半导体行业里谁在吃45nm的“螃蟹” 发布时间：2009-5-12 21:19:12 来源：中国IC技术交易网 1 英特尔一马当先TI紧紧跟上

    2006年不仅是65nm芯片的量产年，而且是45 nm芯片首推年。至2006年6月，英特尔已在美国亚利桑那州Fabl2-厂、俄勒冈州DLD厂和爱尔兰Leixlip Fab24-2厂等3座65nm晶圆厂量产65nm芯片，目前英特尔65 nm芯片产量已超过90 nm芯片产量。2006年1月英特尔推出世界首款45 nm全功能153MbSRAM芯片，含10亿个以上晶体管，它包含SRAM阵列、PROM阵列、锁相环、I/O、寄存器和分立测试结构等。45 nm芯片与65 nm芯片相比，提高晶体管密度2倍；提高晶体管开关速度20％以上；降低晶体管电流泄漏为原泄漏的1／5，存储单元面积0．346 μm2。

    英特尔45 nm工艺P1266，其主要工艺是：

    (1)采用139 nm ArF光刻技术；

    (2)采用应变硅技术；

    (3)不采用finFEF或三栅极结构，晶体管仍是平面结构；

    (4)采用6个晶体管SRAM单元；

    (5)采用Cu互连、低k介电质。

    TI采用两条腿走路的方针，研发和量产65、45 nm芯片，一是自己兴建65、45 nm晶圆厂：二是寻找晶圆代工厂，如目前已选重台联电、台积电和特许三家晶圆代工厂为其量产65 nm芯片。2006年6月TI测试成功45 nm SRAM存储单元，其面积为0．24 μ m2，比其它45nmSRAM面积缩小30%以上。TI将于2007年推出首款45 nm SoC产品，见表l，其功能可使用户提高30%速度、降低功耗40%和延长手机待机时间30%。TI 45 nm主要工艺是：

    (1)采用193 nm ArF浸没式光刻技术；

    (2)采用超低k介电质，k=2．5，使互连电容减小10％；

    (3)采用应变硅技术(SiGe)；

    (4)采用Smart Reflex(TM)电源管理技术，将智能化的自适应硅芯片、电路设计及有关软件结合在一起；

    (5)支持DRP(TM)架构，以便在单芯片无效无线解决方案上集成数字RF功能(DRP)；

    (6)采用双功函数金属栅、完全硅化多晶硅(FUSI)技术或结合使用金属与硅化物；采用氮化硅介电质和金属栅极技术，在不采用更先进的新型高矗材料下实现功耗控制。

    英特尔与TI不愧为全球半导体市场的"老大"和"老三"，他们不仅研制成功45nm工艺，而且率先推出45 nm芯片。目前正在单独研发45 nm工艺和芯片的IC巨头还有三星电子、AMD和富士通，见表1和表2。单干是需要实力的，世界上也只有少数几家IC公司能承担得起，请看一组数据：(1)建一座45 nm、φ300 mm晶圆厂需投资30～35亿美元；(2)芯片厂研发45 nm工艺费用至少在1亿美元以上；(3)一台用于45 nm工艺的193 nmArF浸没式光刻机售价在2 000～3 000万美元，甚至更高，比目前一架波音737商用机(2 300万美元)还要贵。45 nm节点将成为半导体产业的分界线，难怪2005年11月全球EDA技术论坛会主题竟然是"通向45 nm之路，朝向地狱吗?"。

    2 其他顶级IC公司联手攻坚

    要想单独研发45 nm工艺、芯片或在自己领地内建造45 nm晶圆厂，对于大多数IC厂家来说只能是一种梦想。英飞凌是这些大多数IC厂家的典型代表，该公司己明确表示，不会只建90 nm以下的晶圆厂，而是向轻晶圆策略转变，既与其他厂商联合研发和量产45 nm芯片。表3给出世界各大IC公司联合研发45 nm工艺的概况。日本是联合研发45 nm工艺的典范，一是官方组织；二是民间组织。官方组织有两大项目：(1)Mirai(未来)项目(2001～2007)，由半导体前沿技术公司Selete领导，Selete选择富士通、NEC电子、瑞萨和东芝为核心公司、着重研发EUV(极远紫外)光刻技术和掩模工艺，前端工艺着重于实现使用的金属栅／高k材料，后端工艺着重于做低k材料；(2)AsukaII(飞鸟)项目(2006～2011年)，着重研发45、32nm技术，每年投资100亿日元。

    欧洲以Crolles2联盟和比利时IMEC微电子中心为核心联合研发45 nm工艺，如IMEC微电子中心研发45 nm工艺的项目有：(1)157 m远紫外线(DUV)和EUVG光刻技术；(2)用于平面缩小器件的高迁移率膜的应用和先进源／漏极工程方案；(3)用于平面缩小器件的高后材料和金属栅极；(4)新兴COMS器件；(5)先进互连解决方案；(6)45 nm工艺技术的清洗和杂质控制等。美国以IBM为核心，与美国AND、日本索尼和东芝、欧洲英飞凌、亚洲三星与特许等联合研发45 nm工艺。

    3 英特尔一意孤行采用193 nm ArF光刻机

    英特尔已成功将193 nm ArF光刻机量产65 nm芯片，并将它延伸至量产45 nm芯片。由于193 nmArF光刻机的分辨率比193 nm ArF浸没式光刻机低，所以前者对OPC和PSM的要求相对于193 nmArF浸没式光刻机要高一些，必须建立以RET(分辨率增强技术)／OPC为核心的DFM，并与良率／工艺为核心的DFM相结合，形成一个完整的DFM(可制造性设计)[1]。

    4 大多数IC公司采用193 nm ArF浸没式光刻机

    业界认为，193 nm ArF浸没式光刻机将是65、45 nm工艺的主流光刻设备，甚至可延伸至32 nm工艺。为此，世界光学光刻机三大巨头ASML、Nikon和Canon积极研发和生产193 nm ArF浸没式光刻机，见表4[2、3]。2006年1月Nikon出货首台193 nm ArF浸没式光刻机NSR-S609B，其NA=1．07。该光刻机有两大创新：(1)采用独创的局部填充技术消除了浸没式光刻机产生的缺陷，如气泡、水迹以及硅片背面污染等问题，同时也防止了浸没液体的蒸发，改善了与浸没技术相关的套准问题；(2)安装先进的Tandem平台，采用双平台设计，具备不同功能，能优化浸没式光刻机整体性能，如曝光平台可实现高速曝光和移动，校准平台在每次硅片交换的间隙校准设备，保持其优异性能、使用Tandem平台，光刻机的套准精度可降至7nm，而且重复校准、测试有助于消除波动和漂移，使光刻机始终保持稳定的状态[4]。

    除英特尔外其他芯片厂都表示，要采用193 nmArF浸没式光刻机对65、45 nm芯片进行光刻，见表5。2006年2月台积电在美国加州圣苛两《SPIE微光刻2006》研讨会上宣布采用193 nm ArF浸没式光刻显影技术已刻出多批45 nm测试芯片，在单芯片上缺陷数最低的只有3个，几乎达到零缺陷密度的水平，完全符合量产45 nm芯片所要求的参数标准。

    5 提高193 nm ArF浸没式光刻机分辨率的途径

    光学光刻机的分辨率R=k1λ/NA，其中：k1为工艺系数；λ为曝光光源波长；NA为光学透镜数值孔径。对于193 nm ArF浸没式光刻机，要提高其R值必须增大NA。提高193 nm ArF光刻机的解决方案见表6。要提高用于45。nm工艺的193nm ArF光刻机(NA>1．3)的解决方案由图l给出[5]。由此可见，要提高NA，必须在浸没液体折射率、光学主镜头设计、光学材料和光刻胶等方面取得突破性的进展。

    5．1 寻找高折射率的浸没液体

    光学光刻机的光学镜头与晶圆之间的介质从空气(介质折射率为1)→水(折射率为1．44)→高折射率浸没液体(折射率>1．64)，缩短λ和增大NA，从而提高分辨率。2005年日本东京JSR公司在《SPIE微光刻2005》研讨会上推出HIL-1型浸没液体，其折射率为1．64。2006年2月．JSR与IBM联合推出折射率为1．65的浸没液体和高折射率双光束干涉浸没式光刻系统Nemo系统，刻出29．9 nm的线条，见表4。Nemo系统中的主镜头采用高密度石英材料，光刻胶采用折射率为1．7的新型光刻胶，使光学光刻寿命至少延长7年[6]。

    5．2 改善光学主镜头

    改善光学主镜头能提高光刻机NA，一是设计好主镜头，可用弯曲主镜头替代平面镜头，但弯曲主镜头用于浸没式光刻机有一定难度，因为弯曲的表面很难控制浸没液体的流动；二是寻找高折射率的光学主镜头材料，见图2，目前193 nm ArF浸没式光刻机主镜头折射率为1．56，IBM与JSR联合推出Nemo系统主镜头采用高密度石英材料，其折射率为1．6，可是高纯度的氟化钙材料太昂贵，它是扼杀157 nm光刻技术的一个重要原因。IBM认为：要研究折射率为1．7～1．9的新型光学材料，甚至折射率为2．1的镥铝柘榴石(LuAG)[6]。

    5.3 提高光刻胶分辨率

    提高光刻胶的分辨率就是要寻找高折射率的光刻胶，IBM与JSR共同刻出29．9 nm线条的光刻胶折射率为1．7。罗门哈斯材料公司已推出Epic2330浸没式光刻胶用于65 rim工艺，Epic2330浸没式光刻胶在传统干法光刻技术和浸没式光刻技术上的表现没有明显的差异。当Epic2330浸没式光刻胶用于浸没式光刻时，它既可以不使用项部疏水涂层，也能完全兼容目前主流的各种顶部疏水涂层。该公司又推出用于45 nm工艺的Epic3000系列浸没式光刻胶，经193 nm ArF浸没式光刻机试用，Epic3000系列浸没式光刻胶没有水迹缺陷。为了防止浸没式光刻胶的挥发物对光刻机镜头损伤，常常在浸没式光刻胶顶部涂一层疏水涂层。经证明，顶部疏水涂层可浸析水中抗蚀剂因素[光酸发生剂(PAGS)，基础淬灭剂]，并可防止对镜头潜在的损伤，数据表明顶部疏水涂层可减少浸析400倍[7]。但是，项部疏水涂层会增加水中的缺陷或引起光刻性能的改变。业界认为，最好不要采用顶部疏水涂层，即使要采用，这种涂层应是可溶解的，在显影液中能完全去除涂层。日本Fujifilm公司正在研发一种无须顶部疏水涂层的工艺，因为光刻胶表面挥发物的损伤非常有限，他们已找到了补偿的办法。目前193 nm光刻胶制造商正在积极调整光刻胶高分子聚合物的结构和各成分的配方，制造出优质的193 nm光刻胶适用于193 nm ArF浸没式光刻工艺。

    5．4 优化掩模版

    采用浸没式光刻技术，不仅可提高硅片端光学镜头的NA，而且可增大掩模版端的NA，如目前几乎已达极限的干法光刻技术，其硅片端光学镜头NA为0．93，掩模版端的NA仅为0．22～0．23；若采用浸没式光刻技术，其硅片端光学镜头NA的理论极限为1．35，掩模版端的NA会达到0．34～0-35，显然比前者高很多。采用浸没式光刻技术对掩模版将产生3个影响：(1)增火掩模版端的光线入射角度，从而导致偏振效应；(2)提高对掩模版表面图形型貌的敏感性；(3)加剧掩模版图形尺寸接近曝光波长时的负面效应。为了削弱偏振效应，可采取2条措施：(1)提高掩模版放人倍率，这实质上是提高掩模版图形的高宽比，这种办法带来两人弊端，一是要使用多块掩模版来完成已经一块掩模版所肩负的使命，导致产能下降和对准误差等问题；二是要增人光学镜头的尺寸，导致难以制造和成本提高等问题。(2)优化掩模版的光线吸收层，或减薄掩模版的光线吸收层；或调整掩模版材料的折射率，如采用低双折射的石英材料，这是掩模版制造史上的一次创新[5]。

    5．5 改进曝光技术

    如果193 nm ArF浸没式光刻机要延伸至32 nm节点，必须采用双重曝光技术，它有两大好处：(1)提高光学临近修正的表现，将一次曝光分二次实现，一次曝光横向线条，另一次曝光纵向线条，线条末端收缩问题可得到明显改善；(2)节省运营成本，因为二次成像技术中掩模版的制造难度会下降很多。采用双重曝光技术的缺陷是产能低。

    5．6 综合利用波前工程

    不断增大193 nm ArF浸没式光刻机的NA可提高其分辨率，但会带来两大弊病：(1)使偏振效应对光刻机光路系统的负面影响更为严重，这种潜在的负面影响包含：(A)光源产生的影响，(B)掩模版产生的影响，(C)投影光路产生的影响，(D)硅片产生的影响；(2)捕获更多的衍射级数和更大角度的光线，加剧偏振效应的负面影响。为了削减偏振效应的负面影响，必须在0PC(光学临近效应修正)中引入先进的四级照明和两级照明技术。OPC软件商献计献策，他们提出的模型可解释变化多端的偏振效应的机理和表现，通过软件的模拟，来确定偏振效应是来自光源、掩模版、光学镜头、还是来自硅片本身。ASML、Nikon和Canon都将研发优化的极化偏振照明系统。2005年Sematech和Synopsys联合推出适用于193 nm ArF浸没式光刻技术的先进0PC模型，在45 nm节点上已展示出广阔的应用前景，该模型还可延伸至32 nm节点。Synopsys正在致力于提供一个可以不断延伸的软件平台，这种模拟软件能根据实际情况精确地更新自身的参数和模型设置。在综合使用波前工程中，必须建立以RET／OPC为核心的DFM，以满足45、32 nm芯片的量产要求。

    总之，193 nm ArF浸没式光刻机将在量产65、45、32 nm芯片中大显身手，大展宏图。