300mm晶圆芯片制造技术的发展趋势

      半导体产业的发展靠两大轮子推动，一是不断缩小芯片特征尺寸的轮子，从1mm→0.8mm →0.5mm→0.35mm→0.25mm→0.18mm→0.13mm→90nm，并向22nm 进军，以满足芯片微型化、高密度化、高速化、高可靠化和系统集成化的要求；二是不断扩大晶圆尺寸的轮子，从100 →125→150→200→300mm，并向400mm 过渡，以提高芯片产量和降低芯片成本，最终获取更大的利润。正因为有了这两大轮子，才能使摩尔定律继续有效（至少在未来10年中仍是可靠的），才能使ITRS（国际半导体技术指南）2001年提前实现，如90nm工艺提前一年完成。芯片制造技术只有不断创新，基础才会扎实和牢靠，才会在半导体产业大道上平稳和快速地奔驰。

2 300mm晶圆与90nm工艺互动

　　300mm 晶圆尺寸的扩大与芯片特征尺寸的缩小是相应促进和互相推动的。晶圆尺寸每提升一个等级就会伴随着芯片特征尺寸缩小一个等级(见表1)，如晶圆尺寸从200mm 扩大到300mm，芯片特征尺寸就从亚微米、深亚微米缩小到纳米尺度(100～0.1nm的范围)。采用300mm晶圆是半导体产业发展的必然规律，是大势所趋，因为300mm 晶圆与200mm晶圆面积之比为2.25，所以300mm晶圆生产线产能是200mm的3倍以上。英特尔总裁兼首席执行官贝瑞特宣称，一旦采用0.13mm工艺的6座300mm晶圆厂起动，到2003年其晶圆生产成本可下降25%。IBM声称，其单片300mm晶圆的成本可望下降30%～40%。TI认为，300mm晶圆生产线可使其成本降低40%，再加上采用更小线宽的特征尺寸，其生产成本可节省近60% [1]。难怪世界上有那么多的半导体厂商肯巨额投资兴建300mm晶圆生产线（建一条300mm晶圆生产线需投资30亿美元左右）。据不完全统计，目前已建、在建和计划建设的300mm晶圆生产线约有40余条，其中美国10多条，中国台湾10多条和欧洲、日本、韩国及新加坡等10多条。可喜的是中国中芯国际将于2004年在北京兴建中国大陆条 300mm晶圆生产线。300mm晶圆常采用90nm工艺，也可采用深亚微米工艺，所以300mm晶圆与90nm 工艺是互动的。世界各大IC公司都看好300mm晶圆和90nm工艺，力争早日量产，占领市场，获取更多的利润，见表2[2]。90nm新工艺主要包括 193nm光刻技术、铜互连、低绝缘层、化学机械抛光（CMP）、高k绝缘层、应变硅和绝缘硅（SOI）等，目前这些新工艺已相当成熟，达到 量产水平。

3 300mm晶圆芯片制造技术的发展趋势

3.1 芯片线宽加工微细化
　　表3给出了ITRS2001对特征尺寸、平坦化铜厚度、金属互连层层数和低k绝缘层的要求[3]。要求 2004年特征尺寸达90nm，实际上2003年达标。90nm工艺必须采用193nm ArF Stepper（准分子激光扫描分步投影光刻机），该机价格昂贵，2001年为1200万美元。2003年5月英特尔宣布放弃157nm F2 Stepper，其理由是价格太贵，高达1600万美元，并试图扩展193nm ArF Stepper ，以用于65nm和45nm工艺。最近，该公司表示愿意参加比利时 IMEC联盟的研发项目，如157nm深紫外线（DUV）和13.4nm极深紫外线（EUV）光刻等。

3.2 芯片介质、金属互连层厚度薄型化
　　2003年英特尔采用90nm工艺生产奔腾4的晶体管，其栅长为50nm，纵向栅极氧化层（高k绝缘层）厚度仅为1.2nm（5个原子层厚），极大地提高晶体管的速度。从表3可知，对于90nm工艺，平坦化铜厚度仅为18nm。

3.3 芯片制造步骤复杂化
　　随着芯片特征尺寸的不断缩小，芯片制造步骤越来越多，如90nm工艺的铜互连层层数多达8~9层，台联电（UMC）的L90工艺采用9层铜互连。又如CMP工艺包括Cu-CMP、低k-CMP、STI（浅沟隔离）-CMP和W-CMP等，深亚微米DRAM需进行3~6次CMP，深亚微米MPU需进行9~13次[4] 。

3.4 芯片制造新工艺应用组合化
　　90nm几项新工艺常常组合使用，如铜互连、低k绝缘层和CMP已成为深亚微米、纳米工艺的一组关键性标准工艺，铜互连替代铝互连是300mm晶圆芯片制造技术的选择；低k绝缘层又是用于铜互连层间的绝缘；CMP是当前实施晶圆表面平坦化工艺最成熟、最有效的一种技术，它起着研磨膏对晶圆表面进行机械研磨和化学腐蚀的双重作用；又如SOI与SiGe技术的组合应用等。

3.5 芯片加工所用辅助材料高纯化
　　300mm晶圆、90nm工艺对环境及所用辅助材料（如化学试剂、去离子水等）的要求更苛刻，如要求控制环境颗粒尺寸为0.01μm、洁净等级为 0.1级，为此必须采用SMIF（标准机械接口）隔离技术，即将晶圆在与操作者环境的条件下运送，和在IC工艺设备之间转移的新技术[5]。又如采用的超净高纯试剂必须达到金属杂质≤0.1ppb，控制径粒≥0.2μm，颗粒≤5个/ml，试剂级别为BV-V， SEMI标准为C12（Grade4）[6]。

3.6 芯片制造单片化
　　由于300mm晶圆尺寸大，易受各种因素影响导致成品率下降，为了确保成本，300mm晶圆必须采用单晶圆片加工工艺，其加工周期从采用传统加工工艺时的90天缩短至30天左右，这将使整个供应链更加紧密。为此，芯片制造商开始考虑重新按排制造和测试设备的布局，让他们彼此相邻，靠得更近，甚至干脆放在同一幢建筑或同一操作间内，所以日本人提出建“迷你型”工厂，如日立的300mm晶圆厂Trecent已采用这种新布局 [7]。

3.7 芯片制造全自动化
　　由于300mm晶圆生产线采用单晶圆片、连续流生产方式，所以300mm晶圆生产线的一切都是自动化操作。晶圆的传送也是自动化的，由中央控制系统执行操作。在理想的情况下，只要工艺稳定，设备的运行和维修完全可按计划进行。由于300mm晶圆生产线中的各种设备是互相连接的，增加了设备维修的复杂性，因此在设计300mm晶圆生产线的设备时应设计得更容易维修[7]。

3.8 芯片制造技术共有化
　　开发300mm晶圆、90mm工艺需要大量财力和人力，于是意法半导体、飞利浦和摩托罗拉于2002年4月在法国联合成立Crolles 2联盟，合作开发300mm晶圆、90mm工艺新一代芯片制造技术，要在未来5 年内把目前90nm CMOS提升到32nm。又如日本产业技术综合研究院与日本10家半导体公司于2003年 6月联合成立“90nm半导体技术研究中心”，采用300mm晶圆、90nm工艺开发用于数字家电的SOC。从2004年起该研究中心向出资的10家半导体公司转让所开发的成果，达到技术共享目的。
　　综合上述，2003年300mm晶圆芯片制造技术如芯片特征尺寸、平坦化铜层厚度和栅极氧化层厚度等都已步入纳米尺度。为此，比利时IMEC微电子研究中心已着手研究≤45nm工艺，包括6项工艺研究：（1）157nmDUV和13.4nmEUV光刻;（2）高迁移率膜和先进漏/源工艺；（3）高k膜材料和金属栅极；（4）新型CMOS器件；（5）先进的铜互连；（6）≤45nm工艺技术的清洗和杂质控制[8] 。另外，日本超级硅研究所（SSI）在2003年第3届硅材料先进科学和工艺会议上宣布400mm硅单晶（重438kg）制造工艺，预计2014年达量产，所以ITRS 2001规划有望再次提前完成。