Zijn wafels van 450 mm de toekomst van het maken van chips?

Achter alle nieuwe gadgets en alle coole applicaties die we uitvoeren, liggen de processors, het geheugen en andere componenten die ervoor zorgen dat de systemen werken. En achter dat alles zit halfgeleiderprocestechnologie: de complexe reeks ontwerpen, gereedschappen, materialen en verwerkingsstappen die nodig zijn om werkende transistoren te bouwen die zo klein zijn dat 4000 van hen over de breedte van een mensenhaar passen en miljarden in een chip kunnen assembleren niet groter dan je vingernagel.

Gebaseerd op Semicon West van vorige week, de jaarlijkse show die zich richt op de procestechnologie in tegenstelling tot de processors of de apparaten voor eindgebruikers, lijkt het erop dat de hele industrie klaar is om nieuwe productie te verplaatsen naar 450 mm wafels, beginnend in de komende vijf jaar.

Tegenwoordig worden vrijwel alle belangrijke processors en geheugen gemaakt op 300 mm wafers met een diameter van ongeveer 12 inch. Maar de grootste chipfabrikanten praten al jaren over het overschakelen naar 450 mm wafertechnologie - wafels ongeveer 18 inch breed - omdat deze grotere wafels meer dan twee keer het aantal chips kunnen bevatten, maar hopelijk kosten ze aanzienlijk minder dan twee keer zoveel als 300 mm productie. Tot voor kort slepen veel leveranciers van apparatuur hun voeten, omdat de laatste grote stap van 200 mm naar 300 mm hen uiteindelijk veel kostte in onderzoek en ontwikkeling met relatief weinig te tonen. Maar nu lijkt het erop dat bijna iedereen met het idee instapt.

Tijdens de conferentie toonde Paul A. Farrar, algemeen directeur van het Global 450 Consortium, een groep van de toonaangevende halfgeleiderfabrikanten waaronder GlobalFoundries, Intel, IBM, Samsung en TSMC, gevestigd aan het College of Nanoscale Science and Engineering in Albany, een routekaart met demonstraties van 450 mm op 14 nm in 2013 tot 2015 met de apparatuur gereed voor chipfabrikanten op 10 nm en verder in 2015 tot 2016.

Alle grote fabrikanten hadden het over 450 mm gereedschap. Nikon zei dat het een bestelling van het G450-consortium heeft ontvangen voor een 450 mm 193 nm ArF-immersiescanner die moet worden gebruikt voor procesontwikkeling, en zei dat het ook een bestelling heeft ontvangen van een niet nader genoemde "grote apparaatfabrikant". ASML zei dat het tegelijkertijd 450 mm extreme ultraviolette lithografie (EUV) en onderdompelingstools zal verzenden. Canon liet zien dat het de eerste 450 mm wafel met optisch patroon is, terwijl Molecular Imprints resultaten liet zien voor een wafel van 450 mm met een patroon met lithografie met nano-opdruk.

Eén ding dat deze overgang lijkt te sturen, zijn de stijgende productiekosten op kleinere knooppunten. Hoewel de industrie al jaren over EUV-lithografie spreekt en met name ASML citeert verbeteringen, is dit nog niet klaar voor productie, omdat de huidige tools niet de snelheid en het volume toestaan ​​die de fabrikanten nodig hebben, gedeeltelijk vanwege problemen met de stroombron. ASML zegt dat het nu 11 EUV-systemen in het veld heeft en plannen heeft voor een nieuwe generatie tools met betere stroombronnen, maar niemand maakt volledige productie met EUV omdat de tools niet snel en betrouwbaar genoeg zijn.

In plaats daarvan gebruiken fabrikanten de huidige onderdompelingstools van 193 nm en bij 20 nm en lager worden ze gedwongen om de gereedschappen tweemaal op kritische lagen van de wafer te gebruiken om de precisie te krijgen die ze nodig hebben. Deze dubbele patronen - en mogelijk viervoudige patronen - voegen tijd en kosten toe aan de productie van wafels.

Zoals Ajit Manocha, CEO van GlobalFoundries in een keynote opmerkte, beginnen de kosten van lithografie de totale productiekosten van wafels al te domineren. Met multi-patronen op immersiescanners wordt dit nog erger. "We hebben EUV hard nodig en EUV is nog steeds niet klaar, " zei hij.

Op andere gebieden sprak Manocha over de behoefte aan gieterij-innovatie in het mobiliteitstijdperk, waarbij hij alles besprak, van het 14XM FinFET-proces van het bedrijf tot andere technieken zoals FD-SOI, nanodraden en III-V samengestelde halfgeleiders (hoofdzakelijk chips die meer exotische materialen gebruiken). Interessant genoeg noemde hij een mogelijke overstap naar III-V FinFET's in 2017 voor 7 nm, hoewel het niet als een specifieke verplichting klonk.

Hij zei dat de grootste uitdagingen voor de industrie economische uitdagingen zijn. Bij het knooppunt van 180 nm waren er slechts 15 maskerlagen; op de 20nm / 14nm-knooppunten zijn er meer dan 60 maskerlagen en elke laag biedt meer faalkansen, waardoor een hele wafel onbruikbaar kan worden. "Dit alles klopt echt, " zei hij, en liet zien dat de kosten van het chipontwerp bij 130 nm (wat een decennium geleden gebruikelijk was in de voorhoede en nog steeds wordt gebruikt door sommige achterblijvende chips) $ 15 miljoen was; bij 20 nm is dit $ 150 miljoen. Op dezelfde manier zijn de kosten van procesontwerp gestegen van $ 250 miljoen naar $ 1, 3 miljard, en het fab om de chip te produceren is vandaag gestegen van $ 1, 45 miljard naar ongeveer $ 6, 7 miljard.

Om dit tegen te gaan, hebben andere hulpmiddelenleveranciers het over technieken die verder gaan dan lithografie, zoals chipstapelen met doorgaande siliciumvias (TSV's) die zijn ontworpen om meerdere lagen chips te produceren; en nieuwe hulpmiddelen voor het afzetten en verwijderen van materialen. Bedrijven als Applied Materials, LAM Research, Tokyo Electron en KLA-Tencor werken aan oplossingen.

In ander nieuws van de show sprak Karen Savala, president van SEMI Americas, over de 'renaissance' van de Amerikaanse productie en de rol van de halfgeleiderindustrie, en zei dat de industrie nu goed is voor 245.000 directe banen en ongeveer een miljoen banen in de Amerikaanse toeleveringsketen.

SEMI verwacht dat de apparatuuruitgaven dit jaar licht zullen dalen, gevolgd door een stijging van 21 procent volgend jaar, voornamelijk als gevolg van de aanhoudende gieterijuitgaven voor 20 nm productie, nieuwe NAND-flitsfabrieken oplopen en Intel's upgrade van zijn fab in Ierland.