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EUV是7nm節點之後的必然趨勢

2019-08-20
關鍵詞: EUV 7nm

  過去幾十年,半導體産業在摩爾定律的指導下獲得了高速的發展,為了滿足摩爾定律“同等面積芯片集成的晶體管數每18個月翻一番”的要求,晶圓廠一直在推動工藝制程的更新。但随着節點的演進,産業界普遍認為傳統的光刻将會在65nm或者45nm的時候遭受到障礙,為此他們尋找新的解決辦法,EUV就是他們的主要選擇。

  所謂EUV,是指波長為13.5nm的光。相比于現在主流光刻機用的193nm光源,新的EUV光源能給矽片刻下更小的溝道,從而能實現在芯片上集成更多的晶體管,進而提高芯片性能,繼續延續摩爾定律。

  芯片行業從20世紀90年代開始就考慮使用13.5nm的EUV光刻(紫外線波長範圍是10~400nm)用以取代現在的193nm。EUV本身也有局限,比如容易被空氣和鏡片材料吸收、生成高強度的EUV也很困難。業内共識是,EUV商用的話光源功率至少250瓦,Intel還曾說,他們需要的是至少1000瓦。除了光刻機本身的不足之外,對于EUV光刻機系統來說,光罩、薄膜等問題也有待解決。

  近兩年内來看(2019-2020 年),7nm 節點後光刻技術從 DUV 轉至 EUV,設備價值劇增。當前使用的沉浸式光刻技術波長 193nm(DUV,深紫外光),而當進行 7nm 以下節點制造時就需采用波長 13nm 的 EUV 光刻機。根據 ASML 公布的路線圖,EUV 光刻機首先于2018年在7nm及以下邏輯芯片開始應用。在EUV設備制造過程中,由于EUV波長僅13nm,沒有合适介質進行精準折射,因而所有光路設計均采用反射的形式,設計更加複雜,對精度要求極高,制造難度極大。全球隻有 ASML 生産的 NXE3400B 是唯一支持 7nm 及 5nm 的EUV 光刻機,單台機器價值約 1.17 億美元。

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  台積電擁有 EUV 設備最多,為 ASML 最大客戶,三星次之。EUV 設備作為 7nm 以下制程必備工藝設備,對廠商最新制程量産具有至關重要的作用。由于對精度要求極高,台積電與 ASML 在研發上有相關技術配合。台積電與三星是 ASML 前兩大訂購客戶。對于中國大陸廠商來說,并不存在“瓦森納協議”限制向中國出口最先進 EUV 光刻機的情況。中芯國際目前已從 ASML 預定 1 台 EUV 光刻機,這對于中芯國際未來發展 7nm 以下技術具有積極意義。英特爾 7nm 采用 EUV 雙重曝光技術已有提前布局,仍有望按原定計劃量産。

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  在今年的5月份,三星就發布了基于7nm EUV工藝的下一代手機處理器Exynos 9825。三星稱,通過7nm EUV工藝,新處理器的生産過程可以減少 20% 的光罩流程,使整個制造過程更簡單,還能節省時間和金錢,另外還達成40%面積縮小、以及20%性能增加與55%的功耗降低目标。台積電也在6月份宣布批量生産7nmN7+工藝,這是台積電第一次、也是行業第一次量産EUV極紫外光刻技術。并表明這種新工藝的産量已經可以達到原來7nm工藝的水平了。

  在EUV之外,7nm 節點還有另外一種技術路徑,即采用 193nm 波長+SAQP 四重圖案化達到所需分辨率。下圖黃線中紅點處即代表采用193i 浸沒式光刻機+SAQP四重圖案技術,對應英特爾所選擇的技術路線;7nm在藍線中藍色區域代表采用EUV光刻機單次圖案化,代表台積電和三星所選擇的技術路線。在之後的 5nm 節點,193i 光刻機技術難度更大,采用 EUV 雙重圖案化是較為合理的選擇。

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  從成本角度考量,193i 多重圖案化在某些場景仍然是最為經濟的選擇。根據東京電子測算的不同曝光工藝标準化晶圓成本,EUV 單次曝光的成本是193i(DUV)單次曝光的 4倍,而 193i 四重圖案曝光 SAQP 是 3 倍,EUV 單次曝光技術的晶圓成本高于自對準四圖案曝光(193i SAQP)。采用 193i SAQP 仍然具有成本優勢。

  盡管 193i更為經濟,但EUV 仍是未來更先進制程不可或缺的工具。英特爾在 Fab42 工廠已有布局 EUV,計劃用于 7nm 及以下節點,由于英特爾 7nm 節點不再面臨 SAQP 四重曝光技術難題,而是EUV 雙重曝光,有望重回正軌按原定計劃 2020 年量産。