半导体5纳米制程有太多技术挑战，成本之高超乎你想象

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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，必须采用两次图形曝光技术(DP)，再进一步至16/14纳米时大多采用finFET技术。如今finFET技术也一代一代升级，加上193i的光学技术延伸，采用SADP，SAQP等，所以未来10纳米，甚至7纳米时基本上可以使用同样的设备，似乎己无悬念，就是芯片的制造成本会迅速增加。然而到5纳米时肯定是个坎，如果EUV不能准备好，就要被迫采用五次图形曝光技术(FP)，这己引起全球业界的关注。

下文讨论的是5纳米生产线，范围更宽广，至今业界尚无它的投资估计。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，因为可能要用到EUV光刻，每台设备需约1亿美元，因此它的投资肯定会大大超过之前 。所以未来建设一条芯片生产线需要100亿美元完全可能。

生产线的量产是个系统工程，需要材料、设备、晶体管结构、EDA工具等与之配套，对于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、工艺控制及互连等问题,加总起来导致未来半导体业将面临许多的困难。

在近期的会议上，intel发布的一份报告引起业界关注，并进一步推动业界开始思考未来先进工艺制程的发展方向。

intel公司提出下一代晶体管结构是纳米线FET，是一种晶体管的一面让栅包围的finFET。Intel的纳米线FET有时被称作为环栅FET,并己被国际工艺路线图ITRS定义为可实现5纳米的工艺技术。

如果intel不是走在前列，它不可能提供它的5纳米进展的讯息。它的报告似乎传递出一个信号，5纳米可能有希望，或者已经在它的工艺路线图中采用了新的晶体管结构。

在5纳米的竞争中，台积电也不甘落后，它的共同执行长Mark Liu近期也声言己经开始对5纳米的研发，并有望在7纳米之后两年推出。全球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用如今的finFET技术有可能延伸至7纳米，至于5纳米尚不清楚，或者有可能最终并不能实现。实际上在5纳米时有许多技术上的挑战，成本之高可能无法预计。

但是假设5纳米出现在某个时刻,产业界将面临众多的难题。应用材料公司的先进图形技术部副总裁Mehdi Vaez-ravani认为每一项都是挑战，有物理的和灵敏度的要求，有新材料方面的需求,而其中晶体管的结构必需改变。

如果产业真的迈向5纳米，将面临什么样的挑战?美国半导体工程(SemiconductorEngineering)为了推动进步，从众多挑战中汇总以下几个方面：

Lam Research的全球产品部首席技术官泮阳Yang Pan认为,在通向5纳米时功能与成本是无法躲避的最大挑战，所以要引入新的技术与材料。

晶体管结构

首先芯片制造商必须要作一个困难的决定，其中之一就是必须选择在5纳米时晶体管的结构，如今有两种可供选择,finFET或者纳米线FET。

格罗方德的先进器件架构总监及院士Srinivasa Banna认为，对于5纳米，finFET是一种选择。显然这从产业角度希望尽可能延伸finFET技术，众所周知产业界为了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。

然而缩小finFET技术至5纳米是个挑战，因为在5纳米finFET时,预计鳍的宽度是5纳米，实际上这种结构己经达到理论极限。

Banna说这也是芯片制造商正在开发纳米线FET的原因。纳米线有很好的静电优势(CMOS有静电击穿问题),但是也带来许多问题，如什么是纳米线的器件宽度,及器件能有多大的驱动电流，这些业界都在模索之中。

三星的先进逻辑实验室高级副总裁Rodder认为,直到今天在5纳米时在finFET或者纳米线FET之间选择谁会是胜利者为时尚早，因为业界正试图寻求更多的解决方案。

掩膜制造

在芯片制造工艺流程中掩膜制造是首步工艺之一。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的工艺是采用光学光刻，还是EUV来决定。

作5纳米的光学掩膜是令人害怕的,同样EUV的掩膜也十分困难。D2S的首席执行官Aki Fujimura认为，EUV掩膜在很多方面与193i掩膜不一样。因为它有很大的改变,对于每个产品的特性或者功能,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,也涉及制造设备，如采用电子束写入设备以及软件。

尽管EUV掩膜在有些方面已取得进展，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关问题仍有待解决。

在5纳米时掩膜的写入时间是最大的挑战。因为今天的单电子束写入设备在作复杂图形时的出货量不够快,费时太久。

为了解决掩膜写入问题，目前有两个公司，一个是IMS/JEOL duo，另一个是Nuflare，它们正采用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，由于技术原因，设备的研发用了比预期长得多的时间。D2S的Fujimura说，任何突破性的创新技术从研发到成功,再到达到量产水平，都是如此。

图形

掩膜完成之后，它将在生产线中使用。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，可以节省成本。但是即便EUV在7纳米，或者5纳米时准备好,从芯片制造商角度尚离不开多次图形曝光技术。因为真正的关键层(critical layers)才需要采用EUV,所以未来combined混合模式光刻是趋势。

在5纳米时图形的形成是很大的挑战。为此芯片制造商希望EUV光刻能在7纳米，或者5纳米时准备好。然而目前EUV光刻机尚未真正达到量产水平，它的光源功率、光刻胶以及掩膜的供应链尚未完善。

如果EUV光刻在7纳米，或者5纳米时不能达到量产要求，芯片制造商会面临窘境。尽管193i光刻有可能延伸至7纳米，及以下，但是芯片制造成本的上升可能让人无法接受。

在5纳米时采用EUV肯定比193i方法便宜，但是由于EUV光刻的供应链大的改变，必须要在整个工艺制造中新建，它的代价也高得惊人,全球只有极少数公司能支持它。

Mentor Graphics的经理David Abercrombie认为，在5纳米时芯片制造商可能会采用不协调的混合策略,EUV的到来并不表示多次图形曝光技术的结束。在5纳米时即便EUV己准备好，非常可能根据线宽不同要求采用混用模式，即分别有193i单次及多次图形曝光,单次EUV及非常可能EUV也要采用多次图形曝光技术。

这一切都由不同的工艺尺寸来决定，对于那些简单/大尺寸的光刻层会采用193i单次图形曝光。相信至少两次图形曝光193i 2LE相比单次EUV光刻要省钱，在三次图形曝光技术193i 3LE中对于有些层非常可能会更省钱。它认为自对准的两次图形曝光(SADP)也比单次EUV光刻便宜。只有到4LE 或者5LE时EUV才有优势。所以对应于不同尺寸的光刻层要采用相应的方法,及EUV光刻可能作为自对准的四次图形曝光技术(SAQP)的替代品。

当EUV延伸至7纳米以下时，作为一种提高光刻机的放大倍率方法需要大数值孔径的镜头(NA),为此ASML已经开发了一种变形镜头。它的两轴EUV镜头在扫描模式下能支持八倍放大,而在其他模式下也有四倍,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，它的曝光硅片仅为全场尺寸的一半,与今天EUV光刻机能进行全场尺寸的曝光不一样。

Mentor的Abercrombie说，问题摆在眼前，十分清楚，假设EUV错失5纳米机会,或者技术最终失败,要完成5纳米怎么办?业界只能综合采用更严的设计规则及更复杂的多次图形曝光技术。非常可能是五次图形曝光技术5LE,把多次图形曝光技术的线宽再次分半的自对准的四次图形光刻技术(SAQP),因此工艺之中会有更多的图形需要采用多次图形曝光技术,无疑将导致成本及工艺循环周期的增加。

晶体管材料

另一个因素是晶体管的形成。目前芯片制造商在16nm/14nm,包括10nm时都采用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finFET一样。在纳米线FET中纳米线从源穿过栅层一直到漏。开初的纳米线FET可能由三个堆叠线组成。

Lam的泮认为，到5纳米时,需要一个更有潜力的晶体管形式,包括能使电子或者空穴迁移率更快的新沟道材料等。为了降低器件的功耗及提高它的频率而采用的新技术,必须要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,它们试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,采用锗的沟道材料，用在NMOS及PMOS晶体管中都是不错的。同样为了减少电容及降低功耗,可以把锗材料用在PMOS中，以及把III-V族材料用在NMOS中。

互连

互连的问题是什么?应用材料公司的策略计划部资深总监MichealChudzik说,III-V、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(BEOL),引线互连是器件必须的。由于采用通孔技术，器件的引线之间非常靠近,会由于电阻电容的RC振荡而导致芯片的延迟。

在每个工艺节点上问题越来越升级，业界正在开发不同的材料来解决互连问题，但是当在7纳米及以下时目前尚无更好的解决办法。

IMEC的工艺技术和逻辑器件研发部副总裁Aaron Thean说，未来最大的改变是在后道工艺中也需要采用多次图形曝光技术，因此后道的成本将像火箭一样上升。这表明，在推动下一代工艺节点时成本变成每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纳米时问题越来越复杂。越来越多的层级需要采用多次图形曝光技术,原先认为相对简单的后道工艺也很难应对。

工艺控制

芯片制造工艺流程中有许多工艺检查点，未来是挑战?光学检验在生产线中仍是主力军，但是在20纳米及以下时的缺陷检测开始有困难。使用电子束技术能检测微小缺陷,然而受目前的技术限止，速度太慢。

为了解决这些问题产业界开始采用多朿电子束检查设备，但是此项技术可能直到2020年时也没有准备好。

那么7纳米与5纳米的解决方案在那里?应用材料公司的Vaez-Iravani说，实际上未来生产线中光学与电子束两种检查设备都必须要准备好。

工艺检测也是需要面对的问题。在一条生产线中检测点有许许多多，也不可能由一种设备全部解决。芯片制造商必须使用多种不同的检测设备。KLA-Tencor的图形市场部副总裁Ady Levy说，当IC设计由一个工艺节点向下一个更细的迈进时,计量检测设备同样面临挑战。不管是光学或是电子束设备都必须考虑它的信号与噪声比、测量精度、使用是否方便,以及在量产中是否有它的价值与地位。

Lam的泮说，还有挑战等着我们，由于表面的散射效应、高线(high line)和通孔及更大的变异等，将推动业界采用低电阻率金属层,以及开发工艺解决方案要求更严的工艺控制。采用下一代光刻EUV，或者延伸多次图形曝光技术等，以及下一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,当然还包括面对成本的挑战。

　中国电子报、电子信息产业网　　作者：莫大康