EUV成半导体10奈米制程发展关键

EUV成半导体10奈米制程发展关键

半导体的发展随着摩尔定律(Moore’s Law)演进，虽然是关关难过但还是关关过，其中在制程技术上，主要瓶颈在微影制程的要求不断提高，目前主流曝光技术是采用波长193奈米(nm)的浸润式曝光(Immersion)技术；然而，进入32/28奈米以下制程节点，现有单次曝光制程已无法满足先进制程闸极线宽制作需求，须导入与以往不同且更繁复的双重曝光(Double-Patterning)技术，制造流程如图1所示。

图1 双重曝光制造流程示意图

过去仅用193奈米波长的浸润式曝光技术即可符合制程需求，毋须采用双重曝光方案，因此微影制程步骤较简单，可较快进入蚀刻(Etching)阶段随即可获得晶圆所需的图案(Pattern)。  

大减多重曝光成本　EUV技术成众望所归 

一旦为弥补193浸润式曝光技术不足而使用双重曝光，甚至是三次以上的多重曝光(Multiple Patterning)制程方案时，整体晶圆制程步骤与难度将会大幅增加，间接使晶圆厂的生产成本大增，以致于无法符合生产经济效益，故发展新一代微影制程技术系当前半导体供应链最重要的课题。  

目前在众多新技术选项中，极紫外光(Extreme Ultra Violet, EUV)微影是目前最受业界青睐的方案，其设备架构如图2所示，现遭遇最主要的挑战是光源能量不足；在微影制程中，为达到较小波长的曝光光源，必须经过更多镜片反射，能量衰减的速度必定较以往曝光设备来得快，因此要在晶圆表面上接收到与过去制程相同能量，设备商就须提高光源能量。

图2 EUV架构示意图

尽管EUV尚有技术挑战待克服，但如前文所述，先进制程若使用多重曝光技术，将使制程步骤大幅增加，对晶圆厂而言，目前工厂里的制造流程已是最佳化制程，一旦增加一道制造步骤，将牵动晶圆循环周期与生产设备数量的增加，制造与设备摊提成本也必定随之上升，如图3为使用EUV与双重曝光技术所需设备数量与占用无尘室空间的比较。  

图3 双重曝光技术与EUV所需的制程设备和占用空间比较

如今在32/28奈米制程，已必须采用双重曝光技术，未来随着1x奈米先进制程导入，关键的闸极等制程难度提高，浸润式双重曝光技术将难以达到先进制程线宽的需求，因而须借重多重曝光技术，新增的步骤将使生产成本急遽上升，并连带造成蚀刻、沉积与清洗设备的需求大增，在资本支出的部分将相当惊人，一旦生产成本不符合经济效益，半导体制造厂商开发先进制程的意愿将会被打上一个大问号。  

EUV相对于多重曝光技术，约可省下60%设备采购成本，综合以上观点来看，EUV的研发进度，对于半导体发展与演进，各界会如此的投以相当关注的眼神，就一点也不惊讶。  

图4所示系假设2017年EUV设备研发宣告失败为前提的产业发展状态，依各大半导体制造厂商所宣布的研发蓝图来看，届时将进入10奈米或甚至是更先进的7奈米制程，其制程难度将会是以指数关系成长，黄光微影制程须使用多重曝光技术(预测为四次曝光(Quadruple-patterning))，制程设备的资本支出将会因此大增约60%。

图4 2017年EUV研发失败的半导体资本支出预测

与此同时，半导体制造大厂相继亦宣称将在2018年建立第一座18吋晶圆量产工厂，切入制程节点预测将是10或7奈米制程，因此EUV发展成功与否不仅攸关摩尔定律是否能继续推进，亦牵连18吋晶圆厂的建立，正可谓「牵一发、动全身」，重要性不言可喻。也因此，国际各大半导体制造厂商愿意投入数10亿欧元予半导体微影设备大厂艾司摩尔(ASML)，且对于EUV未来发展皆抱着势必要成功的决心。