TSMC в 2013 году запускает FinFET-технологию и испытывает EUV на 10 нм

Встречая жесткую конкуренцию со стороны Globalfoundries и Samsung, TSMC взялась за планы по запуску производства на своем 16-нм FinFET техпроцессе к концу 2013 г. К тому же, она надеется внедрить литографию жесткого ультрафиолета в производство 10-нм микросхем в конце 2015 г., но продолжает заниматься исследованиями электронно-лучевой литографии в качестве альтернативы.

Руководители компании подробно охарактеризовали новые техпроцессы и методы их достижения на ежегодном симпозиуме в Сан-Хосе (США). Они также представили новинки своей работы в области 3-D-стеков и всё возрастающего производства на сегодняшней технорме 28 нм.

«Похоже, у нас есть еще семь-восемь лет впереди, может больше, и мы сможем увидеть уменьшение технологической нормы до 10 и даже до 7 нм», – сказал Моррис Чанг (Morris Chang), основатель и глава компании TSMC, выступая перед небольшой группой журналистов после основного доклада на симпозиуме. «Закон Мура продолжит действовать и мы вместе с ним – если кто-нибудь следует ему, мы тоже будем следовать ему», – сказал он перед аудиторией из нескольких сотен конструкторов микросхем.

«Закон Мура имеет еще 7-8 лет в запасе», – сказал основатель TSMC Моррис Чанг

Чанг, как ветеран полупроводниковой индустрии (более 50 лет в отрасли!), прогнозирует 4%-ный рост производства в этом году. «Бесфабричные компании, вероятно, смогут воспользоваться 9%-ным ростом в этом году и также мы оптимистичны относительно себя – мы ожидаем рост более 10%», – сказал он.

Чанг заявил, что в 2013 г. TSMC потратит более 9 млрд долл. на основные средства. Это больше, чем 2 млрд долл. вложенных в 2009 г.

Стремительный рост на техпроцессе 28 нм

Большая доля роста в этом году пришлась на техпроцесс 28 нм. Всего годом ранее Пол Джейкобс, глава компании Qualcomm (одного из ключевых хаказчиков TSMC), рассказывал своим инвесторам, что компания может продавать больше передовых микросхем, чем их можно сделать на TSMC, и повсюду искал производственные мощности.

В июне 2010 г. TSMC открыла строительную площадку на так называемой гигафабрике 15 в Тайчжуне (Тайвань), которая планировалась как производственный центр для 28-нм микросхем. В апреле 2012 г., всего через 22 месяца, на ней началось производство на половине запланированных мощностей, что является рекордом для фаундри в Тайване.

Через восемь месяцев она «выбрасывала» по 50 тыс. 28-нм пластин в месяц – еще один рекорд, – но этого было все еще недостаточно. Поэтому в следующем месяце вторая половина мощностей начала выпуск подложек и в течение пяти месяцев ожидается, что будет побит старый рекорд и добавлено еще 50 тыс. 28-нм подложек в месяц. «Этот масштаб трудно осознать», – сказал Чанг.

«Беспрецедентный рост поставок 28-нм микросхем совпал с ускорением показателей выхода годных и объемов производства», – сказал Джей Кей Ванг (J.K Wang), ответственный за 300-мм фабрики. Компания ожидает даже более резкого роста на 20 и 16 нм, поэтому у нее есть несколько тысяч инженеров, которые сегодня ведут подготовку к этим технормам на оборудовании фабрик 12 и 14.

Сейчас TSMC вводит в действие три новых фабрики каждый год

«В прошлом мы строили одну очередь новой фабрики за год, а сейчас мы, как правило, начинаем три новых очереди в год», – сказал Ванг.

Сейчас компания оценивает свой общий объем производства в 1,3 млн подложек логики в месяц, значительно опережая Samsung, который находится на втором месте с показателем около 900 000 подложек логики в месяц. По оценкам компании, если рост продолжится, к 2017 г. объем производства достигнет чудовищных 13,5 млн подложек в месяц.

Следующий этап – 20-нм техпроцесс

Некоторые промышленные эксперты говорят, что 20 нм будет промежуточной технормой для отработки трудностей литографии двухкратного экспонирования, но не предоставляющей значительных преимуществ конструкторам микросхем. Не говорите этого Джеку Сану (Jack Sun), главному технологу TSMC!

Он предсказывает, что к 2017 г. TSMC будет производить 20-нм микросхем не меньше, чем сейчас 28-нм ИС. Он утверждает, что этот техпроцесс предполагает увеличение плотности затворов в 1,9 раза по сравнению с высокопроизводительным 28-нм техпроцессом, хотя предполагаемый конкурент Globalfoundries обеспечит только 16%-ное увеличение плотности на 20-нм техпроцессе.

Сан также заявил, что 20-нм микросхемы смогут достичь быстродействия на 20% выше или энергопотребления на 30% меньше, чем 28-нм микросхемы. Это существенно, хотя не настолько как для традиционных основных техпроцессов. «Следующий за ним 16-нм техпроцесс будет иметь подобные характеристики, а будущий 10-нм техпроцесс будет большие преимущества», – сказал он.

TSMC ожидает получить в этом году в примерно 20 проектов на 20-нм техпроцессе на своих фабриках fab12 и fab14. «Массовое производство на этом техпроцессе действительно начнется в 2014 г.», – сказал Ванг.

«20-нм техпроцесс достигнет тех же объемов, что и 28-нм, к 2017 г.», – прогнозирует Сан.

Дизайны, использующие шаг элементов 80–90 нм, могут быть построены с использованием однократного экспонирования. Но более тонкие линии потребуют второго прохода через сканер иммерсионной литографии.

«Экосистема уже готова, – сказал Клифф Хоу (Cliff Hou), вице-президент по исследованиям и разработке в TSMC. – 38 функций из 28 инструментов EDA были протестированы для 20 нм, 185 проектных наборов уже доступны для техпроцесса, а также и основные IP-блоки и IP-блоки критического интерфейса были проверены».

«TSMC ожидает в мае выхода с фабрики 20-нм тестового устройства, основанного на ядре ARM Cortex A15», – сказал Хоу.

Путь FinFET короче, чем ожидалось

TSMC удивила Кремниевую долину, объявив о начале производства в конце года первых 16-нм подложек с FinFET. Это соответствует графику, объявленному Globalfoundries и Samsung здесь в Сан-Хосе всего несколько недель назад.

В целом, индустрия планирует взять опыт, накопленный в производстве 20-нм микросхем с двухратной иммерсионной литографией, и скопировать на него 3D-транзисторные структуры. Такой ход дает преимущества в плотности, энергопотреблении и производительности, которые, однако, меньше чем для основного техпроцесса.

«Мы уверены, что 16-нм FinFET-техпроцесс выйдет на максимальный объем производства в следующем году», – сказал Сан.

TSMC показала диаграмму, доказывающую, что 64-битное ядро ARM в 16-нм техпроцессе будет иметь на 90% большую производительность, чем 32-битное ядро ARM A9 в 28-нм техпроцессе. Для сравнения, по оценке TSMC, ARM A15 в 20-нм техпроцессе даст около 40% прироста.

Три крупнейшие фаундри-компании планируют начать поставки FinFET в 2014 г.

«Текущие испытания 16-нм техпроцесса с использованием 128-Мб SRAM дают результат «с опережением плана», – сказал Сан. – Ядро работает с напряжением 0,8 В, схемы ввода/вывода – с 1,8 В».

«Основные IP, такие как стандартные ячейки и ячейки памяти, уже готовы для нового техпроцесса. Однако первые блоки критичных интерфейсов не будут тестироваться до июня», – уточнил Хоу.

Взгляд в туманное 10-нм будущее

В конце 2015 г. TSMC надеется начать поставки своих первых 10-нм подложек с использованием литографии жесткого ультрафиолета (EUV). Ключевое слово здесь – «надеется».

TSMC работала с EUV-сканером NXE3100 и продемонстрировала его применение для получения ребер FinFET за один цикл. Она надеется скоро получить NXE3300.

Уклоняясь от своих обещаний, TSMC прокладывает путь в многолучевой электронной литографии, которая, по словам Джека Сана «показывает хороший прогресс». «Она использует параллельные лучи для повышения пропускной способности, которая пока остается слишком малой, но «прототипы оборудования показывают перспективу того, что в будущем их стоимость эксплуатации может быть ниже чем для EUV», – добавил он.

TSMC сегодня изготавливает прототипы FinFET на установке NXE3100 (на фото)

Даже если EUV достигнет своих целей, 10-нм техпроцесс все равно потребует использования методов самосовмещения с иммерсионной литографией, чтобы минимизировать необходимость EUV только для нескольких критичных слоев. TSMC также проектирует так называемое G-правило, которое автоматизирует сложный процесс решения цветовых конфликтов при двухкратном экспонировании.

Если все пойдет хорошо, 10-нм техпроцесс сможет предложить 90%-ное увеличение плотности затворов. Он также сможет обеспечить 35%-ное увеличение быстродействия при той же потребляемой мощности или 40%-ное снижение потребляемой мощности на той же частоте, что и 16-нм изделие», – предположил Сан.

3-D-стеки и 450-мм подложки

Хорошие новости о 3-D-стеках. TSMC сейчас выжимает более 95% годных на некоторых видах 2,5-D дизайнов с промежуточным кремнием, изобретенных Xilinx – с четырьмя FPGA, размещенными подряд на кремниевой вставке. Компания ожидает множество проектов таких устройств уже в этом году.

«Это возможность начать с простого и хороший старт в 3-D», – сказал Сан, отметив, что вставки будут иметь размер от 100 до 50 микрон.

Это только начало для 3-D вертикальных стеков, использующих межслойные переходы через кремний. TSV (межслойные переходы через кремний) имеют размеры от 6 до 2 микрон и сейчас в работе находится много разных прототипов.

В прошлом году TSMC испытывала 2,5-D стек, несущий рядом 40-нм логику и кристалл памяти стандарта Wide I/O (с широкой шиной) от SK Hynix. Кристаллы Wide I/O прошли испытания на соответствие спецификации Jedec, но многие испытания еще проводятся.

В мае TSMC надеется подготовить проект «правильного 3-D-стека ИС» на 28-нм норме с микросхемами памяти», сказал Хоу. Позже компания попытается создать новейшую логику и память в вертикальном стеке с TSV.

Сан прогнозирует, что такие микросхемы могут быть готовы к производству в 2015 или 2016 году, что согласуется с недавними оценками от Globalfoundries. «Между тем, еще больше логических 2,5-D-стеков будет выпущено в этом году, а смешанные стеки логики с памятью должны выйти в 2014 г.», – сказал он.

«В не таком уж далеком будущем должен появиться и смартфон на кремниевой супермикросхеме в 3-D корпусе», – сказал Сан.

Переход на 450-мм пластины

«Новое поколение кремниевых подложек все откладывается и не станет актуальным, по меньшей мере, до 2016 г.», – сказал Ванг. TSMC действует как главный подрядчик для фабрики консорциума G450, которая сейчас тестирует прототипы оборудования для 450-мм подложек.

Сравнение 450-мм и 300-мм пластин

TSMC полагает, что все оборудование под 450 мм будет готово для крупносерийного производства к концу 2015 г., кроме литографических систем. Иммерсионные системы не будут готовы для 450-мм пластин до конца 2017 г., а EUV… скажем, Ванг надеется, что они будут готовы в начале 2018 г. И снова, ключевое слово – «надеется». Поэтому TSMC планирует запустить пробную линию 450-мм пластин в 2016 или 2017 г., наращивая производство 10- и 7-нм микросхем.