缩小半导体工艺尺寸能走多远.doc

1、缩小半导体工艺尺寸能走多远? 中国电子报、电子信息产业网 发布时间：2013-08-23特约撰稿 莫大康推动半导体业进步有两个轮子，一个是工艺尺寸缩小，另一个是硅片直径增大，而且总是尺寸缩小为先。由半导体工艺路线图看，2013 年应该进入 14 纳米节点，观察近期的报道，似乎已无异议，而且仍是英特尔挑起大樑。尽管摩尔定律快“寿终正寝 ”的声音已不容置 辩，但是 14nm 的步伐仍按期走来，原因究竟是什么?传统光刻技术与日俱进当尺寸缩小到 22/20nm 时，传统的光刻技术已无能力，必须采用辅助的两次图形曝光技术。提高光刻的分辨率有 3 个途径：缩短曝光波长、增大镜头数值孔径 NA 以及减少 k

2、1。显然，缩短波长是最主要的，而且方便易行。目前市场的 193nmArF 光源是首选，再加入浸液式技术等， 实际上达到了 28nm，几乎已是极限(需要 OPC等技术的帮助)。所以 Fabless 公司 NVIDIA 的 CEO 黄仁勋多次呼吁工艺制程在 22/20nm 时的成本一定相比 28nm 高。其理由是当工 艺尺寸缩 小到 22/20nm 时，传统的光刻技术已无能为力，必须采用辅助的两次图形曝光技术(DP)。从原理上讲， DP 技术易于理解，甚至可以 3 次，或者 4 次。但是 这样带 来两个大问题，一个是光刻加掩模的成本迅速上升，另一个是工艺的循环周期延长。所以业界心知肚明，在下一代光

3、刻技术 EUV 尚未到来之际，采用 DP 是不得已而为之，实际上在技术上的可行性并不是问题，更多的是要从经济层面做出取舍的决定。193nm 光刻技术在计算的光刻技术辅助下，包含两项关键的创新，一个是同时带 OPC(光学图形修正)的两次图形曝光技术，另一个是采用一种倒转的光刻技术来改善困难的布局复制，可以在局部区域达到最佳化。因此可以相信，传统的 193nm 浸液式光刻技术加上两次图形曝光技术(DP)，甚至 4 次，从分辨率上在 2015 年时有可能达到 10nm，这取决于业界对于成本上升等的容忍度。7nm 还是 5nm除了工艺尺寸缩小之外，产业尚有多条路可供选择，如 450mm 硅片、 TSV

4、 3D 封装等。何时能够达到 7nm 或者 5nm，截至今日尚无人能够回答，因为 EUV 何时进入也不清楚。乐观的估计可能在 2015 年或 2016 年。如果真能如愿，可能从10nm 开始就采用 EUV 技术，一直走到 5nm。但是目前业界比较谨慎，通俗一点的说法仍是两条腿走路。在今年的 Semicon West 上各厂家的反 应也是如此。Nikon 正努力延伸 193nm 的浸液式技术，甚至包含 450mm 硅片; 而 ASML 由于获得英特尔、三星及台积电的支持，正加快 NXE 3300B 实用机型的发货。据说已经有 6 台 NXE 3100 EUV 设备在客户处使用，累积产出硅片已达4

5、4000 片。另外，下一代 EUV 设备 NXE 3300B 已开始安装调试，计划 2013 年共发货 5 台，另有 11 台 NXE 3300B 的订单在手及 7 台订单在讨论中。ASML 正在准 备 450mm 光刻机，它是客 户共同投 资计划中的一部分。公司有信心将 3 台 EUV 的营收落实在 2013 年的销售额之中。ASML 在 2013 年展览会的演讲中详细描绘了业界期待已久的 EUV 光源路线图，近期 Cymer 公司已推出了专为 ASML 光刻机配置的 40W 极紫外(EUV)光源，工作周期高达每小时 30 片，并 计划在 2014 年时 NXE 3300B 中的光源升级达到

6、 50W，相当于 43WPH 水平。而 100W 光源可能要等到 2015 年或 2016 年，相当于 73WPH。至于何时 出现 250W EUV 光源，至少目前无法预测，除非等到100W 光源成功，并有出彩的表现。 500W 光源写进路线图中是容易的，但是未来能否实现还是个问题。只要实现 73WPH，可以认为 EUVL 已达到量产 水平，因为与多次曝光技术相比，它的成本在下降。在 10nm 节点以下如果继续釆用 MP 多次曝光技术，则可能需要 4x 甚至 8x 的图形成像技术。因为从理论上讲，硅晶格大小约 0.5nm，通常大于 10 个晶格尺寸，即约 5nm时，才可能有好的硅器件功能，所以

7、可以认为 5nm 是工艺尺寸的最终极限。预测在 2024 年以后半导体产业可能发生革命性变化，电荷不再是传输信息的唯一载体，同时计算架构也可能发生革命。另外，ASML 、IMEC 及 Applied Materials 等共同协作，认为采用 EUV 技术有可能达到小于 7nm，由于 EUV 技术同样也可采用 DP 两次图形曝光技术来提高分辨率。随着半导体产业的继续发展，之后的每一个工艺节点进步都要付出极大的代价，要求达到财务平衡的芯片产出数量巨大。 现在市场上已很难找出几种能相容的产品，因此未来产业面临的经济层面压力会越来越大。然而除了尺寸缩小之外，产业尚有多条路可供选择，如 450mm 硅片

8、、 TSV 3D 封装， FinFET 结构与 III-V族作沟道材料等，此外还有应用商店。而站在客 户立场，他 们并非知道芯片的内部构造，仅是需要价廉、实用，而又方便使用的 电子 终端产品。中国 22 纳米技术获重大突破 全球仅英特尔有量产中国电子报、电子信息产业 网 作者：杨琪发布时间：2013-07-11我国在 22 纳米技术这一高端研发上有所建树4 年前，这会被看做是天方夜谭。然而，中科院微电子所集成电路先导工艺研 发中心团队实现重大突破，让这一梦想成真。到目前为 止，全球也只有英特 尔公司在 22 纳米技术代实现了大规模生产。中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心(以下简称先

9、导工艺研发中心) 通过 4 年的艰苦攻关，在 22 纳米关键工艺技术先导研究与平台建设上，实现了重要突破，在国内首次采用后高 K 工艺成功研制出包含先进高 K/金属栅模块的 22 纳米栅长 MOSFETs，器件性能良好。由于这一工作采用了与工业生产一致的工艺方法和流程，具备向产业界转移的条件，因而对我国集成 电路产业的技术升级形成了具有实际意义的推动作用。同时 ，该先 导工艺研发中心建成了一个能够开展 22 纳米及以下技术代研发的工艺平台。这标志着，我国也加入了高端集成电路先导工艺研发的国际俱乐部。优势互补 “穿插侦察”齐上阵4 位“千人计划 ”、5 位中科院百人计划，30 多位工业界核心的工

10、程师团队先导工艺研发中心拥有这样一支令人艳羡的国际化研发团队。“我们整个项 目团队在构架上做得比 较好。海归跟本土 团队结合得水乳交融，形成优势互补。” 该中心主任赵超表示。2009 年，在国家科技重大专项 02 专项的支持下，微电子所成团队引进了一大批海归，建成了拥有 200 多名研发人员的集成电路先导工艺研发中心。杨世宁、朱慧珑、赵超、 闫江 4 位“千人”在磨合中迅速形成 优势互补的决策团队，在 4 年艰苦的攻关中 拧成一股绳，打出了漂亮的短传配合。例如，杨世宁原是中芯国际的首席运营官， 现任中科院微电子所所长执行顾问一职。他具有非常丰富的 产业化运营经验，是一个“ 会做减法的人”，能始

11、终把握主干，而将枝枝叶叶修剪掉，使项目迅速有效率地直奔目标。先导工艺研发中心的首席科学家和项目首席专家朱慧珑，是来自 IBM 的引领发明家和发明大师，主要 负责整体技术路线的制定和布局，在器件物理、工 艺研发、TCAD 和知识产权布局等 发挥主导作用。他身先士卒，在项目中完成了200 多项专利申请。赵超曾在世界著名的研发中心 IMEC 从事了 10 多年研发工作，其研发领域涵盖集成电路前道工艺和后道工艺，对 8 英寸、 12 英寸工艺线上多个技术代工艺研发有较全面的经验。2011 年，他受命担任先导工艺研发中心主任一职，负责中心的行政领导工作；同时，作为项目的副首席 专家，他 负责工艺平台的建

12、设工作， 对研发中心整体建设付出了大量的艰苦劳动。闫江则拥有在英飞凌公司美国研发部 10 年的工业界研发经验。他曾参与和负责了从 90 纳米、65 纳米、45 纳米和 32 纳米技术 代的产品研发项目。作 为项目的副首席专家，他负责工 艺整合子课题的领导工作，带领着 30 多名工程师冲锋在第一线。对于先导工艺研发中心的使命，几位“千人计划”专家有着一致的认识：“我们是国家集成电路工艺研发战役中的穿插部队和侦察部队”。朱慧珑解释道：“ 穿插部队 的特点和任务就是：一要效率高，二要能占 领战略要地。” 先导工艺研发中心作为穿插部队，它的一个优势就是快速、灵活，可以先于工业界的“ 大部队” 插入 敌

13、后，并用专利布局的方法占领与其投入相称的战略要地。压力山大 时间节点见真章“4 年之前， 对 22 纳米项目能否成功有着各种各样 的猜测。对此，我们非常理解，毕 竟这是一个难度极大的项目。 ”赵超说。在此之前，我国曾有过几次建设集成电路研发中心的努力，但都没有达到预期战略目标。面对国家数亿 元的大投入和高期待，以及业界同行们的高度关注，几位“千人计 划” 专家承受着巨大 压力。“做这项大工程，我们有一两年都睡不好觉， 压力山大啊！”赵超在回忆道，“你能明显感到 别人质疑的目光，却无法解释。我 们真有点像挖山的愚公，只能希望用劳作来感动上天。”在 2012 年 4 月，当第一个验证工艺设备器件研

14、制出来时，团队所有人都挤在那小小的示波器前等待结果。当在看到验证的原理器件出来的那一刹那，在场的所有人都“ 眼泪汪汪”的。这项工程不仅面临着从无到有的技术难度，还面临着几乎不可能完成的时间节点。由于资金等现实问题，闫江的工艺整合集成子课题的完成时间被迫由两年时间缩短至 7 个月。为了保证任务按时完成，闫江要保证每批次的流片实验一次成功。为此，他与工艺线上的 30 多位工程师每天仔细地检测各个工艺步骤是否符合设定的特性，将差错的苗头消灭在第一时间，保 证每一步流片的质量。在 7 个月内，线上的工程师一度 24 小时连轴转，片子从这个机台出来就被抱着跑向下一个机台。就这样，他 们用 15 天跑完了

15、全程近 300 道工艺步骤的流程，达到工业界研发的最快速度。最终，6 个批次的流片实验全部一次成功， 团队按时完成了工艺整合集成的项目任务。拉长战线 为转化生产作铺垫在谈到团队建设时候，海归们不约而同地提到微电子所所长叶甜春。这批海归以及从国内遴选出来的精兵强将，都是叶甜春一个一个挖来的，有的甚至是在别人的招聘会场上“劫来的” 。专家们表示，加盟团队的一个重要原因正是因为叶甜春的感召力。微电子所副所长陈大鹏是先导工艺研发中心的奠基人和研究所人才战略最直接的执行者。经他之手，一个一个海归加入团队，开始 发挥各自聪 明才智的创业进程。正是这一广揽人才的做法，带来了科研理念更新和科研模式质的改变。例

16、如，朱慧珑带来了专利先行的思想，并为项目结出丰硕成果。先导工艺研发中心在项目过程中建立了自主知识产权带动的科研模式，始终坚持“ 专利先行”的战略。“过去，我国在知识产权建设上没有合理的战略布局，我们辛辛苦苦研发的技术早就被别人申报了专利。这样，即使有自主研 发 ，也做不到自主知 识产权。”赵超感叹道。在该项目的执行过程中，微电子所与北京大学、清 华大学、复旦大学以及中科院微系统所的联合项目组完成了 1369 项专利申请，其中包括 424 项国际专利申请，为 我国在集成电路领 域掌握自主知识产权、取得国际话语权奠定了基础。先导工艺研发中心坚持“ 通 过做项目锤炼团队” 的原 则，建设成一个在科研

17、人员、科研条件上堪称国际 水平的平台。“通过这个项 目，我们可以呈现给国家一支研究力量，而不单单是完成一项科研工作。” 赵超如是说。建成的平台对后续项目发展起到非常重要的作用，现在，中心正在着手开展 16/14 纳米技术的研发。“我们现在进 展得非常顺利，在跑步追赶，差距不断缩小。”赵超表示。 现在，先导工艺研发中心的研发效率和质量管理系统都是工业化标准的，得到工业界研发伙伴的充分认可。同时，项目对国家科技重大专项其他课题和整个产业链起到了直接的支撑作用。“ 我们完成了专项交付的各项战略任务。 ”赵超表示，“ 研发中心不仅在先导工艺技术研发上起到国家队的作用，同时成为国产半导体装备和材料的验证基地、集成电路工程技术人才的培养基地和该领域的国际交流基地。”下一步，该中心将加入专项部署的更大规模的“战役 ”，把先导技术转化成工业生产技术，为国家集成电 路产业发展作出更多贡献。