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三星促使EUV制程技术走红,遵循摩尔定律方向发展

导读: 众所周知,目前半导体领域,7nm工艺是一个重要节点。而7nm工艺是半导体制造工艺引入EUV技术的关键转折。

继联电在2017年进行高阶主管大改组,并宣布未来经营策略将着重在成熟制程之后,格芯也在新执行长Tom Caulfield就任半年多后,于日前宣布无限期暂缓7nm制程研发,并将资源转而投入在相对成熟的制程服务上。

引入EUV工艺是半导体7nm工艺的关键转折点

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众所周知,目前半导体领域,7nm工艺是一个重要节点。而7nm工艺是半导体制造工艺引入EUV技术的关键转折,这是摩尔定律可以延续到5nm以下的关键,引入EUV工艺可以大幅提升性能,缩减曝光步骤、光罩数量等制造过程,节省时间和成本。

不过引入EUV技术并不容易,其需要投入大量资金购买昂贵的EUV设备,同时需要进行大量的工艺验证以确保在生产过程中获得较佳的良率,才能以经济的成本适用于生产芯片。

半导体制程微缩厂商:台积电、三星电子、英特尔

联电与格芯先后退出先进制程军备竞赛,加上英特尔的10nm制程处理器量产出货时程再度递延到2019年底,均显示先进制程的技术进展已面临瓶颈。展望未来,还有能力持续推动半导体制程微缩的业者,或只剩下台积电、三星电子跟英特尔三家公司。

从进度上看,台积电公布的7nm芯片已有50多款在流片,可算是遥遥领先。英特尔则仍苦苦挣扎于10nm。而三星近年来逐渐将代工业务视为发展重点,先后在美国、中国、日本等多地先后举办的三星代工论坛上还公布了其7nm以后的最新工艺路线图,预计2018年推出7nm FinFET EUV工艺,而8nm LPU工艺也会开始风险试产,2019年推出7nm的优化版,即5/4nm FinFET EUV工艺,同时面向RF射频、eMRAM等芯片的18nm FD-SoI工艺开始风险试产,到2020年推出3nm EUV工艺,同时晶体管架构从FinFET转向GAA。三星目前已将GAA视为7nm节点之后取代FinFET晶体管的新一代候选技术。

台积电研发“保守”,使三星反超

三星作为全球最大的存储芯片生产企业,通过在存储芯片上锤炼先进工艺,在过去三年间,三星就采用EUV技术处理了20万片晶圆生产SRAM。

去年五月,三星推出了首款使用EUV光刻解决方案的半导体工艺技术7nm LPP EUV,预期可借此突破摩尔定律的扩展障碍,为单纳米半导体技术的发展铺平道路。另外,三星位于华城市的7nm厂预计最快明年量产,并计划投入56亿美元升级晶圆产能,其中三星在韩国华城的S3生产线上部署了由原本的10nm工艺改造而来的ASML NXE3400 EUV光刻机,这条生产线的EUV产能据称已经达到了大规模量产的标准。除此之外,三星还将新建一条EUV工艺专用的产线,计划在2019年底全面完成后,2020年实现EUV量产。相较之下,台积电今年才宣布和联发科合作试产7nm制程12核心芯片,但根据台积电10nm今年难产的现状来看,台积电的研发进程显得相当落后了。

三星为何如此激进采用EUV技术

日前,三星、高通宣布扩大晶圆代工业务合作,该合作计划将长达十年,三星将授权“EUV光刻工艺技术”给高通使用,其中包括使用三星7nm LPP EUV工艺技术制造未来的骁龙5G移动芯片组,预计高通下一代5G移动芯片,将采用三星7nm LPP EUV制程,通过7nm LPP EUV工艺,骁龙5G芯片组可减少占位空间,让OEM厂有更多使用空间增加电池容量或做薄型化设计。除此之外,结合更先进芯片设计,可明显增进电池续航力。

三星如此坚定地在其首个7nm就激进地采用EUV技术,是三星综合许多因素考虑的结果,包括EUV设备是否准备好,成本、多重曝光复杂性、保真度和间距缩放等。对三星自家的7nm而言,(栅极)间距可以控制在单次曝光,这使得整个光刻工艺流程减少了与曝光相关的大部分设计复杂性,这也恰恰说明三星内部开发的EUV光罩检测工具,是三星的一个重要优势。目前市场还没有类似的商业工具被开发出来,不仅如此,三星也在开发EUV微影光阻剂,并有望在今年稍晚达到大规模量产要求的目标良率。

EUV技术的进步对后续半导体节点发展至关重要

EUV技术的进展还是比较缓慢的,而且将消耗大量的资金。尽管目前很少厂商将这项技术应用到生产中,但是极紫外光刻技术却一直是近些年来的研究热点,所有厂商对这项技术也都充满了期盼,希望这项技术能有更大的进步,能够早日投入大规模使用。

各家厂商都清楚,半导体工艺向往下刻,使用EUV技术是必须的。在摩尔定律的规律下,以及在如今科学技术快速发展的信息时代,新一代的光刻技术就应该被选择和研究,因为EUV与其他技术相比有明显的优势:

1、EUV的分辨率至少能达到30nm以下,且更容易收到各集成电路生产厂商的青睐。

2、EUV是传统光刻技术的拓展,同时集成电路的设计人员也更喜欢选择这种全面符合设计规则的光刻技术。

3、EUV技术掩模的制造难度不高,具有一定的产量优势。

但是目前,EUV光刻技术设备制造成本十分高昂,包括掩模和工艺在内的诸多方面花费资金都很大。除此之外,EUV光学系统的设计和制造也极其复杂,随着制程的演进、线宽的微缩,伴随而来的是巨大人力以及物力的投资、制程材料与设备的开发,这些急剧增加的生产成本,也代表EUV绝对会是推进摩尔定律的重要因素之一,但除了EUV本身设备的开发与挑战,制程整合亦是另一巨大的挑战。例如晶圆的清洗制程,光罩的清洗与保存,甚至是后面的蚀刻或化学机械研磨等等,都必须要与EUV一同开发。

半导体摩尔定律继续地被推进向前,相关产业链也将会再一次的被带动,EUV技术带来的科技成果也值得令人期待。

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