7nm芯片Mask成本为什么这么贵？

公开资料显示，7nm full mask set 常见估算大约在 1000万—1500万美元以上，折合人民币大约就是7000万—1亿多元；如果是非常复杂的大芯片、DUV多重图形化层数多、EUV mask占比高，成本还可能更高。

一、一颗芯片不是一张mask，而是一整套mask

很多人一听“一套mask上亿”，会误以为是一张掩膜版卖上亿。

不是。

贵的是一整套mask set。

芯片不是一层结构，而是很多层堆出来的。晶体管层、栅极层、接触孔层、金属互连层、通孔层、钝化层，每一层都需要不同的图形。每一层图形都要有对应的mask。

先进芯片会用到60多个独立光刻层，每一层都需要独立photomask，所有这些mask合在一起才叫mask set；并且每一个独特芯片设计都需要自己的mask set。

到了先进节点，层数更多，图形更复杂。

N28典型设计大约是52张mask，N14大约是66张mask，而N7早期预测如果只用光学多重图形化，可能超过80张mask。

所以7nm为什么贵？

因为它不是买一张mask，而是买几十张，甚至七八十张mask。

二、7nm最贵的是多重图形化

7nm早期如果不用EUV，主要靠193nm ArF浸没式光刻继续往下做。

问题是：193nm波长已经远大于7nm这个工艺节点所对应的关键图形尺度。

怎么办？

只能用多重图形化。

也就是把一层本来想一次曝光完成的图形，拆成两次、三次、四次，甚至更多次曝光和刻蚀。

比如双重图形化、三重图形化、四重图形化，或者自对准双重图形化、自对准四重图形化。

这样做的结果是：

同一层电路，不一定只需要一张mask。

原来一层金属线，一张mask就能做；到了先进节点，可能要拆成line mask、cut mask、block mask等多张mask组合完成。

这就是7nm mask数量暴涨的核心原因。

EUV出现以后，理论上可以减少一部分多重图形化。但EUV不是免费降低成本。

它减少了一些DUV多重图形化层数，但单张EUV mask更贵。

EUV mask按约50万美元/张估算，而ArF wet mask约16.5万美元/张，KrF/ArF dry mask约6.5万美元/张。也就是说，一张EUV mask的成本大约可以按多张ArF mask来理解。

所以7nm有一个很微妙的现象：

不用EUV，mask数量多；用了EUV，mask数量可能少一些，但单张EUV mask贵。

这就是7nm mask set成本居高不下的原因。

三、7nm一套mask真实成本大概多少？

这里要说清楚：

7nm mask set没有一个全行业统一价格。

不同晶圆厂、不同工艺版本、不同客户、不同芯片复杂度、不同EUV层数、不同mask shop报价，价格都会变。

但我们可以用公开资料给出一个比较靠谱的区间。

90nm到45nm mask set大约是几十万美元级别，28nm超过100万美元，到了7nm则超过1000万美元，3nm会向4000万美元量级推进。

但也要注意，客户实际支付多少，还取决于Foundry报价、是否是full mask、是否是MPW、是否只改部分mask、是否有长期客户折扣，以及是不是内部mask shop计价。

四、为什么单张mask也这么贵？

一张先进mask贵，主要贵在四个环节。

第一是基板和膜层。

普通DUV mask通常是石英基板加铬膜、相移膜等结构。到了EUV，mask就变成反射式结构，不再是简单透射式结构。

EUV mask常见结构包括Mo/Si多层反射膜、Ru保护层、Ta系吸收层等。相关研究中对EUV mask stack的描述，就是Mo/Si multilayer加Ru保护层，再加TaBN/TaBO吸收层。

这意味着EUV mask blank本身就很难做。

第二是图形写入。

mask上的图形不是普通曝光印刷出来的，而是用高精度电子束写入设备写出来。

先进芯片版图经过OPC以后，图形会变得非常复杂。原始设计里一条简单线，到了mask数据里可能被修成各种辅助图形、锯齿边、补偿结构。

这样做的目的是抵消光学邻近效应，让最终投到晶圆上的图形更接近设计目标。

图形越复杂，数据量越大，电子束写入时间越长，成本越高。

第三是检测和修复。

晶圆上的随机颗粒，可能只影响一颗die或者一片区域。

但mask上的缺陷，如果处在有效图形区域，每曝光一次都会重复出现。

所以mask必须进行极严格的检查。

第四是验证和风险成本。

mask不是做完就完事，还要和光刻工艺、光刻胶、OPC模型、刻蚀工艺、量测数据一起验证。

一张mask如果有问题，轻则返修，重则重做。

如果整套mask里关键层出错，可能导致整批试产晶圆报废，甚至导致芯片项目延期。

所以mask价格里包含的不只是材料和加工费，还有极高的检测、验证、良率风险和交期风险。

五、为什么7nm mask比28nm贵这么多？

28nm已经不便宜，但7nm比28nm贵很多，主要有几个原因。

第一，mask数量更多。

28nm一套mask可能几十张。7nm因为FinFET结构、多层互连、多重图形化，mask数量明显增加。

第二，关键层更贵。

不是每张mask价格一样。

有些非关键层图形相对宽松，mask价格低一些。

但关键层，比如fin、gate、contact、via、metal critical layer，要求极高，OPC复杂，检查更严格，价格也更高。

第三，OPC和计算光刻更复杂。

节点越先进，mask图形越不像原始电路图形。

为了让晶圆上最终图形正确，mask上要加大量补偿。

这导致mask data preparation、OPC、ILT、fracturing、verification都变得更贵。

第四，多重图形化增加了mask和验证成本。

如果一层拆成三四张mask，不只是mask数量增加，还增加了mask之间的套刻要求和工艺验证难度。