現在讓我們來了解一下微影製程對最近半導體生產增加率的下降,和半導體供需穩定產生什麼樣的影響。首先,關於大家經常聽到的 14 奈米 DRAM、4 奈米 AP 等用語,要先說明奈米是什麼意思,以及奈米前面的數字降低(精細製程轉換)究竟意味著什麼。
所謂的幾奈米,意思是晶圓上的電路最細能做到多細,所謂 14 奈米,是指 DRAM 設計時,最小電路寬度(Design Rule)定為 14 奈米,而奈米(nm)是指十億分之 1 米,這樣馬上就能知道 14 奈米 DRAM 的最細線寬是多少。但 14 奈米 DRAM 並非意味著所有電路都是 14 奈米寬,除了最重要的部分以外,其餘部分設計上會有不同寬度的線路。而這就是即使相同 14 奈米 DRAM,各企業晶片大小也不同的原因。
從 16 奈米 DRAM 到 14 奈米 DRAM,最小電路寬度及周圍電路寬度變細的話,DRAM 的晶片尺寸自然會變小。這種製程被稱為精細製程轉換,最近在精細製程的每一代中,晶片約變小 20% 左右的水準。這句話的意思是,如果進行精細製程轉換,同一 12 英寸晶圓生產的半導體量將增加 20% 左右,即降低奈米數字(精細製程轉換),是為了增加產量,降低成本。
那麼,最近微影製程中的困難,使半導體生產成長率下降的說法是什麼意思呢?目前微影設備的主要光刻機是 ArF Immersion(分子雷射搭配濕浸式微影),這是以水為介質,利用光線透水時出現的折射現象的設備。該設備在生產 35 奈米上一代 DRAM 時,即使是半導體電路中最細微的部分,也可以用一道光罩,一下就刻出更精密的電路。
隨著精細化到 30 奈米級以下,該設備無法一次性拍攝出最重要的部分電路圖案。事實上,ArF Emergion 設備的極限是 35 奈米。因此半導體企業針對最精細的部分,設計出一種方式是將電路分為兩個,而不是一個,因為單次曝光已不足以應付線寬縮小所需,線寬之間的間距越來越窄,於是便將曝光分為兩次,這種方式叫做雙重曝光(Double Patterning)。
使用 EUV 設備的話,理論上可以解決雙重等多重曝光精細製程的缺點,也就是可以自然解決生產力減少和投入與產出的下跌問題。最精細的電路部分也可以使用一道光罩一次刻出來,也就是說總製程循環次數可以減少,也不會發生邊緣位置誤差。但實際上即使在使用 EUV 設備的 1A 奈米之後,DRAM 的低生產成長率仍未獲得解決,情況反而更加惡化,其理由如下: