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摩尔定律的三种发展方向,EUV制程技术势在必行

2018-11-08
关键词: IC制造 EUV

  从2017到2018年,全球IC制造产业资本投资规模达到高峰,近两年总投资均超过920亿美元规模。目前中国台湾IC制造产业仍以晶圆代工贡献最主要产值,随着创新应用的发展,对于制程的需求也一直不断攀升,纵观2018年后的应用趋势,半导体发展将更加多元,随着先进制程来到10纳米之下,制程微缩瓶颈浮现,同时复杂的图形造成曝光次数增加,光罩成本随之倍增,让半导体产业向来信守的摩尔定律(Moore’s Law)变得窒碍难行,极紫外光(extreme ultraviolet;简称EUV)E技术被视为摩尔定律继续往下走的关键,EUV制程技术势在必行。

  新应用对IC制造技术的影响

  随着7纳米之后的解决方案讨论开始浮上台面,EUV微影技术等设备将加速2019年之后先进制程的量产。EUV微影技术的实用化,需整合研发光源、光学系统、光罩、光阻、曝光装置等各项技术,然而制程微缩除了对制程稳定度带来压力外,在成本控管上亦是相当严肃的课题。采用新式材料与技术成为研发的另一方向,纳米碳材、宽能隙材料的导入,将有助于延续摩尔定律。

  台湾地区工研院产业经济与趋势研究中心(IEK)资深产业分析师刘美君指出,纵观2018年以后的趋势,会发现人工智能、物联网、智慧汽车、高速运算等应用,将促进半导体产业发展更多元。未来AI将整合IoT技术发展,应用以工业、智慧城市等领域为主,分析各公司AI芯片发展,会发现所需制程几乎还是以10纳米以下为主流;但并非所有产业都需要最先进的制程,预估到2021年,45纳米和22纳米仍是产能占比最多的制程,在发展上最成熟稳定、良率亦是最高;10纳米和14纳米制程会成为要角,有急速攀升的趋势,而年复合成长率最快的则是7纳米制程。

  导入EUV技术,仍有诸多难题

  在过去两年间,台积电为了拉大和竞争对手的距离,着重在10纳米以下制程能力的提升,特别是7纳米与5纳米量产技术的研发生产。对晶圆代工产业而言,制程能力将影响未来客户下单的选择,但关键在于良率够高、速度要够快,客户对于7纳米世代的制程需求亦有极高的期待,为了突破微缩制程在7纳米的瓶颈,EUV技术的需求因此产生。

  但就现阶段来看,要藉由EUV实现7纳米以下微缩制程,仍有许多棘手的问题待克服。除了生产性降低、成本增加、产能对半砍,EUV还有曝光装置耗电太大的问题。刘美君进一步解释,假设EUV光源效率以0.1%来计算,若期望输出功率为150W的EUV光源,则需使用150kW的电力,以一般量产所需10台曝光机的基本数量来看,则需消耗1500kW电力。先前媒体曾报导,全台湾用电过去五年的增加量,约三分之一由台积电贡献,导入EUV微影技术后用电还会暴增,根据台积电评估,计划于2020年量产的5纳米制程,用电会是目前主流制程的1.48倍 。

  此外,还有光罩防尘薄膜的难题存在。使用薄膜(Pellicle)最主要有两种目的,除了增加芯片生产良率,还能减少光罩于使用时的清洁和检验,不过在高功率的EUV光源下,Pellicle也有可能从自身产生微尘(Particle),造成光罩的污染,因此EUV若要进入量产,微尘的控制就会变得非常重要。

  摩尔定律的三种发展方向

  1975年,英特尔(Intel)创办人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出摩尔定律:随着制程的进步,集成电路上可容纳的电晶体数目,约每隔一年半会增加一倍;若换算为成本,即每隔一年半可降低五成,平均每年可降低三成。就摩尔定律延伸,IC技术每隔一年半就会推进一个世代。但摩尔定律是否仍适用于目前的半导体制程生态呢?已退休的台积电董事长张忠谋认为,摩尔定律早已无效,必须跳脱摩尔定律对于集积度的执着,只从应用看整合,也就是“创造横向应用”来克服已经失效的摩尔定律。

  刘美君分析,若要延续摩尔定律,会遇到7纳米制程的抉择困境。首先是设备难度提高,先进曝光机、刻蚀机等设备研发技术难度大,依据Intel官方计算过去研发10纳米的制程,光罩成本至少要10亿美元,若10纳米制程的芯片产量低于1,000万片,平均每片芯片上的光罩成本就高达100美元,一旦7纳米的良率和产能无法提升,单颗芯片的成本将会十分高昂。而根据研究机构推算,10纳米芯片的总设计成本约为1.2亿美元,7纳米芯片则为2.71亿美元,较10纳米高出两倍之多!

  因此7纳米之后的发展,有三种可能方向。首先是延续原有CMOS技术的发展概念,持续朝向摩尔定律方向进行高集积度的IC元件设计,但7纳米以后物理极限问题会渐趋严重。第二种是由应用需求驱动未来芯片设计功能的多样化,例如透过3D IC等封装新技术,整合Power、传感器(Sensor)、致动器(actuator)等功能进入芯片设计与制造。最后一种则是跳脱原有以硅(Si)为基础的CMOS元件制程,进入21世纪的碳素时代,以新材料、新技术来创造更高性能、低能耗的制造型态,同时又要能与现有制程相容,并具备成本优势。

  摩尔定律的三种发展方向,EUV制程技术势在必行

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  7纳米以后IC制造技术的可能发展方向

  寻找下世代的半导体材料

  随着IoT产品普及速度加快,元件耗电问题成为下阶段半导体发展的重要课题,2020年后的电子元件,将聚焦在超低功耗的解决方案开发。刘美君指出,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽能隙功率元件,拥有较耐高温、耐高压、电阻小、电流大与低耗电等特性,相当适合高频元件使用。2017年SiC Power市场规模达到275亿日元,主要以通讯领域为大宗,预估在2030年将会扩大至2,270亿日元。而GaN Power则是在200V的低耐压及600V以上的中耐压领域逐渐扩大市场规模,2017年GaN全球市场规模预估为18亿日元,未来可朝向医疗器材发展,2030年时可望成长至1,300亿日元。

  总结而言,未来IC制造业投资风向从传统消费性电子产品走向多元与新兴应用,2018年的应用产品潮流,从过去的消费性电子转向AI、IoT产品加值的领域进行延伸,对于芯片的规格需求,除了元件微小化外,高速运算与传输、多重元件异质整合、低功耗等特性,更是未来在产品与制程设计上需考量的课题。