極紫外光(extreme ultraviolet;EUV)微影技術將在未來幾年內導入10奈米(nm)和7nm製程節點。不過,根據日前在美國加州舉辦的年度產業策略研討會(Industry Strategy Symposium;ISS 2018)所發佈的分析顯示,實現5nm晶片所需的光阻劑(photoresist)仍存在挑戰。

同時,EUV製造商ASML宣佈去年出貨了10台EUV系統,今年將再出貨20至22台。該系統將擁有或至少可支援每小時生產125片晶圓所需的250W雷射光源。

IC Knowledge總裁Scotten Jones表示:「在7nm採用EUV的主要部份已經到位,但對於5nm來說,光阻劑的缺陷仍然高出一個數量級。」

經過20多年的發展,新的和昂貴的系統均有助於為下一代晶片提供所需的優質特性,並縮短製造時間。Scotten說,這些系統將首先用於製造微處理器等邏輯晶片,隨後再應用於DRAM,但現今的3D NAND快閃記憶體晶片已經不適用了。

「EUV大幅減少了開發週期以及邊緣定位的誤差…,但成本降低的不多,至少一開始時並不明顯。此外,還有其他很多的好處,即使沒什麼成本優勢,它仍然具有價值。」

Jones預計,ASML將在2019-2020年之間再出貨70台系統。這將足以支持在Globalfoundries、英特爾(Intel)、三星(Samsung)和台積電(TSMC)規劃中的生產節點。

20180123_EUV_NT01P1 除了EUV系統本身,其他重要的挑戰還包括薄膜、光罩測試儀和抗蝕劑(來源:ASML)

Jones表示,ASML計劃將系統的正常運行時間從現在的75%提高到90%,這同時也是微影技術業者最關切的問題。此外,他表示相信該公司將會及時發佈所需的薄膜,以保護EUV晶圓避免微塵的污染。

為了開發針對5nm可用的抗蝕劑,「我們有12到18個月的時間來進行重大改善。業界將在明年產出大量晶圓,這將有所助益。」Jones並估計,到2019年晶圓廠將生產近100萬片EUV晶圓,到了2021年更將高達340萬片晶圓。

ASML的目標是在2020年時,將其250W光源所能達到的每小時145片晶圓的吞吐量提高到155片/時。ASML企業策略和行銷副總裁Peter Jenkins在ISS上指出,該公司已經展示實驗室可行的375W光源了。

目前該公司的薄膜已經能通過83%的光線了,至今也以245W光源進行超過7,000次的晶圓曝光測試了。然而,第二代7nm節點在搭配用於250W或更高的光源時,預計還需要一個傳輸率達到90%的薄膜。

GF、英特爾、三星與台積電的7nm版本

Jones談話中最有趣的部份內容就是對於10nm、7nm和5nm節點的詳細分析。台積電去年秋天通過7nm製程,目前正使用現有的光學步進器實現量產。他說,Globalfoundries將在今年晚些時候推出類似的製程。

兩家公司計劃在明年初量產第二代7nm製程,採用EUV製作觸點和通孔,將15個光學層數減少到5個EUV層。這一製程可望縮短週期時間,而且不需要薄膜。

Globalfoundries去年六月份宣佈在2019年採用EUV實現7nm的計劃。Jones「台積電私下告訴客戶也計劃如此。」瓊斯說。

晶片製造商可能必須使用30mJ/cm2劑量的抗蝕劑,這高於其目標的20mJ/ cm2。他們還可能必須使用電子束系統檢查光罩的缺陷,而不是像EUV系統一樣使用13.5mm波長尋找缺陷的光化系統。

Globalfoundries、三星和台積電除了使用觸點和通孔外,還計劃為不同的7nm版本使用EUV和薄膜來製作1x金屬層。這些製程將提供微縮,並使23層光學層減少到9層EUV。

這正是三星將在明年初推出的首款7nm節點,即7LPP。台積電的7FF+版本,預計將在2019年中期推出,Globalfoundries則將在明年年底推出7LP+。

20180123_EUV_NT01P2 Jones詳細介紹了他預計到2020年將會看到的各種10nm、7nm和5nm製程版本

Jones表示,英特爾目前使用的10nm製程採用光學步進器實現量產,提供的密度相當於其競爭對手所能實現的最佳7nm版本。他預期英特爾將在2019年採用EUV升級10nm+製程。

三星和台積電已經在討論可能在2019年底前提供5nm製程。他們應該會是第一批使用EUV製造1D金屬層的製造商。他說,如果有更好的抗蝕劑出現,這個製程就能使用EUV減少多達5個切割光罩,讓FinFET減少到僅使用1個光罩。

另外,Jenkins表示,ASML已經為支援高數值孔徑(NA)的EUV系統完成光學設計部份了,而且整體設計「順利」。該公司已於2016年底宣佈計劃在2024年量產該新系統。

儘管EUV是推動半導體產業製造更小晶片的重要里程碑,但預計並不至於顛覆目前的晶片製造設備和裝置市場。Jones說,晶圓廠將會持續需要大量的現有資本設備和供應,才能與EUV一起邁向未來的製程節點。

編譯:Susan Hong

(參考原文:EUV, 7-nm Roadmaps Detailed,by Rick Merritt)