隨著工程師們競相解決錯綜複雜的相關問題，醞釀了20年的新世代微影工具終於來到大量問世前的最後一個階段──儘管極紫外光(EUV)步進機的大量生產面臨複雜的問題以及緊迫的時間，專家們仍然抱持樂觀態度。

好消息是，半導體產業界正眾志成城、積極推動技術進展；如比利時研究機構Imec的技術與系統執行副總裁An Steegen所言：「在過去，可能會有一家公司率先採用最新的半導體技術，但現在幾乎所有的邏輯工藝技術供貨商都跳進來、咬緊牙關努力並勇於承擔風險。」

Imec是荷蘭EUV微影設備大廠ASML的長期合作夥伴，他們與晶圓代工廠、半導體供貨商攜手，現在的目標是解決該種有尺寸有一個房間大小、將用以製造新一代晶元的設備剩下的最後幾個主要問題；Steegen在Imec年度技術論壇接受EE Times採訪時指出，這很像是在2008年問世的FinFET晶體管，是很重大但充滿挑戰的半導體性能提升關鍵。

她表示：「人們比較過下世代節點的最糟情況以及舊節點的最佳情況，現在各方都同意FinFET是具備超高性能的組件；我學到的教訓是要對所有事情抱持懷疑態度…未來的半導體工藝技術還有足夠進步空間，讓SoC設計工程師能得到他們想要的。」

而在筆者於Imec總部排隊等著喝咖啡時與一位有32年工作資歷的EUV開發老將閑聊時，他簡單表示：「現在有很多壓力…但我們正在取得進展。」

確實，三星(Samsung)的晶圓代工部門趕著在今年底於7納米工藝導入EUV，該公司的目標是超越最大競爭對手台積電(TSMC)，後者正利用現有的浸潤式微影設備進行7納米設計案的投片；台積電與另一家晶圓代工大廠GlobalFoundries也不落人後，他們打算在明年以EUV量產強化版的7納米工藝。

Imec預期，DRAM製造商會在D14+節點採用EUV技術──應該會在2021年內存半間距(half pitches)來到20納米以下時。

目前Imec有兩個技術開發重點，有助於舒緩邊緣粗糙度(line-edge roughness)的問題，並消除所謂的隨機效應(stochastics)、隨機誤差(random errors)等造成觸點漏失(create missing)、觸點斷續(kissing contacts)的缺陷。那些誤差在今年稍早於對下一代5納米節點十分關鍵的15納米臨界尺寸首度被發現，但研究人員表示他們也在7納米看到一樣的問題。

Steegen預期將會有混合式解決方案出現，這種方案會採用掃描機設定、光阻劑材料以及後期處理等方法的結合，以接續斷裂的線路、將粗糙部分抹平或是填補漏失的觸點。

晶圓代工業者可以提供更高劑量的EUV光源──例如80 millijoules/cm2──以擴大工藝容許範圍(process window)，但這會讓生產速度減慢；Steegen表示：「第一次實作時的最高劑量決定權在於各家晶圓代工廠。」

工程師正在利用一系列的光罩調整、步進機設定、光阻劑選擇以及後期處理方法，來解決EUV的隨機誤差問題 （來源：Imec）

混合式解決方案以及放寬的設計規則

Imec正在開發能預測並定位隨機誤差可能在設計中出現的地方，以提供工藝容許範圍的視野；但尋找缺陷往往非常仰賴快速的電子束檢測系統(e-beam inspection systems)。

隨著工藝節點來到單納米尺寸，研究人員開始將缺陷歸因於為小細節；舉例來說，一次EUV曝光中的光子數量，會影響化學放大光阻劑(chemically amplified resists)，而其他種類的光阻劑性能也會因為所嵌入的金屬分子定向(orientation)而有所變化。

對此Steegen表示：「並非所有的光阻劑作用都一樣，它們因為不同基層而表現出的作用也會很獨特…我們仍在經歷一些基礎性的學習。」

為了簡化工藝世代轉移，GlobalFoundries採取分階段EUV策略，在相對較寬鬆的7納米節點只採用5層金屬；該公司首席技術官Gary Patton在Imec技術論壇上接受採訪時表示：「我們能夠以較低劑量運作並達到良好的生產量。」

Patton透露，GlobalFoundries將於今年稍晚採用浸潤式微影進行首次7納米設計投片，是一款AMD處理器；接著是一款IBM處理器，然後有數款ASIC。

GlobalFoundries將7納米節點的間距與SRAM單元製作得跟台積電的很類似，讓晶元設計業者如AMD能夠同時利用兩家晶圓代工廠；他表示，AMD「的需求會高於我們擁有的產能，所以我們對(AMD也委託台積電生產)這件事沒有意見。」

不過，GlobalFoundries在開發10納米節點的同時會跳過5納米節點，該公司認為前者會有適度的遞增收益；而該公司正在為下一代工藝尋求財務與技術上的夥伴，有可能會朝3納米節點邁進。

微影技術人員現在將良率問題視為EUV需要考慮的首要議題 （來源：Imec）

在面對眾多挑戰的同時保持樂觀

儘管有重重挑戰，Patton仍保持樂觀；他認為，儘管智能型手機市場成長趨緩，產業界已經演變至進入AI時代，「新的無晶圓廠IC公司暴增」。在此同時，GlobalFoundries的FD-SOI工藝將至今年底將擁有75家設計夥伴，目前已經取得36件設計案。

「很多人去年都在場邊觀望FD-SOI是否做得成，而現在結果已經很清楚；」Patton指出，該工藝技術能支持低至0.4V的設計，並在今年秋天量產Grade 2車規版本。

GlobalFoundries與Imec的高層對於整體半導體技術藍圖的進展仍保持樂觀，不過有一些工程師開始在公開談論，晶體管速度的提升一般來說已經終結，晶體管密度與性能的進展則是一個節點比一個節點減少。

對此Imec正在協助晶圓代工業者開發一系列性能提升技術來補強，包括簡化的單元軌(cell tracks)、埋入式電源軌(buried power rails)，以及晶元上電路堆棧(on-die circuit stacks)。

「一般來說我並沒有看到報酬遞減，」Steegen表示：「我對於3納米與2納米邏輯工藝節點與內存技術藍圖發展感到樂觀，我們有足夠的資源…因此設計工程師會看到晶元面積的微縮，但他們可能需要在設計上做一些改變。」

因此Imec的晶元微縮核心項目，繼續每年以每年5~10%的速率成長；Imec首席執行官Luc Van den Hove首席執行官表示：「十年前，我們預期我們在先進CMOS工藝技術方面的工作會持平發展，因為產業整並的緣故，但情況恰恰相反。」他指出，Imec的相關項目因為AI加速器晶元以及DNA儲存等新題材而增加。

編譯：Judith Cheng

本文授權編譯自EE Times，版權所有，謝絕轉載

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