摘要：采取300mm晶圓是半導(dǎo)體生產(chǎn)發(fā)展的必然規(guī)律。300mm晶圓與90nm工藝是互動(dòng)的。90nm新工藝主要包括193nm光刻技術(shù)、銅互連、低k絕緣層、CMP、高k絕緣層、應(yīng)變硅和SOI等。本文著重討論300mm晶圓芯片制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：300mm晶圓；芯片制造技術(shù)；90nm工藝

1 前言
全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展靠兩大輪子推動(dòng)，一是不斷縮小芯片特征尺寸的輪子，從1mm→0.8mm →0.5mm→0.35mm→0.25mm→0.18mm→0.13mm→90nm，并向22nm 進(jìn)軍，以滿足芯片微型化、高密度化、高速化、高可靠化和系統(tǒng)集成化的要求；二是不斷擴(kuò)大晶圓尺寸的輪子，從100 →125→150→200→300mm，并向400mm 過渡，以提高芯片產(chǎn)量和降低芯片成本，最終獲取更大的利潤。正因?yàn)橛辛诉@兩大輪子，才能使摩爾定律繼續(xù)有效（至少在未來10年中仍是可靠的），才能使ITRS（國際半導(dǎo)體技術(shù)指南）2001年提前實(shí)現(xiàn)，如90nm工藝提前一年完成。芯片制造技術(shù)只有不斷創(chuàng)新，基礎(chǔ)才會(huì)扎實(shí)和牢靠，才會(huì)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)大道上平穩(wěn)和快速地奔馳。

2 300mm晶圓與90nm工藝互動(dòng)

300mm 晶圓尺寸的擴(kuò)大與芯片特征尺寸的縮小是相應(yīng)促進(jìn)和互相推動(dòng)的。晶圓尺寸每提升一個(gè)等級就會(huì)伴隨著芯片特征尺寸縮小一個(gè)等級(見表1)，如晶圓尺寸從200mm 擴(kuò)大到300mm，芯片特征尺寸就從亞微米、深亞微米縮小到納米尺度(100～0.1nm的范圍)。采用300mm晶圓是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然規(guī)律，是大勢所趨，因?yàn)?00mm 晶圓與200mm晶圓面積之比為2.25，所以300mm晶圓生產(chǎn)線產(chǎn)能是200mm的3倍以上。英特爾總裁兼首席執(zhí)行官貝瑞特宣稱，一旦采用0.13mm工藝的6座300mm晶圓廠起動(dòng)，到2003年其晶圓生產(chǎn)成本可下降25%。IBM聲稱，其單片300mm晶圓的成本可望下降30%～40%。TI認(rèn)為，300mm晶圓生產(chǎn)線可使其成本降低40%，再加上采用更小線寬的特征尺寸，其生產(chǎn)成本可節(jié)省近60% [1]。難怪世界上有那么多的頂級半導(dǎo)體廠商肯巨額投資興建300mm晶圓生產(chǎn)線（建一條300mm晶圓生產(chǎn)線需投資30億美元左右）。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已建、在建和計(jì)劃建設(shè)的300mm晶圓生產(chǎn)線約有40余條，其中美國10多條，中國臺(tái)灣10多條和歐洲、日本、韓國及新加坡等10多條�？上驳氖侵袊行緡H將于2004年在北京興建中國大陸第一條 300mm晶圓生產(chǎn)線。300mm晶圓常采用90nm工藝，也可采用深亞微米工藝，所以300mm晶圓與90nm 工藝是互動(dòng)的。世界各大IC公司都看好300mm晶圓和90nm工藝，力爭早日量產(chǎn)，占領(lǐng)市場，獲取更多的利潤，見表2[2]。90nm新工藝主要包括 193nm光刻技術(shù)、銅互連、低絕緣層、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、高k絕緣層、應(yīng)變硅和絕緣硅（SOI）等，目前這些新工藝已相當(dāng)成熟，達(dá)到 量產(chǎn)水平。

3 300mm晶圓芯片制造技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 芯片線寬加工微細(xì)化

表3給出了ITRS2001對特征尺寸、平坦化銅厚度、金屬互連層層數(shù)和低k絕緣層的要求[3]。要求 2004年特征尺寸達(dá)90nm，實(shí)際上2003年達(dá)標(biāo)。90nm工藝必須采用193nm ArF Stepper（準(zhǔn)分子激光掃描分步投影光刻機(jī)），該機(jī)價(jià)格昂貴，2001年為1200萬美元。2003年5月英特爾宣布放棄157nm F2 Stepper，其理由是價(jià)格太貴，高達(dá)1600萬美元，并試圖擴(kuò)展193nm ArF Stepper ，以用于65nm和45nm工藝。最近，該公司表示愿意參加比利時(shí) IMEC聯(lián)盟的研發(fā)項(xiàng)目，如157nm深紫外線（DUV）和13.4nm極深紫外線（EUV）光刻等。

3.2 芯片介質(zhì)、金屬互連層厚度薄型化

2003年英特爾采用90nm工藝生產(chǎn)奔騰4的晶體管，其柵長為50nm，縱向柵極氧化層（高k絕緣層）厚度僅為1.2nm（5個(gè)原子層厚），極大地提高晶體管的速度。從表3可知，對于90nm工藝，平坦化銅厚度僅為18nm。

3.3 芯片制造步驟復(fù)雜化

隨著芯片特征尺寸的不斷縮小，芯片制造步驟越來越多，如90nm工藝的銅互連層層數(shù)多達(dá)8~9層，臺(tái)聯(lián)電（UMC）的L90工藝采用9層銅互連。又如CMP工藝包括Cu-CMP、低k-CMP、STI（淺溝隔離）-CMP和W-CMP等，深亞微米DRAM需進(jìn)行3~6次CMP，深亞微米MPU需進(jìn)行9~13次[4] 。

3.4 芯片制造新工藝應(yīng)用組合化

90nm幾項(xiàng)新工藝常常組合使用，如銅互連、低k絕緣層和CMP已成為深亞微米、納米工藝的一組關(guān)鍵性標(biāo)準(zhǔn)工藝，銅互連替代鋁互連是300mm晶圓芯片制造技術(shù)的唯一選擇；低k絕緣層又是用于銅互連層間的絕緣；CMP是當(dāng)前實(shí)施晶圓表面平坦化工藝最成熟、最有效的一種技術(shù)，它起著研磨膏對晶圓表面進(jìn)行機(jī)械研磨和化學(xué)腐蝕的雙重作用；又如SOI與SiGe技術(shù)的組合應(yīng)用等。

3.5 芯片加工所用輔助材料高純化

300mm晶圓、90nm工藝對環(huán)境及所用輔助材料（如化學(xué)試劑、去離子水等）的要求更苛刻，如要求控制環(huán)境顆粒尺寸為0.01μm、潔凈等級為 0.1級，為此必須采用SMIF（標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口）隔