跨入16奈米世代 一步到位

摩爾定律預(yù)測，2015年16奈米的晶體管將邁入量產(chǎn)，然而16奈米目前卻有著難以突破的瓶頸。國家奈米組件實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的創(chuàng)新技術(shù)，讓整個(gè)微影制程縮減為只需一個(gè)步驟就可以完成，而且不需光罩、光阻，可大幅省下制程成本。
撰文╱郭雅欣

重點(diǎn)提要
■晶體管的研發(fā)走進(jìn)16奈米世代后，現(xiàn)有的微影技術(shù)已不再適用，需要全新的技術(shù)。目前競爭中的技術(shù)包括極紫外光與電子束，但兩者都有著難以解決的問題，勝負(fù)仍未分曉。
■國家奈米組件實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的「奈米噴印成像技術(shù)」，將微影制程縮減到只剩一個(gè)步驟，線寬更小，又不需光罩、光阻，極具發(fā)展?jié)摿Α?br>
「三年內(nèi)做出16奈米的晶體管。」2008年11月，國家奈米組件實(shí)驗(yàn)室（NDL）剛上任不久的主任楊富量發(fā)出這樣的豪語，大多數(shù)人的反應(yīng)都是「不可能吧」，或是直接用「嚴(yán)苛」形容這樣的目標(biāo)，然而楊富量堅(jiān)持「只要有1%或2%的可能性就去嘗試」，結(jié)果證明這是可能的，由NDL的奈米組件廠廠長黃健朝、代工與制程整合組組長陳豪育帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，發(fā)明了一項(xiàng)創(chuàng)新的微影方法「奈米噴印成像技術(shù)」（nano- injection lithography, NIL），只花了一年就成功制作出16奈米的晶體管，并完成真正可運(yùn)作的靜態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存（SRAM）。2009年12月9日，該團(tuán)隊(duì)在國際電子組件會(huì)議（IEDM）上正式發(fā)表論文，引起國際矚目。

16奈米指的是「線寬」的粗細(xì)，半導(dǎo)體業(yè)界通常用線寬代表晶體管的尺寸，線寬越細(xì)，組件就越小，每個(gè)芯片上所能儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)量就越大，速度也越快；全世界的半導(dǎo)體研發(fā)團(tuán)隊(duì)也都一直致力于縮小線寬，讓摩爾定律「單位面積上的晶體管數(shù)目每18個(gè)月就會(huì)增加一倍」能夠歷久彌堅(jiān)，而最直接影響線寬的制程稱為「微影」（lithography）。

微影是一種利用光罩、光阻以及特定波長的光源，將設(shè)計(jì)好的圖樣「轉(zhuǎn)印」出來的技術(shù)（見54頁〈微影制程比一比〉），有點(diǎn)類似光學(xué)相機(jī)里底片感光、顯影的過程。為了讓線寬盡量細(xì)小，光罩的設(shè)計(jì)必須非常精細(xì)，光源的波長也越短越好，目前已經(jīng)可量產(chǎn)的晶體管最小線寬為45奈米，是以波長193奈米的深紫外光（DUV）做為微影制程的曝光光源，搭配臺(tái)積電微制像技術(shù)發(fā)展處處長林本堅(jiān)在2004年所發(fā)表的「浸潤式微影術(shù)」。

浸潤式微影術(shù)是以水取代空氣，讓曝光光源在照射到光阻前，必須穿透一層水，利用水的折射率比空氣大的性質(zhì)，讓光聚焦在更細(xì)小的區(qū)域，以縮小線寬（參見 2005年8月號〈沖破晶圓制造瓶頸的一滴水〉、〈水把芯片變小了〉）。在此技術(shù)之前，以193奈米的光源可做到的線寬極限為65奈米，而浸潤式微影術(shù)將線寬再縮小至45、甚至是22奈米。

然而浸潤式微影術(shù)即將在22奈米達(dá)到極限，再下一個(gè)世代──也就是16奈米的組件──會(huì)遇上更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。16奈米之所以如此困難，主要是因?yàn)镈UV的光源不再適用，傳統(tǒng)的制程因此得大幅改變，而目前正在研發(fā)中、可能取代DUV的兩種光源：超紫外光（EUV）與電子束（e-beam），都仍有難以解決的問題，誰勝誰負(fù)還在未定之天。

浸潤式的下一步：超紫外光 vs. 電子束

既然光源的波長越小越好，那么就換成波長更小，只有13.5奈米的超紫外光，是否就可以讓摩爾定律繼續(xù)走下去呢？很可惜，這種超紫外光有個(gè)極大的缺點(diǎn)，就是任何材料都很容易吸收這個(gè)波長的能量。在傳統(tǒng)的曝光過程中，光源必須多次穿過透鏡，才聚焦到芯片上，如果以超紫外光取代光源，幾乎所有的能量都會(huì)被透鏡吸收。因此，整個(gè)曝光過程都得重新設(shè)計(jì)，將透鏡一律改為反射鏡，光罩也得改成反射式，然而反射式光罩質(zhì)量要求極高，表面必須極為平整，甚至材料不能太容易熱脹冷縮。這種光罩制作困難、成本非常高昂，光是使用的特殊材料價(jià)格就要傳統(tǒng)光罩的兩倍以上；此外，就算改為反射式，鏡子頂多將2/3的入射光反射出去，整個(gè)曝光過程下來，能量仍可能耗損到僅剩不到10%，因此，光源的能量必須很高，黃健朝提了個(gè)半導(dǎo)體業(yè)界常說的玩笑話：「想改用超紫外光，大概得在工廠旁蓋一座發(fā)電廠吧！」

光罩顯然問題重重，因此產(chǎn)生了另一個(gè)選項(xiàng)：電子束，它可以聚焦得很小，很適合制作小線寬的組件，更重要的是，電子束是如同畫筆般，將記錄在曝光機(jī)里的圖樣「畫」在光阻上，因此不需要光罩，不但省下光罩的龐大成本，也省下了光罩可能造成的誤差。

誤差是另一項(xiàng)讓制程研發(fā)人員頭痛的問題。一般組件可容許10%以內(nèi)的誤差，例如15奈米的線寬，可容許1.5奈米的誤差，然而制程步驟越繁復(fù)，造成誤差的來源就越多，包括光罩、光阻、機(jī)臺(tái)，還有自然發(fā)生、無法避免的誤差（random error），合起來不能超過1.5奈米，這相當(dāng)于不到五個(gè)硅原子的寬度。因此，若能將誤差來源直接移除，在制程上的壓力也會(huì)減輕許多。

當(dāng)然電子束并不真的是畫筆，它「畫」的過程其實(shí)是讓電子射向光阻，將光阻的鍵結(jié)打斷，然而高能量的電子束射入光阻后，卻容易被光阻下的基板散射（稱為「背向散射」），將附近的光阻鍵結(jié)也一并打斷，結(jié)果常常使原本不該曝光的部份也曝光了，造成線與線分際不明確，甚至是整條線消失的情形。研發(fā)人員也試著將電子束能量調(diào)低，雖然解決了背向散射的問題，但由于射入光阻的電子能量太弱，容易因打到光阻分子而四處散射（稱為「正向散射」），結(jié)果產(chǎn)生的線寬時(shí)大時(shí)小，極不穩(wěn)定。