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科学出版社1纳米集成电路制造技术展望 | 中国信息领域2035 技术预见( 三 )


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极紫外投影光刻技术
光刻是集成电路制造中技术难度最大、成本最高的技术环节 ， 成本占集成电路制造成本的 35%以上 ， 在每一代集成电路技术更新中都扮演着技术先导的角色 。 透射式浸没式 193nm 步进扫描投影光刻机的单次曝光分辨力理论极限为38nm ， 无法通过单次曝光形成22nm节点及以下集成电路关键图层的目标图形 ， 需要采用多重光刻技术 ， 即把原来一层光刻的图形经过拆分之后放到两个或多个掩模上 ， 采用多次光刻共同形成一层关键图层 。 通过四重图形曝光手段 ， 集成电路特征尺寸可以达到 10nm 。 通过八重图形曝光手段 ， 集成电路特征尺寸可以达到5nm 。 但是多重图形曝光工艺复杂 ， 如多块掩模版、多次曝光、多次刻蚀、更为复杂的图形布局拆分算法等 ， 导致制造成本急剧上升 。 为此 ， 需要采用波长为 13.5nm 的反射式极紫外投影光刻技术 ， 当前阿斯麦（ASML）公司商用的TWINSCAN NXE：3400B 极紫外投影光刻机数值孔径已经达到 0.33 ， 5nm技术节点逻辑集成电路制造中金属互联层和高密度孔阵列均可以通过单次极紫外投影曝光完成 。 未来 5～10 年 ， 预计数值孔径将提高到 0.6 以上 ， 光源功率、掩模缺陷和光刻胶灵敏度三大关键技术将取得突破 ， 结合离轴照明等分辨力增强技术 ， 极紫外投影光刻单次曝光分辨力极限将逼近 7nm ， 进一步采用多重图形极紫外投影曝光技术 ， 分辨力极限将达到 2nm 及以下 ， 满足 1nm 技术节点集成电路光刻需求 。
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互连技术
随着互连线特征尺寸的不断缩小、布线层数和长度的不断增大 ， 集成电路进入 130nm 节点以后 ， RC 时间延迟逐渐成为阻碍时钟频率提高的主要因素 。 通常采用铜互连和低介电常数材料两种方法来降低 RC 延迟时间 。 相比于铝及其合金互连 ， 新一代的铜互连具有更低的电阻率、更高的熔点和更好的抗电迁移能力 ， 可以降低 RC 时间延迟约 40% ， 从而提高器件密度和时钟频率 ， 并降低能耗 。 铜互连通常采用“大马士革”结构的镶嵌工艺 ， 且被铜种子层、衬垫和薄扩散阻挡层所包围 。 传统的物理气相沉积和扩散阻挡层的方法被原子层沉积方法所取代 。 但是 ， 当集成电路进入 5nm 以后 ， 铜互连方案变得越发紧凑 ， 将面临铜线电阻过大、铜易扩散、低介电常数材料易击穿等技术挑战 ， 光刻工艺造成的线边缘粗糙度、趋肤效应、过孔错位等因素也会使铜互连可靠性变差 。 延续传统镶嵌工艺的解决方案可能用钴或钌取代铜进一步降低互连电阻 [9]。 其他集成制造工艺挑战还包括均方根小于 2nm 的超低线边缘粗糙度光刻工艺、小于2nm 的扩散阻挡层沉积、无损伤化学机械抛光、无损伤化学清洗等 。
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设计与工艺联合优化技术
当集成电路进入 22nm 节点及以下 ， 工艺偏差和波动性相比特征尺寸所占比例日益增大 ， 导致缺陷密度急剧上升 ， 传统的工艺和设计规则无法满足产品性能需求 ， 设计和工艺联合优化技术 [10] （design technologyco-optimization ， DTCO）成为必然的发展趋势 。 其基本思想是集成电路设计工程师与光刻工程师共同深入寻找制造技术和设计电路图形的关联性 ， 既要满足器件性能的要求 ， 又能在芯片工厂内实现制造且具有足够工艺窗口的技术方案 ， 在集成电路生产之前就能有效评估可制造性 ， 对晶体管架构设计、模块级物理实现、材料和关键工艺技术 ， 以及可靠性整个流程进行协同优化 。 在设计层面 ， 需要在明确的物理设计思路基础上 ， 对电路仿真进行进一步精确化设计 ， 确定晶体管架构 ， 如绕栅极纳米线和纳米板器件结构 ， 仿真范围从测试图形扩展到整个标准单元 。 综合考虑布线能力、功耗、时序和面积等因素 ， 获取精确的晶体管模型和库架构 ， 建立版图分析和模型验证方法 ， 优化器件图形设计规则 ， 产生适于1nm 技术节点的友好版图 ， 用于 1nm 技术节点光刻工艺和模型的输入 。 在制造层面 ， 将晶体管架构、薄膜材料沉积、极紫外光刻和等离子体刻蚀等技术协同优化整合 ， 实现复杂纳米结构的高分辨率和高保真度 。 其中难度最大的是极紫外光刻协同优化 ， 其流程涉及光源-掩模协同优化、光学邻近效应修正、亚分辨率辅助图形、高精度计量、光刻胶类型、光刻胶反应机理和随机性效应、光刻后处理等 ， 需要设计、工艺、材料和设备等各个领域的工程师紧密合作 ， 以获取合理的分辨率、工艺宽容度、焦深、掩模误差因子和线条边缘粗糙度等参数 ， 并缩小标准库单元区域的面积 ， 降低器件结构和电学性能的偏差 ， 满足功耗、性能、面积、成本（power ， performance ， area ， cost ， PPAC）的目标需求 。


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