轉(zhuǎn)載

沿著摩爾定律，半導(dǎo)體的工藝尺寸縮小仍在持續(xù)，突出的矛盾是由于研發(fā)與量產(chǎn)的費用高聳，能跟進的廠家數(shù)量越來越少，以及未來的每兩年前進一個工藝制程節(jié)點，會從每兩年推遲到三年，甚至更長。從尺寸縮小角度，定律可能尚有十年左右的時間。

芯片巨頭英特爾的10納米工藝制程一再的“跳票”，表征芯片技術(shù)層面追求完美，十分的不易，引起業(yè)界的反思。

3納米坎

全球半導(dǎo)體從工藝制程角度，僅剩下三家在比拼，英特爾的路徑可能有些起伏，導(dǎo)致只剩下兩家，分別是臺積電與三星，觀察總的趨勢臺積電獲得了更大的市場份額，暫時走在前列。

臺積電從2018 Q3開始7納米量產(chǎn)，并占季銷售額的10%，估計累積投資達250-300億美元，月產(chǎn)能約為100,000片。業(yè)界統(tǒng)計它的7納米市占率近100%。

臺積電的5納米投資250億美元，月產(chǎn)能50,000片，之后再擴充至70,000-80,000片。在2020年3月開始試產(chǎn)。同時2020的上半年它的6納米進行風(fēng)險生產(chǎn)，并將在2020年底進入量產(chǎn)。據(jù)臺積電自述，預(yù)測2020年它的7納米收入占比能達到30%，及5納米的收入占比達10%。

臺積電的3納米計劃，將于2020年開始建廠，2021年完成設(shè)備安裝，并于2022年開始試產(chǎn)，及2023年正式量產(chǎn)，3納米工廠的投資為200億美元。

對于3納米工藝技術(shù)路徑，目前僅三星公布將采用GAA環(huán)柵的納米片(Nanosheet)FET結(jié)構(gòu)，而臺積電是密而不宣，估計今年4月時才能公開。

因為從2011年英特爾推出3D finFET結(jié)構(gòu)以來，延伸定律至14納米，10納米，至7納米，一路平穩(wěn)前行。而從7納米始工藝路線開始分岐。三星首先釆用EUV技術(shù)進入7納米，試圖扳倒臺積電，但是“人算不如天算”，臺積電仍堅持采用多次曝光技術(shù)先占領(lǐng)市場，它的策略奏效，取得幾乎100%的7納米市場。

進入5納米，臺積電也必須釆用EUV技術(shù)。但是市場預(yù)測5納米可能與10納米相同是個過渡節(jié)點，未來將迅速移向3納米，但是在3納米時現(xiàn)在的finFET架構(gòu)已不再適用，導(dǎo)致市場開始“百花爭艷”。

三星電子計劃利用EUV工藝，提高在7納米以下的市場份額。它的3納米級技術(shù)計劃首先應(yīng)用在它的晶圓代工之中。三星計劃2020年下半年在全球最先實現(xiàn)3納米級芯片的批量生產(chǎn)。

三星電子將在最新的3納米工程中使用新一代的工藝，稱為“環(huán)柵架構(gòu)GAA”。三星電子的半導(dǎo)體部門表示，基于GAA工藝的3納米芯片面積可以比最近完成開發(fā)的5納米產(chǎn)品面積縮小35%以上，耗電量減少50%，處理速度可提高30%左右。

3納米制程是個坎，原因是之前釆用的finFET架構(gòu)已經(jīng)不再適用，需要釆用新的架構(gòu)，統(tǒng)稱為“GAA，環(huán)柵”，實際上它有多個選項，包括如Nanosheet，F(xiàn)orksheet及CFET等，因此尚需等樣品產(chǎn)出經(jīng)過測試后才能作出定論。這也是為什么臺積電遲遲不愿公布它的3納米架構(gòu)的原因，一切可能尚在權(quán)衡之中。

業(yè)界預(yù)計3納米是個與7納米同樣，長壽命節(jié)點，新的架構(gòu)將影響下一步的2納米，甚至1納米工藝。

IBS的瓊斯說，GAA在一定程度上提供了更佳的性能，與3nm的finFET相比，3nmGAA的閾值電壓更低，潛在的功耗降低了15%到20%。但性能提升可能低于8%，因為MOL和BEOL是相同的。

納米片F(xiàn)ET和finFET的不同之處。finfet是用有限數(shù)量的鰭來量化的，給設(shè)計工作帶來了一些限制，而納米片的優(yōu)點是它可以有不同的寬度。根據(jù)設(shè)計師的需要，它們可以更好的來權(quán)衡性能和功耗。

IMEC的Horiguchi說，最初納米片有四層左右，典型的納米片寬度為12nm到16nm，厚度為5nm。

臺積電副總裁蔡晉(Jin Cai)在最近的IEDM演講中表示：“納米片F(xiàn)ET面臨的挑戰(zhàn)是n/p不平衡、bottom sheet effectiveness、間隔層、柵極長度控制和device coverage�！辈踢�講到3nm和以下技術(shù)的趨勢，但是蔡沒有表示未來哪一種架構(gòu)可能占優(yōu)，也沒有透露臺積電的具體計劃。

納米片F(xiàn)ET的工藝制程，首先在襯底上形成超晶格結(jié)構(gòu)，然后用外延工藝在襯底上沉積硅鍺（SiGe）和硅的交替層。每一個堆棧至少由三層SiGe和三層硅組成。

EUV設(shè)備 
先進工藝制程持續(xù)推進，EUV技術(shù)起到非常關(guān)鍵作用。

EUV設(shè)備由荷蘭ASML公司獨家生產(chǎn)，每臺設(shè)備約為1.5億美元左右。EUV的光波長為13.5納米，大大小于之前的氟化氬（ArF）激光波長（193納米），可在不采用多次曝光成像的情況下繪制更加細(xì)微的半導(dǎo)體電路。而且這項技術(shù)還能簡化成像工藝流程，因此目前被視為唯一的突破口。

目前EUV技術(shù)主要運用在邏輯工藝制程中，臺積電、三星及英特爾三家分?jǐn)?0臺訂單。而對于存儲器制造，據(jù)預(yù)測，NAND閃存不需要EUV，它通過提高堆壘層數(shù)來解決容量增大，現(xiàn)階段3D NAND已達128層，有希望到200層，或者以上，對于DRAM，據(jù)預(yù)測在1x，1y及1z之后，將在15納米左右，也要釆用EUV技術(shù)。已有報道三星于2020年底會把EUV技術(shù)納入生產(chǎn)線中。

EUV光刻看似是一種工藝技術(shù)，然而它的使用涉及產(chǎn)業(yè)鏈，不僅工藝制程，尚包括設(shè)備，光刻膠，pellicle，無缺陷掩膜，缺陷測量等，因此需要時間上的積累。

到3納米時，EUV技術(shù)除了要增大鏡頭的數(shù)值孔徑NA，由0.33至0.55之外，同樣也要加入多次曝光工藝。

據(jù)最新報道三星在2020年1月15日與ASML簽訂新的訂單，將擴充采購20臺EUV光刻機，總計花費33.8億美元。

由于ASML的EUV設(shè)備市占率達100%，及每臺價格達1.5億美元左右，導(dǎo)致ASML可能超越應(yīng)用材料公司，而奪得全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售的第一位。

EUV的應(yīng)用從7納米導(dǎo)入，經(jīng)過5納米，到3納米時就需要EUV的DP(兩次圖形曝光技術(shù))，未來可能延伸至2納米及以下，導(dǎo)致EUV的“生命周期”可能不會太長。

現(xiàn)階段EUV技術(shù)尚需完善它的產(chǎn)業(yè)鏈，主要包括以下方面：

• EUV掩膜

EUV所用的掩膜和193nm浸液式光刻的掩膜完全不同，因為它是反射型光學(xué)系統(tǒng)。EUV的空白掩模由40到50層的硅和鉬交替堆疊在襯底上構(gòu)成，厚度250到350納米。然而在疊層上沉積釕基覆蓋層，緊接著再沉積鉭基吸收體。

根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，急需提高EUV掩膜的良率，因為傳統(tǒng)的光學(xué)掩膜平均良率高達94.8%。它涉及光刻的成本問題。

• Pellicle薄膜

現(xiàn)在光學(xué)掩膜的pellicle薄膜是透明的，但是目前的EUV pellicle薄膜材料要求是不透明的，需要超薄型的薄膜材料去制造透明的EUV薄膜。目前ASML能提供50納米的多晶硅薄膜作為pellicle，但是性能有待提高。據(jù)傳目前臺積電，三星釆用暫時不帶pellicle工作，導(dǎo)致芯片生產(chǎn)線中必須經(jīng)常的清洗和檢查掩模，十分費時。

• 檢測掩膜的缺陷

掩膜缺陷檢測分為兩類，die to die及die to database。從光學(xué)原理出發(fā)，最高分辨率在20-16納米范圍。Lasertec公司最近推出了一種能夠檢測20nm以下掩模缺陷的APMI(光化檢測)系統(tǒng)。使用光化檢測的優(yōu)點之一是它的圖像分辨率高。由于波長短得多，光化檢查可提供高分辨率和高對比度的圖像。目前該技術(shù)仍有待提高與完善。所以EUV的掩膜缺陷檢查仍需時間的積累。

• 光源功率

據(jù)媒體報道，目前的250W光源應(yīng)用在7納米甚至5納米時都是沒問題的，然而到了3納米，對光源的功率需求將會增大到500W，到了1納米制程時，光源功率要求可能達到1,000W，是個不易解決的問題

結(jié)語 
沿著定律工藝尺寸縮小仍在持續(xù)，臺積電與三星兩家在競爭，2020年5納米開始量產(chǎn)，3納米的研發(fā)已取得實質(zhì)性進展，預(yù)計2022及2023年有望實現(xiàn)量產(chǎn)，它的客戶主要是5G +AI及HPC等，包括蘋果，華為，高通，AMD，Xilinx等。未來工藝尺寸縮小的主要問題可能不是技術(shù)因素，經(jīng)濟上的實用性才是主要阻礙。

定律除了工藝尺寸縮小外，尚有另外兩個重要方向，包括異質(zhì)集成以及新的架構(gòu)與材料使用�？梢猿浞窒嘈旁谖磥淼氖�年中，即便尺寸縮小走到盡頭，半導(dǎo)體業(yè)的前景仍是十分光明，因為它能持續(xù)地滿足電子工業(yè)市場的需求。

原創(chuàng)莫大康求是緣半導(dǎo)體聯(lián)盟