国外半导体设备现状与发展趋势(精)

国外半导体设备现状与发展趋势

童志义

中国电子科技集团公司第四十五研究所北京东燕郊 065201

摘要：概述了国外半导体制造设备技术现状、结合国际半导体技术发展路线，

探讨了半导体制造设备的技术发展趋势。

关键词：半导体设备；技术现状；发展趋势

1 国外现状

当前，国际领先的集成电路生产商已进入12 英寸65nm 的工艺完善阶段；大生产的主流技术为12英寸130nm-90nm 技术节点。与此相对应，半导体和集成电路专用设备制造技术已开发成功适应大直径、超细线宽、超薄膜等工艺要求的设备。国外12 英寸90nm 水平的成套设备已投入使用（2004年11月，IBM Research 已完成了第一块用浸液式193nm ArF 扫描光刻机生产的90nm 线宽的微处理器芯片），2004年12英寸晶圆生产线芯片制造设备销售额在整个芯片制造设备中已占到50% 以上。65nm 以下设备正在逐步进入市场；下一代技术节点的45nm设备和技术正在开发当中；适应新工艺要求的新一代设备已经形成气候，如用于铜布线工艺做阻挡层和种子层的原子层淀积超薄膜设备（ALD ）、物理汽相淀积设备（PVD）、铜布线化学机械抛光(CMP设备等。

在后道封装方面，除传统封装技术继续高速发展以外，从20世纪90 年代中期开始，三维（3D）封装发展十分迅速；进入新世纪初，系统封装（SiP）的出现使得半导体技术以及封装技术进入了全新的时代。目前，封装设备已完全可以适应12英寸晶圆的封装需要。

半导体制造设备的应用领域和功能在拓展，平板显示器（FPD）生产设备已成为半导体设备的重要分支。在FPD 方面，TFT-LCD 的生产中采用了大面积制版、大面积光学曝光、多室磁控溅射、多室PECVD 等诸多半导体设备；LED 的生产则采用包括 MOCVD、LPE 在内的全套半导体设备；此外，PDP、VFD、OLED、DLP、LCOS等生产线也都不同程度地采用了多种半导体设备。

2 不断延伸的半导体产业链

根据美国半导体协会(SIA预测,到2010年集成电路水平将达到18英寸70-45nm。除晶圆大直径化、线条微细化等特点外，半导体和集成电路专用设备的另一大发展趋势是元器件共性工艺技术的开发越来越转向由设备开发商承担。目前，半导体设备制造商的职责已经从70年代单纯地提供硬件设备转变为80年代既要提供硬件设

备又要提供软件（含工艺菜单），到了90年代设备制造商除了要提供硬件设备、软件（含工艺菜单）外，还要承担工艺控制。进入21世纪后，设备制造商除了要提供硬件设备、软件（含工艺菜单）及工艺控制外，还将承担工艺集成服务在内的总体解决方案（见图 1 ）。为此，一些领先的设备厂家大多都建立起了一条小型试验线或强化与工艺厂商的联合开发，前后道工序均由设备厂家考虑，完善

工艺开发。这种模式已经成为设备开发中的一种革命性变革。

3 关键设备发展趋势

国际半导体技术发展路线图认为（见表1），到2018年集成电路的图形线宽将达18nm，圆片直径将为18 英寸，集成电路技术进步仍将按每三年更新一代的方向发展，但集成度提高的速度将会快于摩尔定律（每18 个月提高一倍）的预测。硅材料仍将是制造集成电路的主要材料，硅半导体器件和集成电路仍将是大生产的主流产品。适应大直径、细线条、铜工艺将成为半导体设备发展面临的核心技术挑战。

从集成电路总的发展趋势来件的特征尺寸进入超深亚微米领域以后，传统的CMOS 技术将会在器件物理、工艺技术、加工设备等各个方面面临严峻的挑战。

传统CMOS 技术若不能设法克服工艺技术和本身结构特点的限制，集成电路将无法继续按比例缩小、提高性能。为了克服这些困难，进一步拓展摩尔定律的应用领域，不断从引入新结构、新材料、新工艺入手，进一步拓展传统CMOS 器件等比例缩小的能力，力求在15-50nm 栅长的平面MOS 器件设计和关键技术方面获得新突破，以缓解物理和技术限制，即尽可能地延长摩尔定律的寿

命，以期满足近10-20 年内工业大生产发展的迫切需要。从这一角度来看，细栅线条光刻、薄栅氧化层结构(高k 介质 + 金属栅、浅结、互连(Cu +低 k 介质等被认为是65nm技术节点之后最主要的工艺制造装备的难题。

3.1 光刻设备

国际半导体技术发展路线图（ITRS）预期，65nm、45nm、32nm、22nm、18nm 特征尺寸的CMOS 超大规模集成电路将分别在2007 、2010、2013、2016、2018年开始小规模生产。目前，90nm光刻机已投入使用，更大数值孔径的193nmArF 光刻机将用于65nm 生产工艺，浸液式193nm ArF 光刻技术利用水或其它液体取代了镜头与硅片之间的空气介质，从而使折射率提高而增大了镜头的数值孔径

（NA=1.05-1.23），使焦深得以增加，使k1因子

降到更低，将193nm ArF光刻技术用于65nm 和45nm 技术节点。作为下一代光刻技术（NGL）的研究主要包括157nm F 光刻技术、极紫外光刻机（EUVL ）、投影电子束曝光设备（SCALPEL）等。通过不同技术的结合，它们将用于不同的技术节点。即：

90nm 节点：193nm ArF 扫描光刻机+ 分辨率增强技术；

65nm 节点：193nm ArF 扫描光刻机+ 分辨率增强技术+ 光刻优化设计；193nm ArF 浸液式扫描光刻机、157nm F 扫描光刻机+分辨率增强技术；

45nm 节点：193nm ArF 浸液式扫描光刻机+ 分辨率增强技术 +光刻优化设计；157nm F 扫描光刻机+ 分辨率增强技术+ 光刻优化设计；EUV；EPL；

32nm 节点：157nm F 扫描光刻机+ 分辨率增强技术+ 光刻优化设计；EUV；EPL。

根据Intel公司最新消息：第一条商用的EUV光刻机已在Intel公司的俄勒冈州希尔巴罗安装，它揭示了光刻技术又一新的里程碑。