跨入16奈米世代 一步到位

摩爾定律預測，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。國家奈米組件實驗室研發(fā)的創(chuàng)新技術，讓整個微影制程縮減為只需一個步驟就可以完成，而且不需光罩、光阻，可大幅省下制程成本。
撰文╱郭雅欣

重點提要
■晶體管的研發(fā)走進16奈米世代后，現(xiàn)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。
■國家奈米組件實驗室研發(fā)的「奈米噴印成像技術」，將微影制程縮減到只剩一個步驟，線寬更小，又不需光罩、光阻，極具發(fā)展?jié)摿Α?br>
「三年內做出16奈米的晶體管?！?008年11月，國家奈米組件實驗室（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的奈米組件廠廠長黃健朝、代工與制程整合組組長陳豪育帶領的團隊，發(fā)明了一項創(chuàng)新的微影方法「奈米噴印成像技術」（nano- injection lithography, NIL），只花了一年就成功制作出16奈米的晶體管，并完成真正可運作的靜態(tài)隨機存取內存（SRAM）。2009年12月9日，該團隊在國際電子組件會議（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，半導體業(yè)界通常用線寬代表晶體管的尺寸，線寬越細，組件就越小，每個芯片上所能儲存的數(shù)據(jù)量就越大，速度也越快；全世界的半導體研發(fā)團隊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個月就會增加一倍」能夠歷久彌堅，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，將設計好的圖樣「轉印」出來的技術（見54頁〈微影制程比一比〉），有點類似光學相機里底片感光、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(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，搭配臺積電微制像技術發(fā)展處處長林本堅在2004年所發(fā)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(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奈米的組件──會遇上更嚴峻的挑戰(zhàn)。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(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(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，然而反射式光罩質量要求極高，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(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)生了另一個選項：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。

誤差是另一項讓制程研發(fā)人員頭痛的問題。一般組件可容許10%以內的誤差，例如15奈米的線寬，可容許1.5奈米的誤差，然而制程步驟越繁復，造成誤差的來源就越多，包括光罩、光阻、機臺，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，這相當于不到五個硅原子的寬度。因此，若能將誤差來源直接移除，在制程上的壓力也會減輕許多。

當然電子束并不真的是畫筆，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」），將附近的光阻鍵結也一并打斷，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(fā)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」），結果產(chǎn)生的線寬時大時小，極不穩(wěn)定。