解析半导体工艺节点的演进 寻找摩尔定律的曙光

　　我们知道，谈起光的使用都有一个本质的问题，就是衍射，光刻机也不例外。任何一台光刻机所能刻制的最小尺寸，基本上与它所用的光源的波长成正比。波长越小，尺寸也就越小。目前的主流生产工艺采用的是荷兰艾斯摩尔生产的步进式光刻机，所使用的光源是193nm的氟化氩(ArF)，被用于最精细的尺寸的光刻步骤。与目前已量产的最小晶体管尺寸20nm (14nm 工艺节点)相比，已经有了10倍以上的差距。

　　怎么克服光的衍射效应?业界十多年来投入了巨资，先后开发了各种先进光刻技术，诸如浸入式光刻(把光程放在某种液体里，光的折射率更高，而最小尺寸反比于折射率)、相位掩模(通过180度反向的方式来让产生的衍射互相抵消，提高精确度)，等等，这些技术一直撑到了60nm以来的所有工艺节点的进步。为何不用更小波长的光源呢?答案是工艺上难度很大。高端光刻机的光源，一直是世界级的工业难题。

　　以上介绍的主流光刻技术是深紫外曝光技术(DUV)。业界普遍认为，到了7nm工艺节点就是它的极限。下一代技术是被称为极紫外(EUV)的光刻技术，其光源降到了13nm。这个技术也带来了其他的一系列难题，例如没有合适的介质可以用来折射光，构成必要的光路，因此这个技术里面的光学设计全部是反射。在如此高的精度下，设计如此复杂的反射光路，难度之大可想而知。

　　最后一点，随着工艺节点的特征尺寸越来越小，栅极和有源区(D/S)之间的绝缘层也会越来越薄，会导致很容易被电压击穿。所以沟道越短越好是针对数字电路而言，对模拟电路来说目前0.13um、0.15um、0.18um工艺制程是足够用了。

　　04 工艺节点的演进

　　半导体工艺的进步是跳跃式的发展过程，而非渐进的过程。为了描述未来芯片的发展细节，IRTS引入了工艺节点的概念，并将之定义为“在工艺中实现重大进步”，或者说“每节点实现大约0.7倍的缩小”或“每两个节点实现0.5倍的缩小”。根据这一定义，下一代的工艺节点可用此前的节点数据推算出来。

　　但是各个厂家真正的工艺节点发展和规划的不一定是完全一致的，有时候芯片厂商为了确保实现制造工艺的平稳过渡，会生产“半节点”产品。例如，在从90nm工艺转入65nm的过程中，可能出现78nm的半节点产品或70nm的“准65nm”产品，等到技术成熟以后再真正进入新的工艺节点。所以，除了130nm、90nm、65nm、45nm等节点的工艺技术，市场上出现120nm、110nm、80nm、70nm等不符合0.7倍的工艺节点也是常见的。

　　在工厂上线新的工艺节点(工艺代)后，意味着原先工艺代的产品会降价，同时同类产品的性能将跃迁入一个新的层次。这就是我们称之的“摩尔定律”现象。由于微电子制程技术主要依赖“光刻”技术，而光刻的分辨率是有极限的，这也意味着，当工艺节点进一步推进、尺寸进一步缩小时，也不得不思考未来加工工艺的发展方向和具体技术上的实现办法。可以说，决定这种工艺节点演进速度快慢的目前主要是“光刻”技术。

　　05 为什么7nm工艺节点被看作是一个转折点?

　　7纳米工艺目前被看作是摩尔定律下的半导体工艺一个转折点。在全世界众多半导体制造商里，目前能够达到这个高度的厂家真不多。从现有资料来看，只有Intel、台积电、格罗方德、三星发布了7纳米量产计划。为什么7nm被看作是一个“转折点”，因为7nm工艺标志着大家期待已久的EUV技术将正式导入，逐渐取代传统光学曝光技术。

　　EUV极紫外光刻(Extreme Ultraviolet Lithography)技术，通常称作EUV光刻。 EUV光刻采用波长为10-14纳米的极紫外光作为光源，可使曝光波长一下子降到13.5nm, 它能够把光刻技术扩展到32nm以下的特征尺寸。

　　光刻技术是现代集成电路设计上一个最大的瓶颈。CPU使用的45nm、32nm工艺都是由193nm液浸式光刻系统来实现的，但是由于受到波长的影响在这个技术上再有所突破是十分困难的，但是如采用 EUV光刻技术就会很好的解决此问题，很可能会使该领域带来一次飞跃。

　　但是涉及到生产成本问题，由于193nm光刻是目前能力最强且最成熟的技术，能够满足精确度和成本要求，所以其工艺的延伸性非常强，很难被取代。因而在2011年后的一段时期内，22/20nm节点主要几家芯片厂商也将继续使用基于193nm液浸式光刻系统的双重成像(double patterning)技术。

　　目前几家准备上7nm的半导体厂商都在积极备战EUM光刻技术。台积电预期2019年将在第二代的7纳米制程上导入EUV技术， 格罗方德认为2019年导入EUV算是乐观，预期2020年机会较大。三星对于EUV技术进度相对乐观，期望在2018年导入EUV技术在7纳米制程世代上。电路线宽7纳米的物理长度是10亿分之1米，通过EUV极紫外光刻技术的7nm工艺节点技术生产的芯片产品，成本竞争力和性能都将大大超过原产品。

　　06 结语：促进工艺节点演进的最后一道曙光

　　现在工艺节点的现状是，摩尔定律逐渐放缓。22nm是2010左右出来的，到了今天， 工艺节点的演进才即将进入到10nm以下。去年ITRS宣布不再制定新的技术路线图，说明权威的国际半导体机构已经不认为摩尔定律的缩小可以继续下去了。同时，半导体产业的发展也到了一个转折点，对几家大制造商而言，进入7纳米工艺代已经是箭在弦上。EUV光刻技术将以一个全新的技术登场，这也许是促进工艺节点演进的最后一道曙光。

　　除此而外，最近意法半导体推出的FDSOI技术号称可以将SoC芯片微细化做到10nm工艺，而无需3D晶体管，据说在成本和性能方面都优于FinFET结构。还有学术界五花八门的各种新材料新技术，石墨烯晶体管，隧穿晶体管，负电容效应晶体管，碳纳米管，等等。这些我们都可以看作是拯救摩尔定律的组合拳。

　　任何一个新技术都会带来风险，摩尔定律也在面临巨大挑战， 我们无法预测“后摩尔定律”时代的半导体产业会怎样发展?但是如果新技术能够确保摩尔定律继续走下去，我们就能有效地避免半导体产业整体下滑。这些新技术组合拳势必会让摩尔定律下的工艺节点演进继续走下去。“溯洄从之，道阻且长。”对于今天的半导体产业来说，这句话同样适用。新材料的应用、新技术的研发注定不会停止，这或许是我们对这个产业仍旧保持足够信心的理由。