解析半導(dǎo)體工藝節(jié)點的演進 尋找摩爾定律的曙光

　　我們知道，談起光的使用都有一個本質(zhì)的問題，就是衍射，光刻機也不例外。任何一臺光刻機所能刻制的最小尺寸，基本上與它所用的光源的波長成正比。波長越小，尺寸也就越小。目前的主流生產(chǎn)工藝采用的是荷蘭艾斯摩爾生產(chǎn)的步進式光刻機，所使用的光源是193nm的氟化氬(ArF)，被用于最精細的尺寸的光刻步驟。與目前已量產(chǎn)的最小晶體管尺寸20nm (14nm 工藝節(jié)點)相比，已經(jīng)有了10倍以上的差距。

　　怎么克服光的衍射效應(yīng)?業(yè)界十多年來投入了巨資，先后開發(fā)了各種先進光刻技術(shù)，諸如浸入式光刻(把光程放在某種液體里，光的折射率更高，而最小尺寸反比于折射率)、相位掩模(通過180度反向的方式來讓產(chǎn)生的衍射互相抵消，提高精確度)，等等，這些技術(shù)一直撐到了60nm以來的所有工藝節(jié)點的進步。為何不用更小波長的光源呢?答案是工藝上難度很大。高端光刻機的光源，一直是世界級的工業(yè)難題。

　　以上介紹的主流光刻技術(shù)是深紫外曝光技術(shù)(DUV)。業(yè)界普遍認為，到了7nm工藝節(jié)點就是它的極限。下一代技術(shù)是被稱為極紫外(EUV)的光刻技術(shù)，其光源降到了13nm。這個技術(shù)也帶來了其他的一系列難題，例如沒有合適的介質(zhì)可以用來折射光，構(gòu)成必要的光路，因此這個技術(shù)里面的光學(xué)設(shè)計全部是反射。在如此高的精度下，設(shè)計如此復(fù)雜的反射光路，難度之大可想而知。

　　最后一點，隨著工藝節(jié)點的特征尺寸越來越小，柵極和有源區(qū)(D/S)之間的絕緣層也會越來越薄，會導(dǎo)致很容易被電壓擊穿。所以溝道越短越好是針對數(shù)字電路而言，對模擬電路來說目前0.13um、0.15um、0.18um工藝制程是足夠用了。

　　04 工藝節(jié)點的演進

　　半導(dǎo)體工藝的進步是跳躍式的發(fā)展過程，而非漸進的過程。為了描述未來芯片的發(fā)展細節(jié)，IRTS引入了工藝節(jié)點的概念，并將之定義為“在工藝中實現(xiàn)重大進步”，或者說“每節(jié)點實現(xiàn)大約0.7倍的縮小”或“每兩個節(jié)點實現(xiàn)0.5倍的縮小”。根據(jù)這一定義，下一代的工藝節(jié)點可用此前的節(jié)點數(shù)據(jù)推算出來。

　　但是各個廠家真正的工藝節(jié)點發(fā)展和規(guī)劃的不一定是完全一致的，有時候芯片廠商為了確保實現(xiàn)制造工藝的平穩(wěn)過渡，會生產(chǎn)“半節(jié)點”產(chǎn)品。例如，在從90nm工藝轉(zhuǎn)入65nm的過程中，可能出現(xiàn)78nm的半節(jié)點產(chǎn)品或70nm的“準65nm”產(chǎn)品，等到技術(shù)成熟以后再真正進入新的工藝節(jié)點。所以，除了130nm、90nm、65nm、45nm等節(jié)點的工藝技術(shù)，市場上出現(xiàn)120nm、110nm、80nm、70nm等不符合0.7倍的工藝節(jié)點也是常見的。

　　在工廠上線新的工藝節(jié)點(工藝代)后，意味著原先工藝代的產(chǎn)品會降價，同時同類產(chǎn)品的性能將躍遷入一個新的層次。這就是我們稱之的“摩爾定律”現(xiàn)象。由于微電子制程技術(shù)主要依賴“光刻”技術(shù)，而光刻的分辨率是有極限的，這也意味著，當工藝節(jié)點進一步推進、尺寸進一步縮小時，也不得不思考未來加工工藝的發(fā)展方向和具體技術(shù)上的實現(xiàn)辦法?？梢哉f，決定這種工藝節(jié)點演進速度快慢的目前主要是“光刻”技術(shù)。

　　05 為什么7nm工藝節(jié)點被看作是一個轉(zhuǎn)折點?

　　7納米工藝目前被看作是摩爾定律下的半導(dǎo)體工藝一個轉(zhuǎn)折點。在全世界眾多半導(dǎo)體制造商里，目前能夠達到這個高度的廠家真不多。從現(xiàn)有資料來看，只有Intel、臺積電、格羅方德、三星發(fā)布了7納米量產(chǎn)計劃。為什么7nm被看作是一個“轉(zhuǎn)折點”，因為7nm工藝標志著大家期待已久的EUV技術(shù)將正式導(dǎo)入，逐漸取代傳統(tǒng)光學(xué)曝光技術(shù)。

　　EUV極紫外光刻(Extreme Ultraviolet Lithography)技術(shù)，通常稱作EUV光刻。 EUV光刻采用波長為10-14納米的極紫外光作為光源，可使曝光波長一下子降到13.5nm, 它能夠把光刻技術(shù)擴展到32nm以下的特征尺寸。

　　光刻技術(shù)是現(xiàn)代集成電路設(shè)計上一個最大的瓶頸。CPU使用的45nm、32nm工藝都是由193nm液浸式光刻系統(tǒng)來實現(xiàn)的，但是由于受到波長的影響在這個技術(shù)上再有所突破是十分困難的，但是如采用 EUV光刻技術(shù)就會很好的解決此問題，很可能會使該領(lǐng)域帶來一次飛躍。

　　但是涉及到生產(chǎn)成本問題，由于193nm光刻是目前能力最強且最成熟的技術(shù)，能夠滿足精確度和成本要求，所以其工藝的延伸性非常強，很難被取代。因而在2011年后的一段時期內(nèi)，22/20nm節(jié)點主要幾家芯片廠商也將繼續(xù)使用基于193nm液浸式光刻系統(tǒng)的雙重成像(double patterning)技術(shù)。

　　目前幾家準備上7nm的半導(dǎo)體廠商都在積極備戰(zhàn)EUM光刻技術(shù)。臺積電預(yù)期2019年將在第二代的7納米制程上導(dǎo)入EUV技術(shù)， 格羅方德認為2019年導(dǎo)入EUV算是樂觀，預(yù)期2020年機會較大。三星對于EUV技術(shù)進度相對樂觀，期望在2018年導(dǎo)入EUV技術(shù)在7納米制程世代上。電路線寬7納米的物理長度是10億分之1米，通過EUV極紫外光刻技術(shù)的7nm工藝節(jié)點技術(shù)生產(chǎn)的芯片產(chǎn)品，成本競爭力和性能都將大大超過原產(chǎn)品。

　　06 結(jié)語：促進工藝節(jié)點演進的最后一道曙光

　　現(xiàn)在工藝節(jié)點的現(xiàn)狀是，摩爾定律逐漸放緩。22nm是2010左右出來的，到了今天， 工藝節(jié)點的演進才即將進入到10nm以下。去年ITRS宣布不再制定新的技術(shù)路線圖，說明權(quán)威的國際半導(dǎo)體機構(gòu)已經(jīng)不認為摩爾定律的縮小可以繼續(xù)下去了。同時，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也到了一個轉(zhuǎn)折點，對幾家大制造商而言，進入7納米工藝代已經(jīng)是箭在弦上。EUV光刻技術(shù)將以一個全新的技術(shù)登場，這也許是促進工藝節(jié)點演進的最后一道曙光。

　　除此而外，最近意法半導(dǎo)體推出的FDSOI技術(shù)號稱可以將SoC芯片微細化做到10nm工藝，而無需3D晶體管，據(jù)說在成本和性能方面都優(yōu)于FinFET結(jié)構(gòu)。還有學(xué)術(shù)界五花八門的各種新材料新技術(shù)，石墨烯晶體管，隧穿晶體管，負電容效應(yīng)晶體管，碳納米管，等等。這些我們都可以看作是拯救摩爾定律的組合拳。

　　任何一個新技術(shù)都會帶來風(fēng)險，摩爾定律也在面臨巨大挑戰(zhàn)， 我們無法預(yù)測“后摩爾定律”時代的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)會怎樣發(fā)展?但是如果新技術(shù)能夠確保摩爾定律繼續(xù)走下去，我們就能有效地避免半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)整體下滑。這些新技術(shù)組合拳勢必會讓摩爾定律下的工藝節(jié)點演進繼續(xù)走下去。“溯洄從之，道阻且長?！睂τ诮裉斓陌雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，這句話同樣適用。新材料的應(yīng)用、新技術(shù)的研發(fā)注定不會停止，這或許是我們對這個產(chǎn)業(yè)仍舊保持足夠信心的理由。