半导体产业的发展靠两大轮子推动,一是不断缩小芯片特征尺寸的轮子,从1mm→0.8mm →0.5mm→0.35mm→0.25mm→0.18mm→0.13mm→90nm,并向22nm 进军,以满足芯片微型化、高密度化、高速化、高可靠化和系统集成化的要求;二是不断扩大晶圆尺寸的轮子,从100 →125→150→200→300mm,并向400mm 过渡,以提高芯片产量和降低芯片成本,终获取更大的利润。正因为有了这两大轮子,才能使摩尔定律继续有效(至少在未来10年中仍是可靠的),才能使ITRS(国际半导体技术指南)2001年提前实现,如90nm工艺提前一年完成。芯片制造技术只有不断创新,基础才会扎实和牢靠,才会在半导体产业大道上平稳和快速地奔驰。
2 300mm晶圆与90nm工艺互动
300mm 晶圆尺寸的扩大与芯片特征尺寸的缩小是相应促进和互相推动的。晶圆尺寸每提升一个等级就会伴随着芯片特征尺寸缩小一个等级(见表1),如晶圆尺寸从200mm 扩大到300mm,芯片特征尺寸就从亚微米、深亚微米缩小到纳米尺度(100~0.1nm的范围)。采用300mm晶圆是半导体产业发展的必然规律,是大势所趋,因为300mm 晶圆与200mm晶圆面积之比为2.25,所以300mm晶圆生产线产能是200mm的3倍以上。英特尔总裁兼执行官贝瑞特宣称,一旦采用0.13mm工艺的6座300mm晶圆厂起动,到2003年其晶圆生产成本可下降25%。IBM声称,其单片300mm晶圆的成本可望下降30%~40%。TI认为,300mm晶圆生产线可使其成本降低40%,再加上采用更小线宽的特征尺寸,其生产成本可节省近60% [1]。难怪世界上有那么多的半导体厂商肯巨额投资兴建300mm晶圆生产线(建一条300mm晶圆生产线需投资30亿美元左右)。据不完全统计,目前已建、在建和计划建设的300mm晶圆生产线约有40余条,其中美国10多条,中国台湾10多条和欧洲、日本、韩国及新加坡等10多条。可喜的是中国中芯国际将于2004年在北京兴建中国大陆条 300mm晶圆生产线。300mm晶圆常采用90nm工艺,也可采用深亚微米工艺,所以300mm晶圆与90nm 工艺是互动的。世界各大IC公司都看好300mm晶圆和90nm工艺,力争早日量产,占领市场,获取更多的利润,见表2[2]。90nm新工艺主要包括 193nm光刻技术、铜互连、低绝缘层、化学机械抛光(CMP)、高k绝缘层、应变硅和绝缘硅(SOI)等,目前这些新工艺已相当成熟,达到 量产水平。
3 300mm晶圆芯片制造技术的发展趋势
3.1 芯片线宽加工微细化
表3给出了ITRS2001对特征尺寸、平坦化铜厚度、金属互连层层数和低k绝缘层的要求[3]。要求 2004年特征尺寸达90nm,实际上2003年达标。90nm工艺必须采用193nm ArF Stepper(准分子激光扫描分步投影光刻机),该机价格昂贵,2001年为1200万美元。2003年5月英特尔宣布放弃157nm F2 Stepper,其理由是价格太贵,高达1600万美元,并试图扩展193nm ArF Stepper ,以用于65nm和45nm工艺。近,该公司表示愿意参加比利时 IMEC联盟的研发项目,如157nm深紫外线(DUV)和13.4nm极深紫外线(EUV)光刻等。
3.2 芯片介质、金属互连层厚度薄型化
2003年英特尔采用90nm工艺生产奔腾4的晶体管,其栅长为50nm,纵向栅极氧化层(高k绝缘层)厚度仅为1.2nm(5个原子层厚),极大地提高晶体管的速度。从表3可知,对于90nm工艺,平坦化铜厚度仅为18nm。
3.3 芯片制造步骤复杂化
随着芯片特征尺寸的不断缩小,芯片制造步骤越来越多,如90nm工艺的铜互连层层数多达8~9层,台联电(UMC)的L90工艺采用9层铜互连。又如CMP工艺包括Cu-CMP、低k-CMP、STI(浅沟隔离)-CMP和W-CMP等,深亚微米DRAM需进行3~6次CMP,深亚微米MPU需进行9~13次[4] 。
3.4 芯片制造新工艺应用组合化
90nm几项新工艺常常组合使用,如铜互连、低k绝缘层和CMP已成为深亚微米、纳米工艺的一组关键性标准工艺,铜互连替代铝互连是300mm晶圆芯片制造技术的选择;低k绝缘层又是用于铜互连层间的绝缘;CMP是当前实施晶圆表面平坦化工艺成熟、有效的一种技术,它起着研磨膏对晶圆表面进行机械研磨和化学腐蚀的双重作用;又如SOI与SiGe技术的组合应用等。
3.5 芯片加工所用辅助材料高纯化
300mm晶圆、90nm工艺对环境及所用辅助材料(如化学试剂、去离子水等)的要求更苛刻,如要求控制环境颗粒尺寸为0.01μm、洁净等级为 0.1级,为此必须采用SMIF(标准机械接口)隔离技术,即将晶圆在与操作者环境的条件下运送,和在IC工艺设备之间转移的新技术[5]。又如采用的超净高纯试剂必须达到金属杂质≤0.1ppb,控制径粒≥0.2μm,颗粒≤5个/ml,试剂级别为BV-V, SEMI标准为C12(Grade4)[6]。
3.6 芯片制造单片化
由于300mm晶圆尺寸大,易受各种因素影响导致成品率下降,为了确保成本,300mm晶圆必须采用单晶圆片加工工艺,其加工周期从采用传统加工工艺时的90天缩短至30天左右,这将使整个供应链更加紧密。为此,芯片制造商开始考虑重新按排制造和测试设备的布局,让他们彼此相邻,靠得更近,甚至干脆放在同一幢建筑或同一操作间内,所以日本人提出建“迷你型”工厂,如日立的300mm晶圆厂Trecent已采用这种新布局 [7]。
3.7 芯片制造全自动化
由于300mm晶圆生产线采用单晶圆片、连续流生产方式,所以300mm晶圆生产线的一切都是自动化操作。晶圆的传送也是自动化的,由中央控制系统执行操作。在理想的情况下,只要工艺稳定,设备的运行和维修完全可按计划进行。由于300mm晶圆生产线中的各种设备是互相连接的,增加了设备维修的复杂性,因此在设计300mm晶圆生产线的设备时应设计得更容易维修[7]。
3.8 芯片制造技术共有化
开发300mm晶圆、90mm工艺需要大量财力和人力,于是意法半导体、飞利浦和摩托罗拉于2002年4月在法国联合成立Crolles 2联盟,合作开发300mm晶圆、90mm工艺新一代芯片制造技术,要在未来5 年内把目前90nm CMOS提升到32nm。又如日本产业技术综合研究院与日本10家半导体公司于2003年 6月联合成立“90nm半导体技术研究中心”,采用300mm晶圆、90nm工艺开发用于数字家电的SOC。从2004年起该研究中心向出资的10家半导体公司转让所开发的成果,达到技术共享目的。
综合上述,2003年300mm晶圆芯片制造技术如芯片特征尺寸、平坦化铜层厚度和栅极氧化层厚度等都已步入纳米尺度。为此,比利时IMEC微电子研究中心已着手研究≤45nm工艺,包括6项工艺研究:(1)157nmDUV和13.4nmEUV光刻;(2)高迁移率膜和先进漏/源工艺;(3)高k膜材料和金属栅极;(4)新型CMOS器件;(5)先进的铜互连;(6)≤45nm工艺技术的清洗和杂质控制[8] 。另外,日本超级硅研究所(SSI)在2003年第3届硅材料先进科学和工艺会议上宣布400mm硅单晶(重438kg)制造工艺,预计2014年达量产,所以ITRS 2001规划有望再次提前完成。