CPU光刻技術分析与展望.doc

第1页：CPU光刻技术分析与展望 前言：光刻技术作为半导体工业的“领头羊”，在半个世纪的进化历程中为整个产业的发展提供了最为有力的技术支撑。历经50年，集成电路已经从上世纪60年代的每个芯片上仅几十个器件发展到现在的每个芯片上可包含约10亿个器件。在摩尔定律的指引下，半导体技术的集成度每3年提高4倍。 半导体光刻的工艺高低，决定了在单位圆晶片上能够集成晶体管的数目。我们通常所说的90纳米45纳米是指在圆晶片上能够刻蚀的晶体管的最短沟道。沟道越短则芯片的速度越快，时钟的上升沿就越短，进而提高集成芯片的系统时钟。 　　● 光刻技术在半导体产业中的重要地位 人类社会对于“刻”、“做标记”并不陌生。作为文明的标志，远古的人们在洞穴中刻出了生命的图腾。作为现代科学的象征，今天的人们在半导体晶片上刻出电路的结构。远古的人们用的是木头，石头，今天人们更加聪明，需要刻在更加微小的尺度上，人们用的是电和光。同样是一个刻，刻在半导体上就成了电路。  当然实际上没有理论分析地这么简单。光刻只是在半导体上刻出晶体管器件的结构，以及晶体管之间连接的通路。要真正地实现电路，则还需要搀杂，沉积，封装等系列芯片工艺手段。但光刻是第一步，整个芯片工艺所能达到的最小尺寸是由光刻工艺决定的。 自从1947年第一个晶体管发明以来，科学技术一直在迅猛发展，为更高级、更强大、成本效益和能效更高的产品发明铺平了道路。尽管进步巨大，但是晶体管发热和电流泄露问题始终是制造更小的晶体管、让摩尔定律持久发挥效力的关键障碍。毫无疑问，过去40年一直用来制造晶体管的某些材料需要进行替代。 世界上第一个晶体管 从第一个晶体管问世算起，半导体技术的发展已有多半个世纪了，现在它仍保持着强劲的发展态势，继续遵循Moore定律即芯片集成度18个月翻一番，每三年器件尺寸缩小0.7倍的速度发展。大尺寸、细线宽、高精度、高效率、低成本的IC生产，正在对半导体设备带来前所未有的挑战。 集成电路在制造过程中经历了材料制备、掩膜、光刻、清洗、刻蚀、渗杂、化学机械抛光等多个工序，其中尤以光刻工艺最为关键，决定着制造工艺的先进程度。随着集成电路由微米级向钠米级发展，光刻采用的光波波长也从近紫外（NUV）区间的436nm、365nm波长进入到深紫外（DUV）区间的248nm、193nm波长。目前大部分芯片制造工艺采用了248nm和193nm光刻技术。目前对于13.5nm波长的EUV极端远紫外光刻技术研究也在提速前进。 1997年，IBM公司开发出芯片铜互联技术 随着芯片集成度的提高，对光刻技术提出了越来越高的要求。在上世纪80年代，普遍认为光学光刻技术所能达到的极限分辨率为0.5，但是随着一些新技术的应用和发展，包括光源、成像透镜、光致抗蚀剂、分步扫描技术以及光刻分辨率增强技术（RET）的发展，使其光刻极限已推进到目前的0.1 以下。尽管有人对光学光刻的潜力充满怀疑，但其仍以顽强的生命力，不断突破所谓的极限分辨率，是目前所采用的主流光刻技术。 Intel提供的一整块300mm晶圆与一个65nm工艺制造晶体管 光刻技术是集成电路的关键技术之一，它在整个产品制造中是重要的经济影响因子，光刻成本占据了整个制造成本的35％。光刻也是决定了集成电路按照摩尔定律发展的一个重要原因，如果没有光刻技术的进步，集成电路就不可能从微米进入深亚微米再进入纳米时代。 第2页：半导体芯片生产工序简析 　　● 半导体芯片生产工序简析 要了解芯片的生产工艺，我们需要先知道芯片是怎么被制造出来的。让我们分几个步骤学习芯片的生产过程。 1、硅提纯 生产芯片等芯片的材料是半导体，现阶段主要的材料是硅Si，这是一种非金属元素，从化学的角度来看，由于它处于元素周期表中金属元素区与非金属元素区的交界处，所以具有半导体的性质，适合于制造各种微小的晶体管，是目前最适宜于制造现代大规模集成电路的材料之一。 在硅提纯的过程中，原材料硅将被熔化，并放进一个巨大的石英熔炉。这时向熔炉里放入一颗晶种，以便硅晶体围着这颗晶种生长，直到形成一个几近完美的单晶硅。以往的硅锭的直径大都是200毫米，而芯片厂商正在增加300毫米晶圆的生产。 单晶硅硅锭 2、切割晶圆 硅锭造出来了，并被整型成一个完美的圆柱体，接下来将被切割成片状，称为晶圆。晶圆才被真正用于芯片的制造。所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片，并将其划分成多个细小的区域，每个区域都将成为一个芯片的内核(Die)。一般来说，晶圆切得越薄，相同量的硅材料能够制造的芯片成品就越多。 ORION 单晶圆清洗系统 3、影印（Photolithography） 在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻（Photoresist）物质，紫外线通过印制着芯片复杂电路结构图样的