隨著芯片集成度的提高,對(duì)光刻技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求,而光刻技術(shù) ? ? ? 的演進(jìn),在某種程度上也反映了半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展路線。
從1947年第一個(gè)晶體管問(wèn)世算起,半導(dǎo)體技術(shù)一直在迅猛發(fā)展,現(xiàn)在它仍保持著強(qiáng)勁的發(fā)展態(tài)勢(shì),繼續(xù)遵循摩爾定律指明的方向前進(jìn),大尺寸、細(xì)線寬、高精度、高效率、低成本的IC生產(chǎn),正在對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈帶來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)。 ? 集成電路在制造過(guò)程中經(jīng)歷了材料制備、掩膜、光刻、清洗、刻蝕、摻雜、化學(xué)機(jī)械拋光等多個(gè)工序,其中尤以光刻工藝最為關(guān)鍵,決定著制造工藝的先進(jìn)程度。隨著集成電路由微米級(jí)向鈉米級(jí)發(fā)展,光刻采用的光波波長(zhǎng)也從近紫外(NUV)區(qū)間的436nm、365nm波長(zhǎng)進(jìn)入到深紫外(DUV)區(qū)間的248nm、193nm波長(zhǎng)。
目前大部分芯片制造工藝采用了248nm和193nm光刻技術(shù)。目前對(duì)于13.5nm波長(zhǎng)的EUV極端遠(yuǎn)紫外光刻技術(shù)研究也在提速前進(jìn)。 ? 可以說(shuō),隨著芯片集成度的提高,對(duì)光刻技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求,而光刻技術(shù)的演進(jìn),在某種程度上也反映了半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展路線。上世紀(jì)中葉,IEEE電子和電子工程師協(xié)會(huì)設(shè)立了ITRS組織,該組織每年都會(huì)發(fā)布一份半導(dǎo)體領(lǐng)域中技術(shù)路線圖——ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)。但在2017年,IEEE停止更新ITRS,并將其重新重命名為IRDS,他們認(rèn)為這樣可以更全面地反應(yīng)各種系統(tǒng)級(jí)新技術(shù)。?
? IRDS路線圖光刻委員會(huì)主席、廈門(mén)大學(xué)嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)業(yè)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)科技總監(jiān),廈門(mén)大學(xué)半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)學(xué)院客座教授Mark Neisser對(duì)光刻技術(shù)與半導(dǎo)體路線之間的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)解讀。 ?
Mark Neisser指出,當(dāng)前的IRDS路線圖預(yù)測(cè)了未來(lái)15年的行業(yè)需求,并指出了關(guān)鍵挑戰(zhàn)和技術(shù)選擇。他表示,摩爾定律的意義在于,指示了“提高每個(gè)芯片中的晶體管數(shù)量降低了計(jì)算成本”的路線,在數(shù)十年被摩爾定律“規(guī)劃”的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中,它也逐漸被扭曲為自我實(shí)現(xiàn)的預(yù)言:(芯片設(shè)計(jì)公司)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手總是試圖跟上摩爾定律預(yù)測(cè)的創(chuàng)新步伐,一旦某一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者可以達(dá)到這個(gè)速度,其他所有的人都必須努力達(dá)到這個(gè)速度。一旦跟不上節(jié)奏,你的成本就會(huì)高于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的成本而在競(jìng)爭(zhēng)中落于下風(fēng)。與此同時(shí),設(shè)備、工具、材料、供應(yīng)商、軟件都必須改進(jìn),以實(shí)現(xiàn)更高的晶體管密度和更低的成本。
? 其中,隨著工藝演進(jìn),光刻波長(zhǎng)經(jīng)歷了幾次大的更迭,i-line時(shí)期使用的波長(zhǎng)為365nm,KrF時(shí)期使用的波長(zhǎng)為248nm,ArF時(shí)期使用的波長(zhǎng)為193nm,進(jìn)入EUV時(shí)代后使用的波長(zhǎng)為13.5nm。每一代光刻技術(shù)的革新都對(duì)***等設(shè)備和材料提出了新挑戰(zhàn)。 ? 如上圖中的光刻公式,決定光刻分辨率的因素有三個(gè):1.選用更小波長(zhǎng)的光源,2.通過(guò)增大投影入射角及折射率更高的界面材料來(lái)提高數(shù)值孔徑NA值,3.并通過(guò)分辨率增強(qiáng)技術(shù)以獲取更低的工藝因子k1。 ?
歷史上光刻工藝中的成像改進(jìn),都伴隨著工具改進(jìn)、材料和工藝改進(jìn)以及多重成像(multiple patterning)。 ? 工具改進(jìn),包括使用更小的波長(zhǎng)以獲得更高的分辨率;改善對(duì)焦控制和套準(zhǔn)(overlay)控制;更高數(shù)值孔徑(NA)的鏡頭;更好的控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng);掩膜和芯片設(shè)計(jì)的改進(jìn)等等。 ? 材料和工藝改進(jìn),包括抗放射涂層材料;改變印刷臨界尺寸的收縮材料和線寬修剪材料;用于新一代光刻波長(zhǎng)的光刻膠;刻蝕放大材料;光刻膠清洗材料和涂層;CMP工藝以及突破曝光工具分辨率極限的多重曝光工藝等。 ?
以CMOS器件變遷歷史為例。最初,CMOS器件越小性能越好,更小的尺寸意味著更快的導(dǎo)通,工作電壓也更小。在某種程度上,尺寸縮小帶來(lái)的副作用影響了器件性能,例如漏電流增加,寄生電容增加等。器件結(jié)構(gòu)和工藝一直在改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)更小尺寸和更好的性能,包括隔離,柵極材料、漏極和摻雜圖案等等,來(lái)達(dá)到更高的PPAC要求(PPAC,power, performance, area和cost)。 ? 隨著平面器件結(jié)構(gòu)縮小尺寸已不能滿足性能需求,三維的FinFET晶體管架構(gòu)逐漸成為高性能邏輯標(biāo)準(zhǔn)器件,IRDS路線圖預(yù)測(cè)高性能器件的晶體管結(jié)構(gòu)將發(fā)生更多變化。 ?
下圖預(yù)測(cè)了未來(lái)邏輯器件結(jié)構(gòu)演進(jìn)方向,從當(dāng)前的FinFET,到lateral GAA,再到3D VLSI等。邏輯器件從特征尺寸縮微逐步轉(zhuǎn)變到三維縮微。存儲(chǔ)器件將是率先發(fā)生這一轉(zhuǎn)變的領(lǐng)域,并且閃存技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始三維縮微。 ?
如下圖,隨著存儲(chǔ)密度快速提升,由于存儲(chǔ)單元太小而無(wú)法可靠地保留存儲(chǔ)狀態(tài),且達(dá)到了糾錯(cuò)能力的極限,平面結(jié)構(gòu)閃存已無(wú)法繼續(xù)提升性能,基于三維縮放的3D NAND閃存開(kāi)始成為主流。3D存儲(chǔ)單元的體積比2D閃存要大得多,眾多的層數(shù)也意味著可以實(shí)現(xiàn)比2D存儲(chǔ)器件更多的存儲(chǔ)密度,目前業(yè)內(nèi)3D NAND閃存最高已達(dá)到176層,還將繼續(xù)增加。SK海力士已經(jīng)在討論2025年達(dá)到500層,2030年800層的規(guī)劃。 ?
其他新型存儲(chǔ)技術(shù)方面,英特爾和美光聯(lián)合研發(fā)的3D XPoint開(kāi)始量產(chǎn),但是目標(biāo)用途與DRAM不同,目前也還沒(méi)有哪種存儲(chǔ)技術(shù)能夠取代DRAM或閃存,其他類型的存儲(chǔ)技術(shù)只占據(jù)了市場(chǎng)的一小部分。 ? 下圖列出了2018年開(kāi)始,7nm制程之后光刻技術(shù)的主要尺寸要求。IRDS據(jù)此給出了潛在的光刻解決方案選擇,以及將面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。 ?
幾項(xiàng)光刻技術(shù)和面臨的挑戰(zhàn)
? 隨著5nm工藝芯片進(jìn)入批量生產(chǎn),科研機(jī)構(gòu)將傾向于研發(fā)下一代光刻技術(shù),包括多電子束直寫(xiě)***(MEB)、納米壓印技術(shù)(NIL)以及定向自組裝技術(shù)(DSA)。其中,MEB被廣泛應(yīng)用于掩膜的制造,分辨率可達(dá)到2nm,未來(lái)將被用于在晶圓上直接刻畫(huà)圖形而不借助掩膜版。NIL分辨率極高可達(dá)2nm,用于制造特殊圖形的模具、壓印特殊圖形。DSA則利用兩種聚合物材料的定向生長(zhǎng)進(jìn)行加工,對(duì)于材料的控制要求高,生長(zhǎng)缺陷大,目前還不能真正用于生產(chǎn),但可兼顧高分辨率極高的加工速度需求。 ?
納米壓印
? 其分辨率只與模版圖案的尺寸有關(guān),而不受光學(xué)光刻的最短曝光波長(zhǎng)的物理限制。納米壓印有望用于制造例如閃存等成本敏感、可容錯(cuò)(defect-tolerant)的產(chǎn)品。該技術(shù)無(wú)需投影光學(xué),但挑戰(zhàn)包括缺陷和套準(zhǔn)等。 ? DSA(定向自組裝) ? 可以通過(guò)BCP(block co-polymer)實(shí)現(xiàn)間距致密化的目標(biāo),有望用于半導(dǎo)體量產(chǎn)。缺陷和設(shè)計(jì)是現(xiàn)階段主要挑戰(zhàn)。大約十年前,或許雙重成像(double patterning)要比DSA要好一些,但是如今DSA具備更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展?jié)摿Α??
對(duì)LER/LWR(邊緣粗糙度/線寬粗糙度)的要求已經(jīng)來(lái)到分子水平,以至于到2022年,噪點(diǎn)將是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn),對(duì)成像圖案的質(zhì)量影響非常大,進(jìn)而會(huì)影響芯片的電氣性能?;瘜W(xué)和光的隨機(jī)性會(huì)在已成像的光刻膠中產(chǎn)生噪點(diǎn)。下圖中紅點(diǎn)顯示曝光后和烘烤前產(chǎn)生的個(gè)別酸。 ? 在EUV中,光子撞擊光刻膠發(fā)生反應(yīng)且這一動(dòng)作重復(fù)多次,這些過(guò)程充滿不可預(yù)測(cè)性和隨機(jī)性,可能會(huì)產(chǎn)生新的反應(yīng),也就是說(shuō)EUV光刻工藝容易出現(xiàn)所謂的隨機(jī)性,是具有隨機(jī)變量的事件,這些變化被統(tǒng)稱為隨機(jī)效應(yīng)。隨機(jī)效應(yīng)有時(shí)會(huì)導(dǎo)致芯片中出現(xiàn)不必要的接觸缺陷或有粗糙度的圖案,兩者都會(huì)影響芯片的性能,甚至導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障。在過(guò)去的幾年中,這些問(wèn)題在傳統(tǒng)的光刻技術(shù)中基本被忽略了。但對(duì)于EUV而言,隨機(jī)效應(yīng)成為主要問(wèn)題之一,越高級(jí)的節(jié)點(diǎn),隨機(jī)效應(yīng)越嚴(yán)重。 ?
由于成像噪點(diǎn)的原因,不得不降低光刻膠的劑量,但是較低的劑量也意味著更少的光子,以及更高的隨機(jī)概率。預(yù)計(jì)在未來(lái)兩年內(nèi)吞吐量將下降2.5倍。下圖顯示了光刻膠劑量和最小通孔直徑之間的關(guān)系。 ? 其他挑戰(zhàn),包括套準(zhǔn);可用的EUV掩膜防護(hù)罩需要在對(duì)比度、結(jié)構(gòu)等方面繼續(xù)改進(jìn);更小的臨界尺寸和3D結(jié)構(gòu)要求在薄膜沉積和刻蝕工藝進(jìn)一步改善;更多的層數(shù)和工藝步驟對(duì)成本和良率帶來(lái)的挑戰(zhàn)等。 ? ?
總結(jié)和建議
? 在十年內(nèi),預(yù)計(jì)晶體管尺寸將繼續(xù)縮微,尤其是高性能邏輯器件將繼續(xù)推動(dòng)這一趨勢(shì)。從長(zhǎng)期來(lái)看,器件堆疊工藝將能夠提供更高的性能,而挑戰(zhàn)主要在于良率,工藝產(chǎn)能和成本等方面,當(dāng)前***的分辨率能力足以滿足預(yù)計(jì)的需求。光刻工藝中噪點(diǎn)和缺陷是亟需解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn),而摩爾定律也將在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)發(fā)揮作用。 ? Mark Neisser對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也提出了幾點(diǎn)建議。他指出,首先,需要以解決客戶問(wèn)題的方式進(jìn)行創(chuàng)新。作為中國(guó)半導(dǎo)體制造商客戶的中國(guó)公司,很多好的創(chuàng)新都是由客戶需求驅(qū)動(dòng)的,因此,并非所有這些創(chuàng)新都是遵循路線圖的。例如,格芯近幾年已經(jīng)放棄了追逐路線圖的嘗試,現(xiàn)在也依然發(fā)展的很好。該公司通過(guò)SoI等其他途徑來(lái)解決客戶的芯片需求,而不僅僅是嘗試模仿或跟隨其他公司的腳步。因此,如果能夠創(chuàng)造自己的專長(zhǎng),也能在技術(shù)貿(mào)易等領(lǐng)域處于更有利的地位,并以創(chuàng)新推動(dòng)行業(yè)前進(jìn)。此外,他還強(qiáng)調(diào),要重視半導(dǎo)體領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究,從研究到出成果,開(kāi)發(fā)以及制造之間,有5到10年的時(shí)間差,基礎(chǔ)研究是長(zhǎng)期而又非常必要的工作。
編輯:黃飛
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