450 millimeter wafers maken EUV-vertraging goed

Reading time: 7 minutes

Author:

Door de vertraging die EUV-lithografie heeft opgelopen, stapt de IC-industrie af van het pad dat de wet van Moore had uitgetekend. Alleen migratie naar 450 millimeter wafers zou de schade kunnen herstellen, vertelde technisch topman Martin van den Brink van ASML op de ISSCC.

Chipfabrikanten zijn bezorgd over de kosten van lithografie. De prijs die zij per transistor moeten betalen, stijgt fors bij elke sprong die zij maken op de technologieroadmap. Volgens analisten van Barclays spendeerde TSMC bijvoorbeeld zeventien miljoen dollar aan scanners om duizend wafers starts per maand te realiseren op het 32/28-nanometerknooppunt. Bij de 22/20-nanometernode zal dat bedrag oplopen naar 27 miljoen. De oorzaak: de toename van het benodigde aantal belichtingen per chip, mede door een sterke stijging van het aantal double patterning-stappen (DP).

Op het 14-nanometerknooppunt zouden de lithokosten met de huidige immersietechnieken helemaal de pan uit rijzen, maar chipfabrikanten moeten toch wat. Een alternatieve patroneringsmethode is er niet; EUV-lithografie is nog altijd niet toe aan het hoofdpodium en geen enkele niet-optische technologie heeft prestaties laten zien die de industrie aan haar keuze voor EUV doen twijfelen. Chips van de 14-nanometergeneratie zullen dan ook de eerste in de geschiedenis van de moderne IC-industrie zijn die niet de dubbele transistordichtheid hebben ten opzichte van hun voorgangers.

Chipfabrikanten gaan verschillend om met deze hobbel op de roadmap. Het vrij ’eendimensionale‘ Nand-geheugen laat zich relatief eenvoudig opdelen en is dus het meest compatibel met multipatterning (MP). DRam- en logicapatronen daarentegen zijn meer willekeurig en lenen zich daar minder goed voor, tenzij chipmakers hun ontwerpregels MP-vriendelijker maken. Het zal binnen de toleranties van het productieproces echter lastig worden om de volledige schalingsstap van 22 naar 14 nanometer te maken. Logicafabrikanten die toch voor deze strategie kiezen, komen waarschijnlijk niet verder dan 16- of 17-nanometerchips, ook al zal dat ze er niet van weerhouden er toch een 14-nanometersticker op te plakken.

Andere logicaproducenten laten de krimpslag van 20 naar 14 nanometer zelfs helemaal voor wat hij is en gebruiken de 14-nanometergeneratie om Finfet- of SOI-technologie te introduceren (zie Figuur 1). Met deze aanpak wordt de performancewinst primair geboekt met een nieuw transistortype, niet door reductie van dimensies, die op de specificaties van het 20-nanometerknooppunt blijven hangen.

Voor welke oplossing chipproducenten – uitgezonderd wellicht Nand-makers – ook kiezen, zij wijken noodgedwongen af van het schalingstempo dat de wet van Moore voorschrijft. Zonder inhaalslag zal deze tijdelijke stilstand nooit meer worden ingelopen. Zelfs de introductie van EUV zal de kosten per gate niet op magische wijze resetten, tenzij de proceskosten veel lager uitvallen dan voor 193-nanometerlithografie – en dat is niet erg waarschijnlijk.

Maar er is hoop, vertelde technisch topman Martin van den Brink van ASML vorige maand op dé vakconferentie voor chipontwerpers, de ISSCC in San Francisco. In zijn keynote opperde hij dat door migratie naar 450 millimeter wafers de schade mogelijk over een paar jaar toch nog kan worden ingehaald. De chipindustrie zit dan op het 7-nanometerknooppunt.

Kunnen dat soort chips überhaupt wel worden gemaakt? Jazeker, procestechnologisch is dat allemaal mogelijk, verzekerde Van den Brink zijn gehoor. Maar, voegde hij er aan toe, de vraag is of dat gaat lukken zonder dat chipfabrikanten erop moeten toeleggen. Vervolgens gaf hij een update over de laatste stand van zaken bij ASML, gezien het toenemende gewicht van lithografische kosten in de totale chipproductiekosten dé sleutelspeler in de inspanningen om dit te realiseren.

EUV

Van den Brink toonde plaatjes van 13-nanometerlijntjes- en 18-nanometergaatjespatronen (beide half-pitch) gemaakt met ASML‘s meest geavanceerde EUV-machine, de NXE:3300B. Deze dimensies zijn state-of-the-art; nooit eerder lukte het om dit soort patronen met één belichtingsstap te creëren. Een ander sterk staaltje is dat ASML twee patronen met slechts 3,5 nanometer marge over elkaar heen kan laten vallen, terwijl ze in twee verschillende machines zijn belicht – een in een NXE:3300B en een in een NXT:1950-immersiescanner.

Met deze resultaten lijkt de lithografie van het 10-nanometerknooppunt afgedekt. Van den Brink benadrukte dat EUV tegen die tijd dan ook veruit de beste optie is, maar geen van zijn klanten zal hem op zijn woord geloven. De meeste houden in ieder geval alle opties open, en de vakmedia laten regelmatig woordvoerders van bedrijven aan het woord die EUV voor 10 nanometer al hebben afgeschreven. Lithografie-expert, blogger en EUV-scepticus Chris Mack zei tegen website Semiconductor Manufacturing & Design dat hij er niet aan twijfelt dat optische lithografie het eeuwige leven heeft. Hij gaat ervan uit dat de industrie leert leven met meer restrictieve ontwerpregels. EUV is volgens hem indrukwekkend, maar te laat. ASML houdt echter vast aan zijn standpunt dat de beloofde zeventig wafers per uur in 2014 genoeg speelruimte biedt om ongeveer twee jaar later 10-nanometerchips te gaan produceren.

Figuur 1: Door de vertraagde ingebruikname van EUV-lithografie staan chipfabrikanten voor een dilemma bij de sprong van 20- naar 14-nanometerchips. Sommige kiezen voor hun oude 20-nanometerproces met ’nieuwe‘ SOI- of Finfet-technologie. Bron: ASML

Tussen het inlossen van deze belofte en de huidige stand van zaken staan twee obstakels: het vermogen van de bron en de defectdichtheid van het EUV-masker. Van den Brink liet op de ISSCC nog dezelfde cijfers over de EUV-bron zien als ASML al bij de eerstekwartaalcijfers in januari had gepresenteerd, maar op de al even prominente SPIE Advanced Lithography-conferentie in San José een week later kon ASML kersverse resultaten onthullen met dochter Cymer.

De partners wisten zes uur lang zeer stabiel 40 watt EUV-licht op een wafer te schijnen in een NXE:3100-preproductiescanner en een uur lang een iets minder stabiele 55 watt. In januari stond het record op zes keer een uur lang 40 watt. Omdat in de NXE:3300-productiemachine minder licht verloren gaat, heeft EUV-lithografie nu ongeveer 80 watt betekenisvol (maar geen productiewaardig) vermogen bereikt. Het doel is minimaal 105 watt in 2014, het vermogen dat zeventig wafers per uur ontsluit in de NXE:3300.

Minder in de schijnwerpers staan oneffenheden en stofjes op het EUV-masker, maar deze vormen evenzeer een knelpunt. Bij ArF-lithografie kunnen deeltjes tot wel een micron groot worden getolereerd, omdat een vliesje het masker beschermt. Een stofje op dit pellicle wordt uit focus afgebeeld. Voor EUV leek dit geen oplossing, omdat EUV-straling door bijna alle materialen wordt geabsorbeerd. Zonder pellicle zijn echter zelfs nanometergrote stofjes al een probleem.

Hoewel de defectdichtheid van EUV-maskers sinds 2010 meer dan twee ordegroottes is afgenomen, bleek dat tempo waarschijnlijk niet hoog genoeg om het vereiste niveau op tijd te behalen. ASML startte daarop alsnog een programma om een pellicle voor EUV te ontwikkelen, en Van den Brink kon op de ISSCC melden dat dat vruchten begint af te werpen. Het beste pellicle nu voorhanden is tachtig millimeter in doorsnee, 25 nanometer dik en laat 83 procent van het licht door. Het doel is negentig procent transmissie, wat Van den Brink hardop een haalbaar doel noemde.

Aangenomen dat EUV alle hordes neemt en op 10 nanometer zijn entree maakt in de commerciële productie, volgt twee jaar later alweer het 7-nanometerknooppunt. De huidige generatie EUV-machines kan de meest complexe lagen van 7-nanometerchips niet in één belichtingsstap patroneren. Er moet dan alweer DP aan te pas komen, aangevuld met holistische technieken. Holistische lithografie is de term die ASML oorspronkelijk gebruikte voor een verzameling methodes – softwareoptimalisatie, metrologische feedbackloops en dergelijke – om de prestaties van zijn immersiescanners te verbeteren. Veel van deze kennis is ook op EUV toepasbaar.

Parallel werkt ASML aan de volgende generatie EUV-machines, die met een grotere lensopening een hogere resolutie zal realiseren, en onderzoekt het de mogelijkheid met nog kortere golflengtes (circa 6,7 nanometer) te werken. EUV zal daarmee schaling tot onder de 5 nanometer mogelijk maken, zei Van den Brink.

450 mm

De topman deed op de ISSCC ook een boekje open over ASML‘s 450-millimeterambities, een onderwerp waarover hij zich overigens opmerkelijk voorzichtig uitdrukte. Waar na een paar jaar gesteggel algemeen werd aangenomen dat de transitie naar 450 millimeter plakken een gegeven was geworden toen ASML en Intel een deal daaromtrent aankondigden, observeerde Van den Brink zuinigjes dat er nog maar weinig animo voor lijkt te zijn in de industrie. Nochtans bestaat er sinds eind 2011 een heus ontwikkelconsortium voor 450-millimetertechnologie, genaamd G450C.

Het interessante van 450 millimeter wafers is dat het juist voor de lithografie al een hele klus wordt om het kostenplaatje gelijk te houden. Indien 300 millimeter lineair naar 450 millimeter geschaald zou worden, neemt de prijs per vierkante meter silicium met ongeveer een vijfde toe. Dat komt doordat een lithoscanner een wafer stukje voor stukje afwerkt en het dus langer duurt om een groter oppervlak te belichten. Om deze prijsstijging te voorkomen, moet de verwerkingssnelheid per oppervlakte-eenheid omhoog, terwijl verplaatsing van grotere en zwaardere wafers in principe juist langzamer gaat.

Van den Brink vertelde dat ASML zich committeert aan een prestatieniveau waarbij de kosten per vierkante meter silicium gelijk blijven vergeleken met 300 millimeter plakken. Wat betreft de lithografie hebben zijn klanten dus niks aan de transitie, maar deze hebben uitgerekend dat zij dat in de rest van het productieproces – waar de verwerkingssnelheid van de meeste stappen bijna onafhankelijk is van het oppervlak – meer dan goedmaken.

ASML levert de eerste 450-millimetermachine in 2015 uit, de QXE. Dat zal een EUV-machine zijn, gebaseerd op de bestaande EUV-architectuur, die op de grotere schijven was voorbereid. In 2016 volgt een nieuw ontworpen immersieversie, waarna volumeproductie in 2018 kan beginnen.