從7nm到3nm GAA,三星爲何激進地採用EUV?

隨著聯電、格芯先後退出半導體先進工藝競賽,目前仍有實力一爭高下的,僅剩下臺積電、三星和英特爾。就當前進展而言,臺積電公佈的7nm芯片已有50多款在流片,可算是遙遙領先。英特爾則仍苦苦掙扎於10nm。三星近年來逐漸將代工業務視為發展重點誓做“最受信任的代工廠”,並曾揚言要爭取25%的代工市場,在今年其在美國、中國、日本等多地先後舉辦的三星代工論壇(SFF)上還公佈了其7nm以後的最新工藝路線圖,展示與臺積電拼到底的決心。

按照三星的計劃,2018年晚些時候會推出7nm FinFET EUV工藝,而8nm LPU工藝也會開始風險試產;2019年推出7nm的優化版,即5/4nm FinFET EUV工藝,同時面向RF射頻、eMRAM等芯片的18nm FD-SoI工藝開始風險試產;2020年推出3nm EUV工藝,同時晶體管架構從FinFET轉向GAA( Gate-All-Around)。三星將GAA視為7nm節點之後取代FinFET晶體管的新一代候選技術。

從7nm到3nm GAA,三星為何激進地採用EUV?

由於臺積電要到第二代7nm工藝N7+上才會使用EUV工藝,因此三星算是首家大規模量產EUV工藝,激進的三星在7nm工藝就直接上EUV,未來的5/4/3nm節點也會全面使用EUV工藝。

據悉,目前三星已經在韓國華城的S3生產線上部署了ASML的NXE3400 EUV光刻機,這條生產線是由原本的10nm工藝改造而來,EUV產能據稱已經達到了大規模量產的標準。除此之外,三星還將新建一條EUV工藝專用的產線,計劃在2019年底全面完成後,2020年實現EUV量產。

三星代工業務首席工程師Yongjoo Jeon在今年5月份的論壇上表示,三星將使用內部開發的EUV光罩檢測工具,這是一個重要的優勢,因為還沒有類似的商業工具被開發出來。此外,三星也在開發EUV微影光阻劑,並有望在今年稍晚達到大規模量產要求的目標良率。

為何三星如此堅定地在其首個7nm就激進地採用EUV技術?據其表示,採用EUV是綜合許多因素考慮的結果,包括EUV設備是否準備好,成本、多重曝光復雜性、保真度和間距縮放等。至少對三星自家的7nm而言,(柵極)間距可以控制在單次曝光,這使得整個光刻工藝流程減少了與曝光相關的大部分設計複雜性,例如塗色步驟對某些代工廠就是非常困難的一段製程。

從7nm到3nm GAA,三星為何激進地採用EUV?

此外,傳統多重曝光的諸多限制之一就是圖案保真度,所見通常並不是所得。據三星表示,通過採用EUV,圖案保真度比採用ArF多重曝光提升了70%。在版圖設計方面,EUV可以簡化佈線,甚至在某些情況下可以較少過孔,極大的降低了設計複雜性。當然,EUV帶來的好處遠不止這些。

從7nm到3nm GAA,三星為何激進地採用EUV?

三星稱,在存儲應用中,與基於ArF的多重曝光設計相比,採用單次曝光的2D EUV可以版圖佈局面積減小最多達50%。為此,

三星將最高密度的SRAM位單元尺寸縮小到0.0262μm²。

從7nm到3nm GAA,三星為何激進地採用EUV?

半導體業界為EUV已經投入了相當龐大的研發費用,因此也不難理解他們急於收回投資。雖然目前還不清楚EUV是否已經100%準備就緒,但是三星已經邁出了實現大規模量產的第一步。

問題是,如果技術有了,產能有了,客戶會有誰?目前臺積電已經拿下了絕大部分的7nm訂單,本就少之又少的7nm客戶,還會剩下哪些留給三星。

7nm之後,三星押寶GAA

GAA(環繞柵極)相比現在的FinFET三柵極設計,將重新設計晶體管底層結構,克服當前技術的物理、性能極限,增強柵極控制,性能大大提升。自二十一世紀初以來,三星和其他公司一直在開發GAA技術。GAA晶體管是場效應晶體管(FET),在通道的所有四個側面都有一個柵極,用於克服FinFET的物理縮放比例和性能限制,包括電源電壓。IMEC也認為,GAA晶體管將是未來最有可能突破7nm以下FinFET工藝的候選技術。

據三星介紹,自2002年以來,三星專有的GAA技術被稱為多通道FET(MBCFET),MCBFET使用納米片器件來增強柵極控制,顯著提高晶體管的性能。

從7nm到3nm GAA,三星為何激進地採用EUV?

而業內人士認為,三星所說的MBCFET,其實屬於水平溝道柵極環繞技術(Horizontal gate-all-around,有些文獻中又稱為Lateral gate-all-around,以下簡稱水平GAA,柵極環繞則簡稱GAA)的一種。儘管並沒有公開對外宣佈,但其它的芯片廠商其實也在同一個方向努力,所計劃的啟用時間點也是大同小異。大家都是採用水平GAA,只不過鰭片形狀各有不同,三星是採用納米板片形狀的鰭片,有些廠商則傾向橫截面為圓形納米線形狀的鰭片。這些都屬於水平GAA,其它的變體還包括六角形鰭片,納米環形鰭片等。

關於三星的GAA即MCBFET技術何時能量產,該公司此前的規劃是在2020年開始在3nm節點量產,但Gartner代工廠研究副總裁Samuel Wang預計,三星將在2022年左右正式量產GAA晶體管,不過看起來進展速度比預期更快。


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