先进半导体工艺的角逐,只剩下台积电和 三星 在领跑。根据三星最近公布的工艺演进路线来来看,为何该公司要抢先在今年的7nm上首家采用 EUV 工艺?7nm之后,三星的工艺研发又将走向何方?

随着联电、格芯先后退出半导体先进工艺竞赛,目前仍有实力一争高下的,仅剩下台积电、三星和英特尔。就当前进展而言,台积电公布的7nm芯片已有50多款在流片,可算是遥遥领先。英特尔则仍苦苦挣扎于10nm。三星近年来逐渐将代工业务视为发展重点誓做“最受信任的代工厂”,并曾扬言要争取25%的代工市场,在今年其在美国、中国、日本等多地先后举办的三星代工论坛(SFF)上还公布了其7nm以后的最新工艺路线图,展示与台积电拼到底的决心。
按照三星的计划,2018年晚些时候会推出7nm FinFET EUV工艺,而8nm LPU工艺也会开始风险试产;2019年推出7nm的优化版,即5/4nm FinFET EUV工艺,同时面向RF射频、eMRAM等芯片的18nm FD-SoI工艺开始风险试产;2020年推出3nm EUV工艺,同时晶体管架构从FinFET转向GAA( Gate-All-Around)。三星将GAA视为7nm节点之后取代FinFET晶体管的新一代候选技术。
由于台积电要到第二代7nm工艺N7+上才会使用EUV工艺,因此三星算是首家大规模量产EUV工艺,激进的三星在7nm工艺就直接上EUV,未来的5/4/3nm节点也会全面使用EUV工艺。
据悉,目前三星已经在韩国华城的S3生产线上部署了ASML的NXE3400 EUV光刻机,这条生产线是由原本的10nm工艺改造而来,EUV产能据称已经达到了大规模量产的标准。除此之外,三星还将新建一条EUV工艺专用的产线,计划在2019年底全面完成后,2020年实现EUV量产。
三星代工业务首席工程师Yongjoo Jeon在今年5月份的论坛上表示,三星将使用内部开发的EUV光罩检测工具,这是一个重要的优势,因为还没有类似的商业工具被开发出来。此外,三星也在开发EUV微影光阻剂,并有望在今年稍晚达到大规模量产要求的目标良率。
为何三星如此坚定地在其首个7nm就激进地采用EUV技术?据其表示,采用EUV是综合许多因素考虑的结果,包括EUV设备是否准备好,成本、多重曝光复杂性、保真度和间距缩放等。至少对三星自家的7nm而言,(栅极)间距可以控制在单次曝光,这使得整个光刻工艺流程减少了与曝光相关的大部分设计复杂性,例如涂色步骤对某些代工厂就是非常困难的一段制程。
此外,传统多重曝光的诸多限制之一就是图案保真度,所见通常并不是所得。据三星表示,通过采用EUV,图案保真度比采用ArF多重曝光提升了70%。在版图设计方面,EUV可以简化布线,甚至在某些情况下可以较少过孔,极大的降低了设计复杂性。当然,EUV带来的好处远不止这些。
三星称,在存储应用中,与基于ArF的多重曝光设计相比,采用单次曝光的2D EUV可以版图布局面积减小最多达50%。为此,三星将最高密度的SRAM位单元尺寸缩小到0.0262μm²。
半导体业界为EUV已经投入了相当庞大的研发费用,因此也不难理解他们急于收回投资。虽然目前还不清楚EUV是否已经100%准备就绪,但是三星已经迈出了实现大规模量产的第一步。
问题是,如果技术有了,产能有了,客户会有谁?目前台积电已经拿下了绝大部分的7nm订单,本就少之又少的7nm客户,还会剩下哪些留给三星。
7nm之后,三星押宝GAA
GAA(环绕栅极)相比现在的FinFET三栅极设计,将重新设计晶体管底层结构,克服当前技术的物理、性能极限,增强栅极控制,性能大大提升。自二十一世纪初以来,三星和其他公司一直在开发GAA技术。GAA晶体管是场效应晶体管(FET),在通道的所有四个侧面都有一个栅极,用于克服FinFET的物理缩放比例和性能限制,包括电源电压。IMEC也认为,GAA晶体管将是未来最有可能突破7nm以下FinFET工艺的候选技术。
据三星介绍,自2002年以来,三星专有的GAA技术被称为多通道FET(MBCFET),MCBFET使用纳米片器件来增强栅极控制,显着提高晶体管的性能。
而业内人士认为,三星所说的MBCFET,其实属于水平沟道栅极环绕技术(Horizontal gate-all-around,有些文献中又称为Lateral gate-all-around,以下简称水平GAA,栅极环绕则简称GAA)的一种。尽管并没有公开对外宣布,但其它的芯片厂商其实也在同一个方向努力,所计划的启用时间点也是大同小异。大家都是采用水平GAA,只不过鳍片形状各有不同,三星是采用纳米板片形状的鳍片,有些厂商则倾向横截面为圆形纳米线形状的鳍片。这些都属于水平GAA,其它的变体还包括六角形鳍片,纳米环形鳍片等。
关于三星的GAA即MCBFET技术何时能量产,该公司此前的规划是在2020年开始在3nm节点量产,但Gartner代工厂研究副总裁Samuel Wang预计,三星将在2022年左右正式量产GAA晶体管,不过看起来进展速度比预期更快。