第一章半导体器件与工艺技术的发展2

Year of introduction Transistors
1971
2,250
1972
2,500
1974
5,000
1978
29,000
1982
120,000
1985
275,000
1989
1,180,000
1993
3,100,000
1997
7,500,000
1999
24,000,000
2000
42,000,000
第一章、半导体器件与工艺技术的发展2
半导体工艺技术 中国半导体工业的发展 微电子技术发展
一、半导体工艺技术的发展
推动半导体业进步的两个轮子：工艺尺寸缩小和硅
片直径增大，而且总是尺寸缩小为先。超大规模集
成电路的设计和制造所需的快速技术变化，导致新
设备和新工艺的不断引入。每隔18到24个月，半导
体产业就引入新的制造技术。伴随微芯片技术的发
展有三个主要趋势：
• 提高芯片性能
提高芯片可靠性
• 降低芯片成本
1.1 趋势1：提高芯片性能
从20世纪60年代早期，小规模集成电路时代以来，半导体微 芯片的性能已得到了巨大的提高。 判断芯片性能的一种通用方法是速度。 器件做得越小，在芯片上放置得越密，芯片的速度就会越快。 这是因为通过电路得电信号传输距离更短了。 提高速度的另一方法：使用材料，通过芯片表面的电路和器 件来提高电信号的传输。
可变成在工作过程中低失效的产品。
1.3 趋势3：降低芯片成本
半导体微芯片的价格一直持续下降（见下图）。 1996年之前的近50年中，半导体微芯片的价格以 一亿倍的情况下降。例如，1958年一个质量低劣 的硅晶体管价值大约10美元。在今天，10美元可 以买到具有超过两千万晶体管的一块存储器芯片、 或一个等量的其他元件以及必要的互连以便做成 一个有用的芯片。等等。
观察近期的报道，2013年应该进入14纳米节点，而 且仍是英特尔挑起大樑。 尽管摩尔定律快“寿终正寝”的声音已不容置辩， 但是14nm的步伐仍按期走来，原因究竟是什么?
-------传统的光刻技术与日俱进
光刻技术
当尺寸缩小到22/20nm时，传统的光刻技术已无 能力，必须采用辅助的两次或多次图形曝光技术。 提高光刻的分辨率有三个途径：缩短曝光波长、 增大镜头数值孔径NA以及减少工艺参数。显然， 缩短波长是最主要的，而且方便易行。目前市场 的193nmArF光源是首选，再加入浸液式技术等， 实际上达到了28nm，几乎已是极限。
只要实现73WPH，可以认为EUVL已达到量产水平， 因为与多次曝光技术相比，它的成本在下降。 在10nm节点以下如果继续釆用多次曝光技术，则 可能需要4x甚至8x的图形成像技术。
每块芯片上的元件数
元件芯片的特征尺寸 减小，在硅片上制作 元件的数量就更多。 对于微处理器，通过 减小芯片CD，增加芯 片的集成度，提高芯 片表面的晶体管数量， 由于芯片上的晶体管 数连年急剧增加，芯 片性能也已提高（见
关键尺寸
芯片上的物理尺寸特征被称为特征尺寸。 描述特征尺寸的另一个术语是电路几何尺寸。硅片上的最小 特征尺寸，也称为关键尺寸或CD。 自半导体制造业开始以来，器件的CD一直在缩小，从20世纪 50年代初期以大约125um的CD开始，目前主流是45nm或者更 小，可以量产的最小CD已达到28nm。 半导体产业使用“技术节点”这一术语描述在硅片制造中使 用的可应用CD。从1um以下的CD实际的和预计的产业技术节 点如下表所示。
因此可以相信，传统的193nm浸液式光刻技术加上两次图ຫໍສະໝຸດ Baidu形曝光技术(DP)，甚至4次，从分辨率上在2015年时有可能达 到10nm，这取决于业界对于成本上升等的容忍度。
何时能够到7nm或5nm？ 截至今日尚无人能够回答，因为EUV何时进入也不清楚。 乐观的估计可能在2015年或2016年。 如果真能如愿，可能从10nm开始就采用EUV技术，一直走到 5nm。 但是目前业界比较谨慎，通俗一点的说法仍是两条腿走路。
1.2. 趋势2：提高芯片可靠性
芯片可靠性就是致力于使可靠性趋于芯片寿命的功能的 能力。
技术上的进步已经提高了芯片产品得可靠性（见下图）。 例如，通过无颗粒空气净化间的使用以及控制化学试剂
纯度，来控制沾污。 为提高器件可靠性，不间断地分析制造工艺，减少污染
的时间和空间。 通过硅片监控和微芯片测试以验证可接受的性能。这样
ASML2013年描绘了业界期待已久的EUV光源路
线图，近期Cymer公司已推出了专为ASML光刻机配置 的40W极紫外(EUV)光源，工作周期高达每小时30片， 并计划在2014年时NXE3300B中的光源升级达到50W， 相当于43WPH（wafers per hour)水平。而100W光源可能 要等到2015年或2016年，相当于73WPH。至于何时出现 250WEUV光源，至少目前无法预测。500W光源写进路 线图中是容易的，但是未来能否实现还是个问题。
❖Intel 公司CPU芯片集成度的发展
Intel’s CPU 4004 8008 8080 8086 286 386™ processor 486™ DX processor Pentium® processor Pentium II processor Pentium III processor Pentium 4 processor
图）。
摩尔定律
1964年，戈登·摩尔，半导体产业先驱和英特尔公司的创始 人，预言在单位芯片上的晶体管数大约每隔一年翻一番。关 于微处理器上的晶体管数，如图所示，摩尔定律惊人地准确。
功耗 芯片性能的另一重要参数是功耗。真空管功耗很大，
而半导体器件确实功耗很小。随着器件的微型化，功耗相应 减小。尽管每块芯片上晶体管数迅速增加，芯片的功耗却逐 步降低（见图）。这已成为便携式电子产品市场增长的一个 关键性能参数。
Nikon正努力延伸193nm的浸液式技术，甚至包含450mm硅片;而
ASML{阿斯麦（中国大陆）、艾司摩尔（中国台湾）,总部设在
荷兰,全球最大的半导体设备制造商之一，ASML的股票分别在阿 姆斯特丹及纽约上市}。 ASML由于获得英特尔、三星及台积电的支持，正加快 NXE3300B实用机型的设备在客户处使用，累积产出硅片已达 44000片。另外，下一代EUV设备NXE3300B已开始安装调试，计 划2013年供货。