跨入16奈米世代 一步到位

摩尔定律预测，2015年16奈米的晶体管将迈入量产，然而16奈米目前却有着难以突破的瓶颈。国家奈米组件实验室研发的创新技术，让整个微影制程缩减为只需一个步骤就可以完成，而且不需光罩、光阻，可大幅省下制程成本。
撰文╱郭雅欣

重点提要
■晶体管的研发走进16奈米世代后，现有的微影技术已不再适用，需要全新的技术。目前竞争中的技术包括极紫外光与电子束，但两者都有着难以解决的问题，胜负仍未分晓。
■国家奈米组件实验室研发的「奈米喷印成像技术」，将微影制程缩减到只剩一个步骤，线宽更小，又不需光罩、光阻，极具发展潜力。

「三年内做出16奈米的晶体管。」2008年11月，国家奈米组件实验室（NDL）刚上任不久的主任杨富量发出这样的豪语，大多数人的反应都是「不可能吧」，或是直接用「严苛」形容这样的目标，然而杨富量坚持「只要有1%或2%的可能性就去尝试」，结果证明这是可能的，由NDL的奈米组件厂厂长黄健朝、代工与制程整合组组长陈豪育带领的团队，发明了一项创新的微影方法「奈米喷印成像技术」（nano- injection lithography, NIL），只花了一年就成功制作出16奈米的晶体管，并完成真正可运作的静态随机存取内存（SRAM）。2009年12月9日，该团队在国际电子组件会议（IEDM）上正式发表论文，引起国际瞩目。

16奈米指的是「线宽」的粗细，半导体业界通常用线宽代表晶体管的尺寸，线宽越细，组件就越小，每个芯片上所能储存的数据量就越大，速度也越快；全世界的半导体研发团队也都一直致力于缩小线宽，让摩尔定律「单位面积上的晶体管数目每18个月就会增加一倍」能够历久弥坚，而最直接影响线宽的制程称为「微影」（lithography）。

微影是一种利用光罩、光阻以及特定波长的光源，将设计好的图样「转印」出来的技术（见54页〈微影制程比一比〉），有点类似光学相机里底片感光、显影的过程。为了让线宽尽量细小，光罩的设计必须非常精细，光源的波长也越短越好，目前已经可量产的晶体管最小线宽为45奈米，是以波长193奈米的深紫外光（DUV）做为微影制程的曝光光源，搭配台积电微制像技术发展处处长林本坚在2004年所发表的「浸润式微影术」。

浸润式微影术是以水取代空气，让曝光光源在照射到光阻前，必须穿透一层水，利用水的折射率比空气大的性质，让光聚焦在更细小的区域，以缩小线宽（参见 2005年8月号〈冲破晶圆制造瓶颈的一滴水〉、〈水把芯片变小了〉）。在此技术之前，以193奈米的光源可做到的线宽极限为65奈米，而浸润式微影术将线宽再缩小至45、甚至是22奈米。

然而浸润式微影术即将在22奈米达到极限，再下一个世代──也就是16奈米的组件──会遇上更严峻的挑战。16奈米之所以如此困难，主要是因为DUV的光源不再适用，传统的制程因此得大幅改变，而目前正在研发中、可能取代DUV的两种光源：超紫外光（EUV）与电子束（e-beam），都仍有难以解决的问题，谁胜谁负还在未定之天。

浸润式的下一步：超紫外光 vs. 电子束

既然光源的波长越小越好，那么就换成波长更小，只有13.5奈米的超紫外光，是否就可以让摩尔定律继续走下去呢？很可惜，这种超紫外光有个极大的缺点，就是任何材料都很容易吸收这个波长的能量。在传统的曝光过程中，光源必须多次穿过透镜，才聚焦到芯片上，如果以超紫外光取代光源，几乎所有的能量都会被透镜吸收。因此，整个曝光过程都得重新设计，将透镜一律改为反射镜，光罩也得改成反射式，然而反射式光罩质量要求极高，表面必须极为平整，甚至材料不能太容易热胀冷缩。这种光罩制作困难、成本非常高昂，光是使用的特殊材料价格就要传统光罩的两倍以上；此外，就算改为反射式，镜子顶多将2/3的入射光反射出去，整个曝光过程下来，能量仍可能耗损到仅剩不到10%，因此，光源的能量必须很高，黄健朝提了个半导体业界常说的玩笑话：「想改用超紫外光，大概得在工厂旁盖一座发电厂吧！」

光罩显然问题重重，因此产生了另一个选项：电子束，它可以聚焦得很小，很适合制作小线宽的组件，更重要的是，电子束是如同画笔般，将记录在曝光机里的图样「画」在光阻上，因此不需要光罩，不但省下光罩的庞大成本，也省下了光罩可能造成的误差。

误差是另一项让制程研发人员头痛的问题。一般组件可容许10%以内的误差，例如15奈米的线宽，可容许1.5奈米的误差，然而制程步骤越繁复，造成误差的来源就越多，包括光罩、光阻、机台，还有自然发生、无法避免的误差（random error），合起来不能超过1.5奈米，这相当于不到五个硅原子的宽度。因此，若能将误差来源直接移除，在制程上的压力也会减轻许多。

当然电子束并不真的是画笔，它「画」的过程其实是让电子射向光阻，将光阻的键结打断，然而高能量的电子束射入光阻后，却容易被光阻下的基板散射（称为「背向散射」），将附近的光阻键结也一并打断，结果常常使原本不该曝光的部份也曝光了，造成线与线分际不明确，甚至是整条线消失的情形。研发人员也试着将电子束能量调低，虽然解决了背向散射的问题，但由于射入光阻的电子能量太弱，容易因打到光阻分子而四处散射（称为「正向散射」），结果产生的线宽时大时小，极不稳定。