5纳米时，即使EUV 己准备好，也非常有可能根据线宽的不同要求采取混用模式，即分别有193i单次及屡次图形暴光，单次EUV及EUV也很有可能要采取屡次图形暴光技术。

这 1切都由不同的工艺尺寸来决定，对那些简单、大尺寸的光刻层会采取193i单次图形暴光。相信最少两次图形暴光193i 2LE比单次EUV光刻要省钱，在3次图形暴光技术193i 3LE中对有些层非常可能会更省钱，自对准的两次图形暴光也比单次EUV光刻便宜。只有到4LE 或5LE时，EUV才有优势。所以对应于不同尺寸的光刻层要采取相应的方法，EUV光刻有可能作为自对准的4次图形暴光技术的替换品。

当EUV延伸至7纳米以下时，作为1种提高光刻机放大倍率的方法，需要大数值孔径的镜头，为此ASML已开发了1种变形镜头。它的两轴EUV镜头在扫描模式下能支持8倍放大，而在其他模式下也有4倍，因此NA要达0.5至0.6。

由此带来的问题是EUV光刻机的吞吐量矛盾，它的暴光硅片仅为全场尺寸的1半，与今天EUV光刻性能进行全场尺寸的暴光不1样。

Mentor 的Aberc谁就可以在有色金属新材料的研发与加工行业中淘到金子rombie说，问题摆在眼前，假定EUV错失5纳米机会，或技术终失败，要如何完成5纳米?业界只能综合采取更严格的设计规则及更复杂 的屡次图形暴光技术。非常多是5次图形暴光技术5LE、把屡次图形暴光技术的线宽再次分半的自对准的4次图形光刻技术，因此工艺当中会有更 多的图形需要采取屡次图形暴光技术，无疑将致使本钱及工艺循环周期的增加。

晶体管材料

到5纳米时，需要1个更有潜力的晶体管情势，包括能使电子或空穴迁移率更快的新沟道材料等。

另外一个因素是晶体管的构成。目前芯片制造商在16nm/14nm包括10nm时都采取finFET结构，但是也到了转折阶段。

纳米线FET的晶体管结构的许多工艺步骤与finFET1样。在纳米线FET中，纳米线从源穿过栅层1直到漏。开初的纳米线FET可能由3个堆叠线组成。

Lam的泮认为，到5纳米时，需要1个更有潜力的晶体管情势，包括能使电子或空穴迁移率更快的新沟道材料等。为了下降器件的功耗及提高它的频率而采取的新技术，必须能减少接触电阻及寄生电容。

以 Intel提出的纳米线FET为例。在实验室中，他们实验了相比硅材料更优的多种不同的沟道材料。如为了增大驱动电流，采取锗的沟道材料，用在NMOS及 PMOS晶体管中都是不错的。一样为了减少电容及下降功耗，可以把锗材料用在PMOS中，和把III-V族材料用在NMOS中。

互连

每一个工艺节点上的问题都在不断升级，业界正在开发不同的材料来解决互连问题。

互连的问题是甚么?利用材料公司的策略计划部资深总监Micheal Chudzik说，III-V族、富锗及纯锗都有禁带宽度的问题，如漏电流变大。锗与III-V族材料在栅堆结构中有可靠性问题，至今未解决。

晶体管制成后，下面是后道工艺，引线互连是器件所必须的。由于采取通孔技术，器件的引线之间非常靠近，会由于电阻电容的RC振荡而致使芯片的延迟。

每一个工艺节点上的问题都在不断升级，业界正在开发不同的材料来解决互连问题，但是当在7纳米及以下时，目前还没有更好的解决办法。

IMEC工艺技术和逻辑器件研发部副总裁Aaron Thean说，未来大的改变是在后道工艺中也需要采取屡次图形暴光技术，因尔后道的本钱将像火箭1样上升。这表明，在推动下1代工艺节点时，本钱变成每一个人必须面对的问题。

除非在后道工艺中有大的突破，否则在5纳米时问题将愈来愈复杂。愈来愈多的层级需要采取屡次图形暴光技术，本来认为相对简单的后道工艺也很难应对。

工艺控制

产业界开始采取多朿电子束检查装备，但是此项技术可能到2020年时也准备不好。

芯 片制造工艺流程中有许多工艺检查点，未来会不会是挑战?光学检验在生产线中还是主力军，但是在20纳米及以下时，缺点检测开始有困难。使用电子束技术能检 测微小缺点，但是受目前的技术限制，速度太慢。为了解决这些问题，产业界开始采取多朿电子束检查装备，但是此项技术可能到2020年时也准备不好。

那末7纳米与5纳米的解决方案在哪里?Vaez-Iravani说，实际上未来生产线中光学与电子束两种检查装备都必须准备好。

工 艺检测也是需要面对的问题。在1条生产线中检测点有许许多多，也不可能由1种装备全部解决，芯片制造商必须使用多种不同的检测装备。KLA-Te第1档：按前面板“档位”键ncor 图形市场部副总裁Ady Levy说，当IC设计由1个工艺节点向下1个迈进时，计量检测装备一样面临挑战。不论是光学或是电子束装备，都必须斟酌它的信号与噪声比、丈量精度、使 用是不是方便，和在量产中是不是有它的价值与地位。

Lam的泮说，还有挑战在等着我们。由于表面的散射效应、高线和通孔及更大的变异等，将 推动业界采取低电阻率金属层，同时开发工艺解决方案要求更严的工艺控制。采取下1代光刻EUV或延伸屡次图形暴光技术等，和下1代器件实现经济性的量 产，都需要有更严的工艺控制，以实现可接受的成品率，固然还包括面对本钱的挑战。