Kostenexplosion bei 14-nm-Fertigung befürchtet

Im Rahmen des International Electron Devices Meeting (IEDM) zu Beginn dieser Woche haben sich viele Experten getroffen und über die Forschung und Entwicklung in der Halbleiterbranche gesprochen. Dabei kam auch die zukünftige 14-nm-Fertigung zur Sprache, die unter den aktuellen Umständen gewaltige Kosten verursache.

Die Ursache liegt primär darin begründet, dass man eigentlich zwei Neuentwicklungen gleichzeitig angehen muss. Zum einen ist dies der stetige Weg zu immer kleineren Strukturen, bei der 14-nm-Fertigung kommt aber erschwerend hinzu, dass die bisher zur Fertigung eingesetzten Tools nicht mehr ausreichend sind respektive dies zwar sein können, jedoch nur mit enormem Kostenaufwand. Die Experten rechnen gegenüber dem aktuellen 28-nm-Prozess mit 90 Prozent mehr Kosten pro Wafer.

Der Grund ist in der aktuellen Immersionslithografie mit 193-nm-Lichtquellen zu suchen, die für derart kleine Fertigungen am äußersten Limit arbeiten würden, was entsprechend schwache Yields und damit hohe Kosten zur Folge hätte. Als Lösung dieses Problems ist die EUV-Lithografie angedacht. Mit der „extremen“ ultravioletten Lichtquelle (EUV) mit einer Wellenlänge von 13,5 nm erhoffen sich nahezu alle Halbleiterhersteller den Gang in die Zukunft, werden damit doch erst kleinere Strukturen jenseits der 14 nm möglich. Somit könnte man das Maß auf unter 60 Prozent gesteigerte Kosten drücken.

Problematisch an der Geschichte ist dabei jedoch der Zeitplan. Frühestens 2014 sollen entsprechende Lithografiesysteme zur Verfügung stehen, aktuell forschen und entwickeln Branchengrößen wie TSMC und Intel mit kleineren Apparaturen, beispielsweise von ASML, wie dies am effektivsten zu bewerkstelligen ist. Dabei gibt es jedoch noch vielfältige Probleme zu lösen, schaffen die aktuellen Maschinen lediglich 20 Wafer in einer Stunde, für eine Massenproduktion würden aber mehr als 100 Wafer die Stunde benötigt. Aufgrund des Zeitplans dürfte es im Jahr 2014 aber nur sehr wenige Hersteller geben, die dieses Know-How auch wirklich nutzen können.

Passend dazu gab es bereits in der letzten Woche die Aussage, dass bei dem anstehenden Wechsel sowohl auf die kleineren Strukturen, die EUV-Lithografie und zudem noch eventuell 450 mm große Wafer die Hälfte der aktuellen Hersteller auf der Strecke bleiben wird. Dies ist jedoch nicht gleichzusetzen mit einem Ende der Hersteller. Viele werden ihre bestehenden Anlagen weiter nutzen, so wie sie es auch heute bereits machen. Beispielsweise sind sieben der elf Werke von TSMC nur für 200-mm-Wafer ausgelegt, eines fertigt sogar noch 150 mm große Scheiben.

Während der Sprung auf die 450-mm-Wafer optional ist, werden die Halbleiterhersteller an der EUV-Lithografie nicht vorbeikommen. Denn ohne diese Technologie kann der Fertigungsschritt in den einstelligen Nanometerbereich wohl nicht realisiert werden. Nach bisherigem Stand sind neben TSMC, Samsung und Intel, die alle Teilhaber beim Ausrüster ASML sind, auch IBM, Globalfoundries und UMC an der Fertigung von 14 nm großen Produkten bereits im Jahr 2014 interessiert und entwickeln entsprechend in diese Richtung.