莫大康：缩小半导体工艺尺寸能走多远？

推动半导体业进步有两个轮子，一个是工艺尺寸缩小，另一个是硅片直径增大，而且总是尺寸缩小为先。由半导体工艺路线图看，2013年应该进入14纳米节点，观察近期的报道，似乎已无异议，而且仍是英特尔挑起大樑。尽管摩尔定律快“寿终正寝”的声音已不容置辩，但是14nm的步伐仍按期走来，原因究竟是什么?
传统光刻技术与日俱进
当尺寸缩小到22/20nm时，传统的光刻技术已无能力，必须采用辅助的两次图形曝光技术。
提高光刻的分辨率有3个途径：缩短曝光波长、增大镜头数值孔径NA以及减少k1。显然，缩短波长是最主要的，而且方便易行。目前市场的193nmArF光源是首选，再加入浸液式技术等，实际上达到了28nm，几乎已是极限(需要OPC等技术的帮助)。
所以Fabless公司NVIDIA的CEO黄仁勋多次呼吁工艺制程在22/20nm时的成本一定相比28nm高。其理由是当工艺尺寸缩小到22/20nm时，传统的光刻技术已无能为力，必须采用辅助的两次图形曝光技术(DP)。从原理上讲，DP技术易于理解，甚至可以3次，或者4次。但是这样带来两个大问题，一个是光刻加掩模的成本迅速上升，另一个是工艺的循环周期延长。所以业界心知肚明，在下一代光刻技术EUV尚未到来之际，采用DP是不得已而为之，实际上在技术上的可行性并不是问题，更多的是要从经济层面做出取舍的决定。
193nm光刻技术在计算的光刻技术辅助下，包含两项关键的创新，一个是同时带OPC(光学图形修正)的两次图形曝光技术，另一个是采用一种倒转的光刻技术来改善困难的布局复制，可以在局部区域达到最佳化。
因此可以相信，传统的193nm浸液式光刻技术加上两次图形曝光技术(DP)，甚至4次，从分辨率上在2015年时有可能达到10nm，这取决于业界对于成本上升等的容忍度。
7nm还是5nm
除了工艺尺寸缩小之外，产业尚有多条路可供选择，如450mm硅片、TSV3D封装等。
何时能够达到7nm或者5nm，截至今日尚无人能够回答，因为EUV何时进入也不清楚。乐观的估计可能在2015年或2016年。如果真能如愿，可能从10nm开始就采用EUV技术，一直走到5nm。但是目前业界比较谨慎，通俗一点的说法仍是两条腿走路。在今年的SemiconWest上各厂家的反应也是如此。Nikon正努力延伸193nm的浸液式技术，甚至包含450mm硅片;而ASML由于获得英特尔、三星及台积电的支持，正加快NXE3300B实用机型的发货。
据说已经有6台NXE3100EUV设备在客户处使用，累积产出硅片已达44000片。另外，下一代EUV设备NXE3300B已开始安装调试，计划2013年共发货5台，另有11台NXE3300B的订单在手及7台订单在讨论中。
ASML正在准备450mm光刻机，它是客户共同投资计划中的一部分。公司有信心将3台EUV的营收落实在2013年的销售额之中。
ASML在2013年展览会的演讲中详细描绘了业界期待已久的EUV光源路线图，近期Cymer公司已推出了专为ASML光刻机配置的40W极紫外(EUV)光源，工作周期高达每小时30片，并计划在2014年时NXE3300B中的光源升级达到50W，相当于43WPH水平。而100W光源可能要等到2015年或2016年，相当于73WPH。至于何时出现250WEUV光源，至少目前无法预测，除非等到100W光源成功，并有出彩的表现。500W光源写进路线图中是容易的，但是未来能否实现还是个问题。
只要实现73WPH，可以认为EUVL已达到量产水平，因为与多次曝光技术相比，它的成本在下降。在10nm节点以下如果继续釆用MP多次曝光技术，则可能需要4x甚至8x的图形成像技术。
因为从理论上讲，硅晶格大小约0.5nm，通常大于10个晶格尺寸，即约5nm时，才可能有好的硅器件功能，所以可以认为5nm是工艺尺寸的最终极限。预测在2024年以后半导体产业可能发生革命性变化，电荷不再是传输信息的唯一载体，同时计算架构也可能发生革命。
另外，ASML、IMEC及AppliedMaterials等共同协作，认为采用EUV技术有可能达到小于7nm，由于EUV技术同样也可采用DP两次图形曝光技术来提高分辨率。
随着半导体产业的继续发展，之后的每一个工艺节点进步都要付出极大的代价，要求达到财务平衡的芯片产出数量巨大。现在市场上已很难找出几种能相容的产品，因此未来产业面临的经济层面压力会越来越大。然而除了尺寸缩小之外，产业尚有多条路可供选择，如450mm硅片、TSV3D封装，FinFET结构与III-V族作沟道材料等，此外还有应用商店。而站在客户立场，他们并非知道芯片的内部构造，仅是需要价廉、实用，而又方便使用的电子终端产品。