跨入16奈米世代 一步到位
摩爾定律預 測,2015年16奈米的電晶體將邁入量產,然而16奈米目前卻有著難以突破的瓶頸。國家奈米元件實驗室研發的創新技術,讓整個微影製程縮減為只需一個步 驟就可以完成,而且不需光罩、光阻,可大幅省下製程成本。
撰文╱郭雅欣

重點提要
■電晶體的研發走進16奈米世代後,現有的微影技術已不再適用,需要全新的技術。目前競爭中的技術包括極紫外光與電子束,但兩者都有著難以解決的問題, 勝負仍未分曉。
■國家奈米元件實驗室研發的「奈米噴印成像技術」,將微影製程縮減到只剩一個步驟,線寬更小,又不需光罩、光阻,極具發展潛力。

「三年內做出16奈米的電晶體。」2008年11月,國家奈米元件實驗室(NDL)剛上任不久的主任 楊富量發出這樣的豪語,大多數人的反應都是「不可能吧」,或是直接用「嚴苛」形容這樣的目標,然而楊富量堅持「只要有1%或2%的可能性就去嘗試」,結果 證明這是可能的,由NDL的奈米元件廠廠長黃健朝、代工與製程整合組組長陳豪育帶領的團隊,發明了一項創新的微影方法「奈米噴印成像技術」(nano- injection lithography, NIL),只花了一年就成功製作出16奈米的電晶體,並完成真正可運作的靜態隨機存取記憶體(SRAM)。2009年12月9日,該團隊在國際電子元件會 議(IEDM)上正式發表論文,引起國際矚目。

16奈米指的是「線寬」的粗細,半導體業界通常用線寬代表電晶體的尺寸,線寬越細,元件就越小,每個 晶片上所能儲存的資料量就越大,速度也越快;全世界的半導體研發團隊也都一直致力於縮小線寬,讓摩爾定律「單位面積上的電晶體數目每18個月就會增加一 倍」能夠歷久彌堅,而最直接影響線寬的製程稱為「微影」(lithography)。

微影是一種利用光罩、光阻以及特定波長的光源,將設計好的圖樣「轉印」出來的技術(見54頁〈微影製 程比一比〉),有點類似光學相機裡底片感光、顯影的過程。為了讓線寬盡量細小,光罩的設計必須非常精細,光源的波長也越短越好,目前已經可量產的電晶體最 小線寬為45奈米,是以波長193奈米的深紫外光(DUV)做為微影製程的曝光光源,搭配台積電微製像技術發展處處長林本堅在2004年所發表的「浸潤式 微影術」。

浸潤式微影術是以水取代空氣,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,讓光聚焦在更細小的區域,以縮小線寬(參見 2005年8月號〈衝破晶圓製造瓶頸的一滴水〉、〈水把晶片變小了〉)。在此技術之前,以193奈米的光源可做到的線寬極限為65奈米,而浸潤式微影術將 線寬再縮小至45、甚至是22奈米。

然而浸潤式微影術即將在22奈米達到極限,再下一個世代──也就是16奈米的元件──會遇上更嚴峻的 挑戰。16奈米之所以如此困難,主要是因為DUV的光源不再適用,傳統的製程因此得大幅改變,而目前正在研發中、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,那麼就換成波長更小,只有13.5奈米的超紫外光,是否就可以讓摩爾定律繼 續走下去呢?很可惜,這種超紫外光有個極大的缺點,就是任何材料都很容易吸收這個波長的能量。在傳統的曝光過程中,光源必須多次穿過透鏡,才聚焦到晶片 上,如果以超紫外光取代光源,幾乎所有的能量都會被透鏡吸收。因此,整個曝光過程都得重新設計,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 罩品質要求極高,表面必須極為平整,甚至材料不能太容易熱脹冷縮。這種光罩製作困難、成本非常高昂,光是使用的特殊材料價格就要傳統光罩的兩倍以上;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,黃健朝提了個半 導體業界常說的玩笑話:「想改用超紫外光,大概得在工廠旁蓋一座發電廠吧!」

光罩顯然問題重重,因此產生了另一個選項:電子束,它可以聚焦得很小,很適合製作小線寬的元件,更重 要的是,電子束是如同畫筆般,將記錄在曝光機裡的圖樣「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。

誤差是另一項讓製程研發人員頭痛的問題。一般元件可容許10%以內的誤差,例如15奈米的線寬,可容 許1.5奈米的誤差,然而製程步驟越繁複,造成誤差的來源就越多,包括光罩、光阻、機台,還有自然發生、無法避免的誤差(random error),合起來不能超過1.5奈米,這相當於不到五個矽原子的寬度。因此,若能將誤差來源直接移除,在製程上的壓力也會減輕許多。

當然電子束並不真的是畫筆,它「畫」的過程其實是讓電子射向光阻,將光阻的鍵結打斷,然而高能量的電 子束射入光阻後,卻容易被光阻下的基板散射(稱為「背向散射」),將附近的光阻鍵結也一併打斷,結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。研發人員也試著將電子束能量調低,雖然解決了背向散射的問題,但由於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」),結果產生的線寬時大時小,極不穩定。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2010年第97期3月號

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雲竹小棧

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