从光刻技术看cpu工艺尺寸发展

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1、从光刻技术看工艺尺寸的发展广西桂林541000摘要：当前半导体器件加工水平已经进入22nm工艺制程，业界各大厂商都在探索更小的工艺技术特征尺寸，下一代半导体器件加工水平将是16nm或者14nm。根据摩尔定律，14nm工艺技术应将在2015前后大规模投入量产。目前的光刻技术遇到瓶颈，掩膜、光刻胶、光源、浸入液及镜头等都遇到技术节等。本文主要介绍当今半导体器件的工艺技术与下一代工艺技术的制造技术及其难点。对各种加工工艺进行比较，并展望下一代半导体器件的加工工艺。关键词：光刻技术，EUV，掩膜，光刻胶，光刻机1引言决定CPU的工艺尺寸因素从大方向看有两个：一是，C

2、PU的材料；二是，加工工艺。本文只探讨加CPU的加工工艺对其工艺尺寸发展的限制因素，而其中的主要技术是：光刻技术。首先，CPU的工艺尺寸指的是CPU中各个晶体管之间互联导线的宽度。传统的光刻技术是通过曝光的方法将掩膜上设计的CPU图像转移到涂覆于硅晶片表面的光刻胶上，然后通过显影、刻蚀等工艺将图形转移到硅片上。故光刻技术直接决定了集成电路的特征尺寸，是集成电路最关键的工艺，也决定了电路集成规模的大小。人们不断减小曝光波长，增大投影物镜的数值孔径，并采用分辨率增强技术降低光刻工艺因子K1。光刻机的曝光波长[1]已经从436nm(g线)，365nm(i线)，24

3、8nm(KrF)，193nm(ArF)减小到目前的13.5nm极紫外光刻（EUVL）。光刻机先后经历了从接触式光刻机、接近式光刻机、全硅片扫描投影式光刻机、分步重复投影式光刻机到目前普遍采用的步进扫描投影式光刻机的发展历程，解决了数值孔径增大带来的视场变小的问题[2]。由于高端芯片尺寸的增大要求增大硅片的尺寸，同时为了提高产率，避免频繁更换硅片，光刻机使用的硅片直径也从150mm，200mm增大到目前的300mm。450mm硅片正在研制中。估计将会在2015年与14nm的集成电路同时量产。，2特征尺寸的发展现状目前最新的CPU的光刻机是荷兰ASML公司的TW

4、INSCANNXE:3300B。该TWINSCANNXE平台是业界首个极紫外光刻（EUVL）生产平台[2]。该光刻系统采用锡等离子源产生的13.5nm的EUV光，配备了从德国卡尔蔡司SMT透镜组件，数值孔径（NA）为0.33，最大的26毫米33毫米的曝光场。曝光分辨率小于18nm，是目前业界的最高水平。ASMLNXE:3300B系统已经斩获了11个订单，还有7个也保证采纳。该系统已经做到单次曝光13nm，并且有能力达到9nm，为半导体工艺进军个位数纳米时代打下了基础。还有英特尔正在使用的自己封闭的整套的产业链生产的22nm的一些列X86的CPU，英特尔的技术

5、一直都很神秘，因为该公司具有从圆晶到封装整套产业链，外界对其生产工艺没有太多了解。据推测，英特尔公司生产22nm芯片所使用的光刻技术的光波波长应是193nm，使用193nm浸液光刻技术加上两次图形曝光技术已经可以实现22nm工艺技术的量产。英特尔自信2013年的研发水平能14nm节点，这可能是导致与台积电有20年合作历史的FPGA大厂Altera转向与英特尔合作，双方签订14纳米代工合作协议，这引起业界重大反响。全球最大芯片代工——台积电在光刻技术上稍落后于英特尔，台积电在今年（2013）已经实现20nm工艺的量产，而在14nm工艺节点上将落后于英特尔，估计

6、到2016年台积电才能导入14nm技术。这才让英特尔有机可乘涉入代工产业。但是台积电今年从的荷兰ASML引进最新光刻机，其分辨率能达18nm一下。同时今年台积电与英特尔等公司都投资于荷兰ASML公司，这可能会加快ASML对更高分辨率光刻机的研制，也能导致台积电以及各大CPU厂商加快进入14nm工艺的速度。314nm光刻技术的探索14nm制程很可能是个坎，目前所采用的193nm浸液式光刻技术加上两次图形曝光技术已经实现20nm工艺技术的量产，但如果不改进光源减小波长而采用更复杂的三次图形曝光技术来实现14nm工艺，不仅仅会大幅度增加曝光次数与成本，也可能会达到

7、器件的物理极限而导致失败[3]。3.1最有可能的EUV光刻技术（极紫外光）利用13.5nm的极紫外光[4]（EUV）进行光刻可以相对简单地达到32nm和22nm节点，甚至可以达到小于10nm的技术节点，许多研究单位将下一代光刻技术都瞄准了EUV光刻技术。然而，EUV光刻技术中使用的光源、光刻胶、掩膜及光刻环境均与现有的光刻体系有很大差别，这就使得EUV还不能很快实现商业化，在一定时间内１９３nm技术仍将会成为市场的主流。目前荷兰ASML公司已经研制出了使用EUV光刻技术的光刻机，并且工艺已达到低于18nm的分辨率。单次曝光最低已达13nm，并且能加工450m

8、m的圆晶，但是技术还是有缺陷，要达到零缺陷还需要继续