從1947年第一個晶體管問世算起，半導體技術一直在迅猛發(fā)展，現(xiàn)在它仍保持著強勁的發(fā)展態(tài)勢，繼續(xù)遵循摩爾定律指明的方向前進，大尺寸、細線寬、高精度、高效率、低成本的IC生產(chǎn)，正在對半導體產(chǎn)業(yè)鏈帶來前所未有的挑戰(zhàn)。

集成電路在制造過程中經(jīng)歷了材料制備、掩膜、光刻、清洗、刻蝕、摻雜、化學機械拋光等多個工序，其中尤以光刻工藝最為關鍵，決定著制造工藝的先進程度。隨著集成電路由微米級向鈉米級發(fā)展，光刻采用的光波波長也從近紫外（NUV）區(qū)間的436nm、365nm波長進入到深紫外（DUV）區(qū)間的248nm、193nm波長。目前大部分芯片制造工藝采用了248nm和193nm光刻技術。目前對于13.5nm波長的EUV極端遠紫外光刻技術研究也在提速前進。

可以說，隨著芯片集成度的提高，對光刻技術提出了越來越高的要求，而光刻技術的演進，在某種程度上也反映了半導體技術的發(fā)展路線。上世紀中葉，IEEE電子和電子工程師協(xié)會設立了ITRS組織，該組織每年都會發(fā)布一份半導體領域中技術路線圖——ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductors）。但在2017年，IEEE停止更新ITRS，并將其重新重命名為IRDS，他們認為這樣可以更全面地反應各種系統(tǒng)級新技術。 

IRDS路線圖光刻委員會主席、廈門大學嘉庚創(chuàng)新實驗室產(chǎn)業(yè)運營平臺科技總監(jiān)，廈門大學半導體科學與技術學院客座教授Mark Neisser最近對光刻技術與半導體路線之間的關系進行了詳細解讀。

Mark Neisser指出，當前的IRDS路線圖預測了未來15年的行業(yè)需求，并指出了關鍵挑戰(zhàn)和技術選擇。他表示，摩爾定律的意義在于，指示了“提高每個芯片中的晶體管數(shù)量降低了計算成本”的路線，在數(shù)十年被摩爾定律“規(guī)劃”的半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，它也逐漸被扭曲為自我實現(xiàn)的預言：（芯片設計公司）競爭對手總是試圖跟上摩爾定律預測的創(chuàng)新步伐，一旦某一個競爭者可以達到這個速度，其他所有的人都必須努力達到這個速度。一旦跟不上節(jié)奏，你的成本就會高于競爭對手的成本而在競爭中落于下風。與此同時，設備、工具、材料、供應商、軟件都必須改進，以實現(xiàn)更高的晶體管密度和更低的成本。

其中，隨著工藝演進，光刻波長經(jīng)歷了幾次大的更迭，i-line時期使用的波長為365nm，KrF時期使用的波長為248nm，ArF時期使用的波長為193nm，進入EUV時代后使用的波長為13.5nm。每一代光刻技術的革新都對光刻機等設備和材料提出了新挑戰(zhàn)。

如上圖中的光刻公式，決定光刻分辨率的因素有三個：1.選用更小波長的光源，2.通過增大投影入射角及折射率更高的界面材料來提高數(shù)值孔徑NA值，3.并通過分辨率增強技術以獲取更低的工藝因子k1。

歷史上光刻工藝中的成像改進，都伴隨著工具改進、材料和工藝改進以及多重成像（multiple patterning）。

工具改進，包括使用更小的波長以獲得更高的分辨率；改善對焦控制和套準（overlay）控制；更高數(shù)值孔徑（NA）的鏡頭；更好的控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)；掩膜和芯片設計的改進等等。

材料和工藝改進，包括抗放射涂層材料；改變印刷臨界尺寸的收縮材料和線寬修剪材料；用于新一代光刻波長的光刻膠；刻蝕放大材料；光刻膠清洗材料和涂層；CMP工藝以及突破曝光工具分辨率極限的多重曝光工藝等。

以CMOS器件變遷歷史為例。最初，CMOS器件越小性能越好，更小的尺寸意味著更快的導通，工作電壓也更小。在某種程度上，尺寸縮小帶來的副作用影響了器件性能，例如漏電流增加，寄生電容增加等。器件結(jié)構(gòu)和工藝一直在改進以實現(xiàn)更小尺寸和更好的性能，包括隔離，柵極材料、漏極和摻雜圖案等等，來達到更高的PPAC要求（PPAC，power, performance, area和cost）。

隨著平面器件結(jié)構(gòu)縮小尺寸已不能滿足性能需求，三維的FinFET晶體管架構(gòu)逐漸成為高性能邏輯標準器件，IRDS路線圖預測高性能器件的晶體管結(jié)構(gòu)將發(fā)生更多變化。

下圖預測了未來邏輯器件結(jié)構(gòu)演進方向，從當前的FinFET，到lateral GAA，再到3D VLSI等。邏輯器件從特征尺寸縮微逐步轉(zhuǎn)變到三維縮微。存儲器件將是率先發(fā)生這一轉(zhuǎn)變的領域，并且閃存技術已經(jīng)開始三維縮微。

如下圖，隨著存儲密度快速提升，由于存儲單元太小而無法可靠地保留存儲狀態(tài)，且達到了糾錯能力的極限，平面結(jié)構(gòu)閃存已無法繼續(xù)提升性能，基于三維縮放的3D NAND閃存開始成為主流。3D存儲單元的體積比2D閃存要大得多，眾多的層數(shù)也意味著可以實現(xiàn)比2D存儲器件更多的存儲密度，目前業(yè)內(nèi)3D NAND閃存最高已達到176層，還將繼續(xù)增加。SK海力士已經(jīng)在討論2025年達到500層，2030年800層的規(guī)劃。

其他新型存儲技術方面，英特爾和美光聯(lián)合研發(fā)的3D XPoint開始量產(chǎn)，但是目標用途與DRAM不同，目前也還沒有哪種存儲技術能夠取代DRAM或閃存，其他類型的存儲技術只占據(jù)了市場的一小部分。

下圖列出了2018年開始，7nm制程之后光刻技術的主要尺寸要求。IRDS據(jù)此給出了潛在的光刻解決方案選擇，以及將面臨的關鍵挑戰(zhàn)。

幾項光刻技術和面臨的挑戰(zhàn)

隨著5nm工藝芯片進入批量生產(chǎn)，科研機構(gòu)將傾向于研發(fā)下一代光刻技術，包括多電子束直寫光刻機（MEB）、納米壓印技術（NIL）以及定向自組裝技術（DSA）。其中，MEB被廣泛應用于掩膜的制造，分辨率可達到2nm，未來將被用于在晶圓上直接刻畫圖形而不借助掩膜版。NIL分辨率極高可達2nm，用于制造特殊圖形的模具、壓印特殊圖形。DSA則利用兩種聚合物材料的定向生長進行加工，對于材料的控制要求高，生長缺陷大，目前還不能真正用于生產(chǎn)，但可兼顧高分辨率極高的加工速度需求。

納米壓印

其分辨率只與模版圖案的尺寸有關，而不受光學光刻的最短曝光波長的物理限制。納米壓印有望用于制造例如閃存等成本敏感、可容錯（defect-tolerant）的產(chǎn)品。該技術無需投影光學，但挑戰(zhàn)包括缺陷和套準等。

DSA（定向自組裝）

可以通過BCP（block co-polymer）實現(xiàn)間距致密化的目標，有望用于半導體量產(chǎn)。缺陷和設計是現(xiàn)階段主要挑戰(zhàn)。大約十年前，或許雙重成像（double patterning）要比DSA要好一些，但是如今DSA具備更長遠的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

對LER/LWR(邊緣粗糙度/線寬粗糙度)的要求已經(jīng)來到分子水平，以至于到2022年，噪點將是一個關鍵挑戰(zhàn)，對成像圖案的質(zhì)量影響非常大，進而會影響芯片的電氣性能。化學和光的隨機性會在已成像的光刻膠中產(chǎn)生噪點。下圖中紅點顯示曝光后和烘烤前產(chǎn)生的個別酸。

在EUV中，光子撞擊光刻膠發(fā)生反應且這一動作重復多次，這些過程充滿不可預測性和隨機性，可能會產(chǎn)生新的反應，也就是說EUV光刻工藝容易出現(xiàn)所謂的隨機性，是具有隨機變量的事件，這些變化被統(tǒng)稱為隨機效應。隨機效應有時會導致芯片中出現(xiàn)不必要的接觸缺陷或有粗糙度的圖案，兩者都會影響芯片的性能，甚至導致設備出現(xiàn)故障。在過去的幾年中，這些問題在傳統(tǒng)的光刻技術中基本被忽略了。但對于EUV而言，隨機效應成為主要問題之一，越高級的節(jié)點，隨機效應越嚴重。

由于成像噪點的原因，不得不降低光刻膠的劑量，但是較低的劑量也意味著更少的光子，以及更高的隨機概率。預計在未來兩年內(nèi)吞吐量將下降2.5倍。下圖顯示了光刻膠劑量和最小通孔直徑之間的關系。

其他挑戰(zhàn)，包括套準；可用的EUV掩膜防護罩需要在對比度、結(jié)構(gòu)等方面繼續(xù)改進；更小的臨界尺寸和3D結(jié)構(gòu)要求在薄膜沉積和刻蝕工藝進一步改善；更多的層數(shù)和工藝步驟對成本和良率帶來的挑戰(zhàn)等。

總結(jié)和建議

在十年內(nèi)，預計晶體管尺寸將繼續(xù)縮微，尤其是高性能邏輯器件將繼續(xù)推動這一趨勢。從長期來看，器件堆疊工藝將能夠提供更高的性能，而挑戰(zhàn)主要在于良率，工藝產(chǎn)能和成本等方面，當前光刻機的分辨率能力足以滿足預計的需求。光刻工藝中噪點和缺陷是亟需解決的關鍵挑戰(zhàn)，而摩爾定律也將在未來一段時間內(nèi)繼續(xù)發(fā)揮作用。

Mark Neisser對中國半導體產(chǎn)業(yè)也提出了幾點建議。他指出，首先，需要以解決客戶問題的方式進行創(chuàng)新。作為中國半導體制造商客戶的中國公司，很多好的創(chuàng)新都是由客戶需求驅(qū)動的，因此，并非所有這些創(chuàng)新都是遵循路線圖的。例如，格芯近幾年已經(jīng)放棄了追逐路線圖的嘗試，現(xiàn)在也依然發(fā)展的很好。該公司通過SoI等其他途徑來解決客戶的芯片需求，而不僅僅是嘗試模仿或跟隨其他公司的腳步。因此，如果能夠創(chuàng)造自己的專長，也能在技術貿(mào)易等領域處于更有利的地位，并以創(chuàng)新推動行業(yè)前進。此外，他還強調(diào)，要重視半導體領域的基礎研究，從研究到出成果，開發(fā)以及制造之間，有5到10年的時間差，基礎研究是長期而又非常必要的工作。