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隨著半導(dǎo)體的發(fā)展，我們的生活在過去幾十年中發(fā)生了巨大變化。50年前，研究人員家中的電器只有收音機(jī)和電視機(jī)，通信設(shè)備也只有電話。即使在辦公室，打字機(jī)和計(jì)算機(jī)也并不普遍，只有一些大型企業(yè)能夠使用大型計(jì)算機(jī)。而如今，個(gè)人計(jì)算機(jī)幾乎已經(jīng)成為普通家庭的必備之物，性能遠(yuǎn)超當(dāng)年的大型計(jì)算機(jī)，不僅具備計(jì)算能力，還能進(jìn)行通信，另外，只有手掌大小的智能手機(jī)也早已在社會(huì)生活中普及開來。這一切背后的支撐技術(shù)之一就是半導(dǎo)體。

微縮化的指導(dǎo)原則及其效果

1965年4月，英特爾的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）在仙童（Fairchild）公司的研發(fā)部門工作期間，在?Electronics?雜志上發(fā)表了一篇指導(dǎo)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展方向的論文。這篇文章提出了著名的摩爾定律1)。圖?1?展示的就是摩爾定律的內(nèi)容（箭頭是筆者添加的）。這幅圖顯示：隨著時(shí)間的推移，半導(dǎo)體微加工技術(shù)的發(fā)展將使芯片上的半導(dǎo)體元件數(shù)量增加，晶體管的平均成本將會(huì)降低。文章預(yù)測(cè)，成本的降低必將使計(jì)算機(jī)進(jìn)入普通家庭。

圖1.摩爾定律1圖2展示了半導(dǎo)體中最小加工尺寸及微處理器工作頻率的發(fā)展歷程。如圖2所示，盡管元件尺寸不斷縮小，但由于器件發(fā)熱帶來的限制，時(shí)鐘頻率已經(jīng)出現(xiàn)了飽和趨勢(shì)。

圖2.最小加工尺寸的微縮化與微處理器工作頻率的提高但從系統(tǒng)的角度來看，研究人員對(duì)處理器速度的要求仍然不斷提高，于是采用了多核并行工作的技術(shù)來加快計(jì)算速度。因此，芯片上的晶體管數(shù)量至今仍在持續(xù)增加。另一方面，微縮化帶來的最大好處是降低成本。圖3顯示了隨著微縮化的推進(jìn)，每個(gè)晶體管的成本以及每塊芯片上晶體管的數(shù)量變化2)。從圖中我們看出，每個(gè)晶體管的成本相比于最初已經(jīng)驟減了1億倍，如前所述，這正是高性能計(jì)算機(jī)普及到普通家庭的推動(dòng)力。晶體管的尺寸從10μm級(jí)別縮小了1000倍，來到了10nm級(jí)別，而面積縮小了1百萬倍。當(dāng)然，除了微縮化（即光刻技術(shù)）以外，其他工藝技術(shù)、器件技術(shù)，以及晶圓尺寸的增大、芯片尺寸的增大等，也為降低成本做出了貢獻(xiàn)，但總的來說有一點(diǎn)是非常清楚的：面積的縮小帶來的貢獻(xiàn)是最大的。這樣看來，摩爾定律所具有的經(jīng)濟(jì)意義，遠(yuǎn)超其技術(shù)意義。但早年間，光刻技術(shù)主要采用接觸式曝光技術(shù)，微縮化并沒有明確的指導(dǎo)原則，而是由材料技術(shù)發(fā)展所帶來的工藝進(jìn)步來支撐。

圖3.?集成電路芯片上晶體管數(shù)量增加，微處理器（MPU）中每個(gè)晶體管的成本下降相比之下，IBM 的羅伯特·丹納德（Robert Dennard）在1974年提出的縮放定律（ScalingLaw）為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的微縮化提供了明確的技術(shù)指導(dǎo)原則，如圖4所示。這個(gè)時(shí)代，光刻技術(shù)也發(fā)生了重大變化，從接觸式曝光發(fā)展到投影式曝光，尤其是縮微投影曝光技術(shù)的開發(fā)，為器件的微縮化提供了明確的指導(dǎo)原則。

圖4.Dennard縮放定律3）根據(jù)瑞利判據(jù)（Rayleigh Criterion），分辨率取決于曝光波長(zhǎng)和投影光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑（NA)。

這里，R代表分辨率，λ代表曝光波長(zhǎng)，NA是投影光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，K1是由光刻膠材料和曝光方式?jīng)Q定的工藝因子。根據(jù)這個(gè)公式，我們可以看出，要提高分辨率R，就需要增大數(shù)值孔徑NA，縮短曝光波長(zhǎng)λ，縮小工藝因子K1。因此，縮放法則和瑞利準(zhǔn)則提供了提高分辨率的明確指導(dǎo)，從而使微縮化真正成為可能。這種微縮化使摩爾定律得以實(shí)現(xiàn)，也為半導(dǎo)體的高度集成化、高性能化、低成本化和低功耗化提供了原動(dòng)力。

各種工藝技術(shù)和器件技術(shù)支持著高度的集成化，但光刻技術(shù)的發(fā)展是其中最核心的要素。這里的光刻技術(shù)是一個(gè)綜合的概念，包含了光刻機(jī)技術(shù)、光源技術(shù)、光刻膠技術(shù)、掩膜技術(shù)、掩膜版制作技術(shù)，以及加工后的圖形評(píng)估技術(shù)等一系列基礎(chǔ)技術(shù)。此外，將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到基板上的干法刻蝕技術(shù)也為微縮化做出了重要貢獻(xiàn)。時(shí)至今日，多重圖形化技術(shù)已經(jīng)成為微縮加工的核心。

光刻技術(shù)的發(fā)展及其困難

在過去50年中，光刻技術(shù)多次遇到分辨率的瓶頸，解決辦法都是通過提高數(shù)值孔徑（NA）縮短波長(zhǎng)等手段，來提升分辨率。然而近年來，數(shù)值孔徑和縮短波長(zhǎng)這兩種手段也已經(jīng)用到了極限，雖然研究人員嘗試了各種方法來提升分辨率，但在過去幾年并沒有明顯的進(jìn)展。半導(dǎo)體器件微縮化的需求還在提高。為了解決困難，研究人員引入了多重圖形化技術(shù)，以應(yīng)對(duì)器件的微縮化需求。

多重圖形化的方法大致可以分為分割法（PitchSplit）和間隔法（Sidewall Spacer）兩種。分割法，我們以雙重圖形化為例來講解。首先將圖形中的條紋根據(jù)相鄰關(guān)系分成兩組，然后按照?qǐng)D5（a）所示的方式將其分割成兩個(gè)層次的圖形。如果無法分割，就需要調(diào)整部分圖形的形狀以實(shí)現(xiàn)分割。工藝流程如圖5（b）所示。首先在硅基片上形成加工層和犧牲層，并涂覆光刻膠。然后進(jìn)行第一層圖形的曝光和顯影，并對(duì)其進(jìn)行減薄處理（即縮小條紋尺寸），再將得到的圖形刻蝕到犧牲層上。

接著，再次涂覆光刻膠并進(jìn)行第二層圖形的曝光和顯影。在這個(gè)過程中，需要非常精準(zhǔn)地把第二層圖形套刻在第一層圖形上，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)高精度的微縮化來說非常重要。再對(duì)第二層圖形進(jìn)行減薄處理。最后，把第二層圖形和之前加工完成的第一層犧牲層圖形一起刻蝕到加工層上，整個(gè)工藝就完成了。這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)在于它仍然適用于傳統(tǒng)的二維圖形，但套刻精度和減薄精度對(duì)條紋尺寸（條紋間隔）有很大的影響，這是一個(gè)困難所在。這里展示的工藝是雙重圖形化技術(shù)的一個(gè)簡(jiǎn)單示例，實(shí)際生產(chǎn)中有許多不同的樣式。另外，重復(fù)這種思路，研究人員還可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的工藝，例如四重圖形化、八重圖形化等。

圖5.分割法雙重圖形化工藝接下來對(duì)于間隔法，我們也用雙重圖形化為例來解釋。該方法適用于簡(jiǎn)單的條紋/溝槽（Line and Space）圖形。首先，用傳統(tǒng)工藝加工出一定尺寸和間隔的光刻膠圖形，如圖6所示。然后對(duì)該圖形進(jìn)行減薄，使得條紋間隔與條紋寬度之比為3∶1。

然后涂覆一層加工膜，使其在條紋的兩側(cè)都形成側(cè)壁。這里需要調(diào)整側(cè)壁的膜厚，使其與條紋寬度相同。然后進(jìn)行全面刻蝕，直接露出光刻膠層，基片上只保留光刻膠條紋以及側(cè)壁。除去光刻膠，基片上只保留側(cè)壁，其尺寸和間距都等于前面減薄后的條紋寬度。最后再次通過涂膠、曝光和刻蝕在硅片上刻出圖形，然后除去側(cè)壁，并獲得所需的圖形。這種技術(shù)的特點(diǎn)是不需要在微小的區(qū)域進(jìn)行套刻曝光，因此不需要提高套刻精度。通過重復(fù)上述思路，可以推廣到四重圖形化、八重圖形化等。

圖6.間隔法雙重圖形化工藝這兩個(gè)例子都證明，多重圖形化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以達(dá)到的分辨率。但問題是工藝變得非常復(fù)雜，制造成本非常高。此外，在分割法中，光刻機(jī)的套刻精度限制著整體圖形的精度，因此提高光刻機(jī)的套刻精度也就變得非常重要。

下一代光刻技術(shù)及未來發(fā)展

各種尚在探索和研發(fā)中的下一代光刻技術(shù)（NGL：Next Generation Lithography），也叫后光刻技術(shù)，包括： EUV 光刻技術(shù)，以無掩膜光刻技術(shù)（ML2：Maskless Lithograpny）為代表的電子束刻蝕技術(shù)，納米壓印光刻技術(shù)（NIL： Nano Imprint Lithography），以及定向自組裝（DSA：Directed Self-Assembly）技術(shù)等。電子束刻蝕技術(shù)不僅適用于晶圓加工，還廣泛應(yīng)用于掩膜版繪制，并形成了一個(gè)技術(shù)體系。

電子束刻蝕技術(shù)的挑戰(zhàn)在于其繪制速度較慢，因此量產(chǎn)應(yīng)用尚未實(shí)現(xiàn)。在掩膜版的繪制方面也面臨著同樣的挑戰(zhàn)，近年來出現(xiàn)了許多復(fù)雜的掩膜，甚至一整天都無法繪制完成一張掩膜版。為了解決這個(gè)問題，研究人員正在努力研發(fā)各種多電子束刻蝕技術(shù)。

通過多電子束刻蝕技術(shù)，即使是以前需要很長(zhǎng)時(shí)間繪制的復(fù)雜的掩膜版圖形，例如以前必須使用反演光刻技術(shù)（ILT：Inverse?Lithography Technology）才能得到的掩膜，現(xiàn)在也可以在短時(shí)間內(nèi)繪制完成，因此這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)促進(jìn)新的光刻技術(shù)的改革。此外，作為半導(dǎo)體微加工技術(shù)的發(fā)展，以MEMS為首的各種加工技術(shù)正在發(fā)展。本書將介紹這些應(yīng)用技術(shù)，以展示光刻技術(shù)的最新發(fā)展情況。以上內(nèi)容節(jié)選自《半導(dǎo)體微縮圖形化與下一代光刻技術(shù)精講》作者：[日]岡崎信次

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