從平面器件到finFET的轉變使得芯片制造商能夠將工藝和器件從16nm/14nm向更密集的方向發展，但是行業在每個節點處都面臨諸多挑戰。

成本問題和技術問題都是明顯的挑戰。此外，cycle time也在逐漸增加，這是芯片尺寸縮小公式中的一個關鍵但很少宣傳的因素，這為芯片制造商和客戶帶來了更多的擔憂。事實上，成本、技術障礙和cycle time都是摩爾定律持續放緩的原因。

cycle time是晶圓廠從開始加工一個晶圓批次到該批次加工完成所花費的時間。通常，晶圓批次由25個芯片組成，它在晶圓廠的各種工藝步驟之間移動。先進的邏輯工藝可以有600到1000個步驟，甚至更多。

查看cycle time的一個簡單方法是在晶圓廠中應用稱為Little's Law（利特爾法則）的概率理論。在這種情況下，根據KLA-Tencor公司的理論，cycle time等于起始速率上的在制品（WIP）。例如，根據KLA-Tencor的數據，如果晶圓廠有12000個批次，每月處理4000個批次，則總cycle time為3個月。

圖1：何為cycle time？（來源：KLA-Tencor）

這聽起來很簡單，但在現實世界中并不奏效。例如，與平面器件相比，3D NAND和finFET具有更多層的復雜3D結構。處理它們需要更多的步驟，這會增加晶圓廠的cycle time。

為了防止cycle time的增加，芯片制造商需要更快的設備，曝光工具成為了重中之重。作為回應，設備供應商正在制造具有更高生產能力的工具。這些工具還可以處理更先進和更微小的結構。

盡管生產能力有了提升，但是隨著更多的多重曝光步驟和其他工藝的轉變，cycle time仍然在增加。加州大學伯克利分校工業工程與運營研究教授Robert Leachman說：“我們的流程和產品的復雜性比工具的生產率提升的速度更快。雖然我們更擅長運營工廠，工具也變得好很多，但是制造芯片仍然需要花費更長時間。”

通常，制造廠中最常用的cycle time量度是“每層掩膜的天數”。平均來說，制造廠需要1到1.5天的時間來處理一層。最好的晶圓廠是0.8天，Leachman表示。

28nm器件有40至50個掩膜層。相比之下，14nm/10nm器件有60層，預計7nm可以增長到80到85層，5nm可能有100層。因此，使用今天的平版印刷技術，28nm的cycle time大約為40天，14nm/10nm為60天，7nm則增加到80到85天。如果5nm仍使用今天的技術，不用極紫外光刻的話，則會達到100天。

為了使事情復雜化，晶圓廠的cycle time在一項工藝的初期會增加，但隨著技術的成熟而下降。在此過程中，cycle time可能會受晶圓廠中可變因素的影響。最大的問題涉及到處理各個工藝步驟之間的等待時間。

圖2：可變因素對生產能力和cycle time的影響。（來源: Fabtime）

考慮到這些問題，芯片制造商可能會遇到延遲給定工藝過程的問題。隨著復雜性的增加，延遲發生的概率會更高。潛在的延遲可能會增加晶圓廠成本以及影響芯片客戶的產品上市時間。這很難轉化為成本，但這意味著雙方的收入都會蒙受損失。

總而言之，雖然解決的問題越來越大，但是cycle time不斷增加并不奇怪。Leachman說：“每個存儲單元或晶體管的成本仍然下降。隨著我們走向摩爾定律最后階段，成本下降的速度可能要比以前慢很多。但是我們得到它們的速度不會下降。它正在加速。這是一個很大的挑戰。它價值連城，非常困難，我們做得并不好。”

cycle time不限于晶圓廠。同時也是掩膜部門和其他IC流程的一個問題。總而言之，客戶將需要更好地處理cycle time問題，以便對設計日程有更切合實際的期望。

掩膜部門的問題

涉及cycle time的問題始于掩膜部門。在流程中，芯片制造商設計一個IC，然后將其轉換為文件格式。然后基于該文件格式開發光掩膜。

光掩膜是IC設計的主模板。掩膜開發后，將其運送到晶圓廠并放置在光刻機中。光刻機投射光線透過掩膜，將圖像曝光在芯片上。

所以掩膜和光刻被綁定在了一起。今天，芯片制造商使用193nm波長光刻技術在芯片上打印微小的特征。實際上，193nm光刻在80nm半節距處達到了它的極限。

為了擴展193nm光刻，芯片制造商使用稱為光學鄰近校正（OPC）的掩膜版增強技術（RET）。OPC充分利用微小的形狀，以及次解析度輔助特性（SRAF）。SRAF放置在掩膜上，修改掩膜圖案以改善芯片上的可印刷性。然而，在20nm處，SRAF在掩膜上變得太密集，難以在芯片上打印可辨別的特征。

為了解決這個問題，邏輯廠商將目光轉移到多重曝光。MentorGraphics高級物理驗證方法的項目經理David Abercrombie在一篇博客中解釋說：“對于多重曝光，原始的掩膜形狀在兩個或更多個掩膜之間被劃分，使得每個形狀都具有足夠的空間，以便OPC操作使其可打印。然后單獨打印每個掩膜，最終將整套原始形狀的圖像成像到芯片上。”

多重曝光使行業能夠縮小IC尺寸，但對掩膜有一些影響。SRAF正在變得越來越小，越來越復雜。D2S首席執行官Aki Fujimura表示：“除此之外，多重曝光還需要更多的掩膜。每個掩膜的倍增需要更長的時間才能產生，并且需要更多的掩膜，這會在給客戶返回樣片時引起問題。”

復雜性影響光掩膜生產的cycle time。掩膜制造商使用術語“周轉時間（turnaround time，TAT）”，而不是cycle time，TAT是指制作和發布掩膜的時間。

根據Beam Initiative的“掩膜制造商調查”，28nm掩膜的TAT約為7.28天。對于16nm/20nm掩膜，TAT增加到了12.82天。雖然在調查中沒有分析增加的原因，但一種可能性是多重曝光的來臨。

根據調查，14nm掩膜的TAT下降到8.67天。雖然也沒有分析其原因，但這可能是由芯片制造商積累了更多的多重曝光經驗所導致的。在10nm/7nm處，TAT預計將增加到9.52天。

圖3：TAT再次上升（來源：eBeam Initiative）

Dai Nippon Printing（DNP）的研究員Naoya Hayashi說：“TAT更長的原因是寫入時間、檢查時間和驗證時間。”

寫入時間是罪魁禍首。如上所述，IC設計要轉換為文件格式。該格式被轉換成電子束掩膜寫入器的一組指令。這個過程稱為掩膜數據準備（MDP）。

然后，電子束掩膜寫入器將指令和圖案微小的特征寫入掩膜。但隨著掩膜復雜性的增加，電子束需要更長的時間來寫入它們。

幸運的是，我們有解決方案。最近，IMS Nanofabrication引入了一個多光束掩膜寫入器。它配備262,144個光束，系統可以在10小時內寫完一個光學掩膜，而傳統工具要寫30小時。

NuFlare正在開發一個類似的系統。“多光束寫入有助于TAT，因為寫入時間與形狀的數量和復雜性無關。”D2S的Fujimura說。

還有其他問題。Fujimura說：“掩膜形狀需要更小、更復雜，以滿足所需的晶圓加工余量、劑量控制和實現線性校正所需的形狀校正。這需要增加數據準備的處理時間。”

一方面，D2S開發了可以加快MDP和其他流程的平臺。但距離掩膜部門的要求還有差距，該行業希望有更快的過程控制工具和其他系統。

晶圓廠內部

一旦掩膜完成，便被運送到晶圓廠。根據加州大學伯克利分校的理論，晶圓廠每月有50,000個晶圓開始制造，晶圓廠可能需要以下設備：

?50臺掃描式/步進式光刻機加上晶圓軌道；

?10臺大電流和8個中等電流離子注入機；

?40臺刻蝕機

?30種CVD工具

晶圓廠還需要清潔系統和過程控制工具。

晶圓廠是使用自動化材料處理系統（AMHS）的自動化工廠。為此，芯片在一種稱為前端開啟式晶圓傳送盒（FOUP）的封閉容器中進行加工和運輸。使用高架式芯片運輸車（OHT）系統將FOUP從一組設備運送到另一組。據Daifuku說，在大型晶圓廠中，OHT軌道可以長達10公里，可容納數百輛汽車。

圖4：統一的晶圓廠運輸系統（來源：Daifuku）

為了讓所有工作一齊進行，晶圓廠使用了各種工廠自動化技術。 供應商還使用WIP流程技術（如實時分發和調度）來協調制造流程。

除物流外，晶圓廠管理者也在關注其他事宜。KLA-Tencor全球客戶組織高級總監Robert Cappel表示：“管理者關心成本、cycle time和可預測的收益。芯片制造商的目標是用可接受的成本來制造可靠的器件。cycle time也是關鍵。我每天都在晶圓廠中，cycle time的增加會花費我更多的錢。”

然而，控制cycle time是具有挑戰性的。例如，晶圓廠工具具有一定的生產能力規格，相當于確定的cycle time。Cappel說：“這就像是工作在完美的世界中，但cycle time中有更多的組分。有處理時間，然后有等待使用工具的排隊時間。”

事實上，cycle time的最大組分是等待時間。可變因素、操作員延遲、設備安裝錯誤，以及設備停機也是等式的一部分。此外，晶圓廠的利用率也是組合的一部分。ASML產品營銷總監Michael Lercel說：“如果以很低的利用率運營晶圓廠，您的加工時間會非常原始。但是，如果以更高的利用率運營晶圓廠，排隊時間就會變得更長。”

如果這還不夠，則還有其他問題。三星半導體研發中心的技術人員Han Jin Lim表示：“隨著器件的復雜性日益增加，晶圓廠工具的生產率下降了。”

考慮到這一點，芯片制造商需要更快的工具。但不是所有的流程步驟都需要更高的生產能力工具，特別是對于一些非關鍵層。

AppliedMaterials副總裁兼圖案和封裝部門總經理Prabu Raja說：“有些工具需要cycle time和生產能力的顯著改善。”

總而言之，cycle time是一個復雜的問題，它有許多變量。以下是公式：

圖5：Cycle time的組分（來源：KLA-Tencor）

Cycle time的瓶頸

顯然，芯片制造商希望在四個主要領域保持一定的cycle time。它們是：圖案形成、前段工程（FEOL），后段工程（BEOL）和不增值作業。FEOL是在晶圓廠形成晶體管的地方，而BEOL是制造銅互連的地方。不增值作業包括計量和檢驗。

finFET制造工藝從圖案形成開始，這是cycle time最大的瓶頸。三星的Lim表示：“隨著圖案復雜性的增加，晶圓廠工具的cycle time也將增加，包括從FEOL到BEOL的所有步驟。”

在今天的多重曝光流程中，芯片制造商實施了兩步加工——畫線和切割。首先，使用一種稱為自對準二重/四重圖案（SADP/SAQP）的技術在器件上畫細線。 SADP/SAQP使用一個光刻步驟以及額外的沉積和蝕刻步驟。

圖6：SADP金屬工藝，其中的間隔物是電介質（來源：Mentor Graphics）

對于切割，芯片制造商使用SADP/SAQP，或雙重曝光工藝。雙重曝光有時被稱為曝光-刻蝕-曝光-刻蝕（LELE）。三重曝光包括LELELE。

對于多重曝光中，7nm工藝所進行沉積、蝕刻和清潔步驟是16nm/14nm的兩倍。 Coventor首席技術官David Fried表示：“隨著我們從簡單的一次曝光，到大多數28nm工藝所采用的多重曝光，步驟數增加得很快。現在，有三個切割級別的SAQP流程可能有60步操作，如沉積、蝕刻、清潔、旋轉和曝光。”

在SADP流程中，可以使用抗蝕劑來繪制圖層。然后在抗蝕劑上沉積一層，再次蝕刻，直到沉積物留在抗蝕劑線的兩側。然后去除掉抗蝕劑。專家指出，SADP無需兩個完整的光刻循環，因此不會增加循環時間。

然后就是LELE。如果進行兩次完整的光刻/蝕刻循環來創建雙重曝光，那么循環時間會增加。據專家介紹，如果您的工藝有25個光刻層，其中有5層需要雙重曝光，那么您將會有30個光刻循環。

“這是看待問題的另一種方法，對于LELE雙重曝光，層的cycle time可能會加倍，因為您必須重復照相/蝕刻/去膠過程，三重曝光會增加三倍的cycle time，依此類推。”Mentor的Abercrombie說。

還有其他因素，如定位誤差（overlay）和整體設備效率（OEE）。定位誤差涉及到光刻機將各種掩膜層精確對準的能力。根據加州大學伯克利分校的理論，OEE是指完成的工作量除以總時間。

加州大學伯克利分校的Leachman表示：“將所有這些都加起來。如果你在某些層上做三重曝光，你會有50到60層，這需要很長時間。你要面對這些步驟所有的等待時間。減少cycle time的真正戰斗在于減少等待時間。一個晶圓必須等待所有晶圓都通過了流水線才會離開。即使每個芯片通過光刻機只需1分鐘，從這個批次開始到機器人將它運走仍會花費45分鐘的時間。”

有解決方案嗎？

同時，每家芯片制造商都有給定工藝過程的設定cycle time。為每個工藝過程指定cycle time非常困難，但很顯然，cycle time正在增加。

那么解決方案有哪些？可以肯定的是，工具廠商正在進行改進。不久前，193nm光刻機每小時處理量為100片。ASML的Lercel說：“現在，光刻機每小時處理275個晶圓，而且精度更高。”

如果行業采用EUV，情況可能會不同。他表示，例如，在7nm工藝中使用EUV，cycle time至少減少一個月。

沉積和蝕刻工具的供應商也在進行改進。Lam Research全球產品集團首席技術官Yang Pan說：“最終，這事關良品的數目，而且想得到良品有許多因素需要考慮。這包括：在沉積過程中降低薄膜應力，滿足finFET特性的苛刻要求，特征從頂部一直到底部的蝕刻，減少可變因素，等等”

多重曝光還需要使用一種稱為原子層沉積（ALD）的緩慢工藝制造的薄膜。為了加快這個過程，有些廠商提供了多晶圓系統。Pan說：“我們已經證明，更多地利用（多晶圓）工藝架構固有的生產力優勢對于厚膜沉積堆疊至關重要。”

的確，這需要一個整體的方法。Applied Materials公司蝕刻和圖案策略和市場營銷副總裁Uday Mitra說：“我們與客戶合作，簡化了多重曝光中使用的工藝流程，從而減少了工藝步驟和成本，同時降低了cycle time和工藝引起的變化。這可以通過在隔膜、硬掩膜、間隙填充，和高選擇性蝕刻能力的過程中使用新型薄膜來實現。”

在另一種方法中，業界繼續開發新的集群工具。 AppliedMaterials的Raja說：“現在有更多的集成工具，例如沉積和蝕刻。現在，我們可以把沉積和蝕刻放在一起，把外延和時刻放在一起，把CVD和PVD放在一起。這些類型的集成系統消除了排隊時間。”

另一個策略是早日解決問題。為此，芯片制造商應該加強他們的計量和檢查工作。發現缺陷，或檢測線路中的可變因素可以解決一些問題。“過程控制可以幫助您縮短cycle time，把cycle time做到最好的人有更多的過程控制程序。”KLA-Tencor的Cappel說。