重磅！中芯國(guó)際或?qū)⒂诮衲?月試產(chǎn)7nm芯片，爭(zhēng)取10月實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，7nm 制程工藝如何用DUV實(shí)現(xiàn)？

近日有媒體報(bào)道稱，中芯國(guó)際將在本月試產(chǎn)7nm芯片，并爭(zhēng)取在今年10月份實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。其次，中芯國(guó)際在14nm制程工藝良品率已追上臺(tái)積電，達(dá)到業(yè)界水平的90%-95%。

值得一提的是，此次中芯國(guó)際試產(chǎn)7nm芯片是計(jì)劃通過(guò)DUV工藝來(lái)試產(chǎn)。

7nm 制程工藝如何實(shí)現(xiàn)？

按常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，一般將28nm芯片加工能力作為分界線——超過(guò)28nm屬于成熟工藝芯片，低于28nm則可歸為先進(jìn)工藝芯片。先進(jìn)工藝?yán)锩娴?4nm，中芯國(guó)際也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了真正意義上的量產(chǎn)，并且已經(jīng)獲得了穩(wěn)定的客戶源，算是在“先進(jìn)工藝芯片站住了一只腳”。但在7nm芯片加工領(lǐng)域，當(dāng)前的中芯國(guó)際依然只是取得了階段性成果。
基本算是獲得了初步加工能力，但仍未能完全實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商品化，即處于“向大批量商業(yè)化生產(chǎn)沖擊階段”——按中芯國(guó)際CEO梁孟松的說(shuō)法，在其帶領(lǐng)下已經(jīng)攻克到了7nm技術(shù)，并準(zhǔn)備今年4月份試產(chǎn)，順利的話在今年年底或明年初的時(shí)候可以批量生產(chǎn)。那么7nm 制程工藝到底該如何實(shí)現(xiàn)呢？首先我們看一下7nm 工藝制程的特征尺寸和工藝參數(shù)，找出其中最小的特征尺寸，比如 fin width 6nm, fin pitch 27/30nm，gate length 8/10nm，minimum metal pitch 36/40nm，gate pitch 54/57nm，我們需要考慮的問(wèn)題就是如何通過(guò)光刻工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)這些特征尺寸。7nm Node目前可以實(shí)現(xiàn)7nm 制程的只有臺(tái)積電和三星兩家，三星是從一開(kāi)始就使用EUV光刻機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而臺(tái)積電則是從DUV開(kāi)始實(shí)現(xiàn)，然后再轉(zhuǎn)向EUV 。也就是說(shuō)，目前7nm 制程工藝使用DUV 和 EUV 都是可以實(shí)現(xiàn)的，

臺(tái)積電的初代的7nm工藝，就完全由DUV光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于臺(tái)積電的上一代主要工藝節(jié)點(diǎn)16nm，7nm可以提供3.3倍的電路密度。相同功耗，可以提供35·40%的性能提升。如果基于相同的性能做比較，功耗可降低65%，非常可觀。 后來(lái)，臺(tái)積電基于初代7nm工藝，在生產(chǎn)步驟上進(jìn)行了優(yōu)化，推出了一個(gè)改進(jìn)版本。叫做7nm性能增強(qiáng)版（7nm Performance-enhanced version，n7p）， 性能有所提升，約7%。在引入EUV光刻機(jī)之后，首次應(yīng)用在7nm的一些步驟的改進(jìn)上。一些在DUV光刻機(jī)下需要多次曝光才能夠完成的圖形，由于EUV的引入，可以一次完成。這樣做的好處就是能夠減少多次曝光所引入的不可控的畸變，從而提升芯片的一致性和良率。引入EUV的7nm，被命名為N7plus。根據(jù)臺(tái)積電方面的數(shù)據(jù)，n7plus和初代n7工藝相比，電路密度提升1.2倍，相同功耗情況下，性能可提升10%。相同性能下，功耗可降低15%。這些就是臺(tái)積電DUV和EUV在7nm工藝的差異。
如何用134 nm的光源做成7nm芯片？

目前國(guó)際上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)7nm芯片生產(chǎn)的半導(dǎo)體廠商基本都是采用EUV光刻機(jī)來(lái)生產(chǎn)，但由于中國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)缺乏這類先進(jìn)的光刻機(jī)，因此中芯國(guó)際只能通過(guò)DUV光刻機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)其量產(chǎn)7nm芯片的目標(biāo)。

Q1中芯國(guó)際宣布和阿斯麥簽訂的批量采購(gòu)協(xié)議，期限從原來(lái)的2018年1月1日至2020年12月31日延長(zhǎng)至2021年12月31日，同時(shí)中芯國(guó)際在未來(lái)12個(gè)月內(nèi)就購(gòu)買生產(chǎn)晶圓的阿斯麥產(chǎn)品與后者簽訂買單，總計(jì)約12億美元。阿斯麥發(fā)布公告澄清稱，這份采購(gòu)包主要與DUV（深紫外線）光刻技術(shù)的現(xiàn)有協(xié)議相關(guān)。

值得一提的是，阿斯麥DUV產(chǎn)品分為三種ArFi，ArF和KrF，如果中芯國(guó)際采購(gòu)的是最先進(jìn)的ArFi產(chǎn)品，則暗示中芯生產(chǎn)7nm芯片克服了最大一個(gè)障礙。ArFi產(chǎn)品也是阿斯麥20Q4賣得最好的產(chǎn)品。中芯國(guó)際Q1向阿斯麥訂的12億美元DUV產(chǎn)品是不是ArFi光刻機(jī)，還未得知。

那如何用DUV光刻機(jī)制造工藝尺寸更小的芯片？
假定是ArFi產(chǎn)品，如果要用134 nm的光源刻出更細(xì)的線條，這還需要更多的技術(shù)支持。
我們可以通過(guò)這個(gè)公式來(lái)大致看一下134nm的光源能刻出的工藝分辨率，其中：R，分辨率，比如90nm、65nm、45nm之類。λ，激光的波長(zhǎng)，現(xiàn)在業(yè)界已經(jīng)從248nm過(guò)渡到了現(xiàn)在最常用的134nm，還有更為先進(jìn)的13.5nm。n，為介質(zhì)折射率，空氣約1，水約1.44。NA，為數(shù)值孔徑，和鏡子大小，以及距離有關(guān)。k1，系統(tǒng)常數(shù)，代指掩膜等相關(guān)技術(shù)。
所以通過(guò)這個(gè)公式我們可以大致計(jì)算出，在一般情況下134nm波長(zhǎng)的光源分辨率也就能做到40nm左右。那么接下來(lái)的問(wèn)題就是如何突破這個(gè)所謂的“一般情況”了。對(duì)此業(yè)界大體有兩種解決辦法：浸潤(rùn)式光刻和多重曝光。浸入式光刻技術(shù)是在2000年初首先由麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室亞微米技術(shù)小組提出，他們認(rèn)為在傳統(tǒng)光刻機(jī)的光學(xué)鏡頭與晶圓之間的介質(zhì)可用水替代空氣，以縮短曝光光源波長(zhǎng)和增大鏡頭的數(shù)值孔徑，從而提高分辨率。水與空氣的折射率之比為1.44:1如果用水替代空氣，相當(dāng)于134nm波長(zhǎng)縮短到93nm,如果采用比水介質(zhì)反射率更高的其液體，可獲得比93nm更短的波長(zhǎng)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是運(yùn)用了惠更斯原理，讓光從一種介質(zhì)折射進(jìn)入另一種介質(zhì)，那么在分界點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)波源，向外發(fā)散子波。也就是說(shuō)在這個(gè)過(guò)程中光的波長(zhǎng)發(fā)生了改變，通過(guò)這種方式我們獲得了一個(gè)波長(zhǎng)更小的光源。▲一種多重曝光的流程示意圖
另外一種技術(shù)就是多重曝光了，在圖中最上面是已經(jīng)經(jīng)過(guò)一次Patterning的保護(hù)層（綠色，如SiN）再加上一層光刻膠（藍(lán)色）。光刻膠在新的Mask下被刻出另一組凹槽（中間）。最后光刻膠層被去掉，留下可以進(jìn)一步蝕刻的結(jié)構(gòu)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將本應(yīng)一次曝光的圖形分成兩次甚至更多次曝光來(lái)制作。比如要刻幾條等間距的線，單次曝光可能只能刻出間距100nm的線，那么這時(shí)候稍微再移動(dòng)大概50nm再刻一次，這時(shí)候線與線的間距就變成50nm了。
當(dāng)然除了浸潤(rùn)式光刻和多重曝光，還有很多技術(shù)可以幫助進(jìn)一步減小半導(dǎo)體制造工藝中的關(guān)鍵尺寸。但是比起用各種技術(shù)優(yōu)化，直接更換光源會(huì)有較大的提升，即從波長(zhǎng)為134nm的DUV光刻機(jī)換成波長(zhǎng)大致為13.5nm的EUV光刻機(jī)。
總結(jié)
就目前而言，能夠量產(chǎn)7nm以及7nm芯片的企業(yè)，只有臺(tái)積電和三星，即便是英特爾，也不能自主生產(chǎn)制造7nm芯片，可能要延遲到2022年。這意味著，一旦中芯在4月份成功風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)7nm芯片，其就會(huì)成為全球第三家掌握7nm芯片制造技術(shù)的企業(yè)。
據(jù)了解，臺(tái)積電用DUV光刻機(jī)量產(chǎn)7nm芯片，采用的是多次曝光，至于中芯采用什么辦法試產(chǎn)7nm芯片，暫時(shí)還不得而知。但中芯已經(jīng)規(guī)模量產(chǎn)了N+1工藝的芯片，用梁孟松的話說(shuō)，N+1工藝的芯片，其邏輯面積與臺(tái)積電7nm芯片相當(dāng)，僅僅是性能提升不足。
也就是說(shuō)，中芯在7nm芯片制造上，可能會(huì)采用多次曝光，也可能會(huì)采用類似N+1工藝，準(zhǔn)確消息只能等中芯對(duì)外公布了。
最后，雖然美國(guó)企業(yè)已經(jīng)獲得了向中芯出售14nm以及14nm以上芯片所需要的設(shè)備、技術(shù)等，但7nm等更先進(jìn)制程的芯片，則依舊受限。也就是說(shuō)，即便是中芯在4月份成功試產(chǎn)7nm芯片，掌握了7nm芯片的制造技術(shù)，如果得不到相關(guān)設(shè)備、原材料等，中芯7nm芯片的產(chǎn)能也將是有限的。