由「ITRS 2005 update」看半导体制程技术及市场发展
2007-02-09
作者：admin
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摘要： 国际半导体技术蓝图（International Technology Roadmap for Semiconductors；ITRS） 是全球半导体产业需求15年展望的参考文档，该档案概括了产业的技术挑战，提出了可能的解决方案，然后再由半导体制造商和设备材料供应商接手来去决定选择哪里一种技术和执行细节。
编者按：国际半导体技术蓝图（International Technology Roadmap for Semiconductors；ITRS） 是全球半导体产业需求15年展望的参考文档，该档案概括了产业的技术挑战，提出了可能的解决方案，然后再由半导体制造商和设备材料供应商接手来去决定选择哪里一种技术和执行细节。
而ITRS 2005 update是自1998年以来欧、日、韩、台湾及美国研究人员合作下的第八个版本，今年底将会有第九个版本（ITRS 2006）产生，而这几年的更动包括了预测了DRAM半间距（half-pitch）每3年有30％的递减，与摩尔定律所预测的每片IC上晶体管数量每两年倍增的预测一致，以及对诸如MPU栅长（Gate Length）、金属层间介电常数Ｋ值演进中所会遇到的技术瓶颈上的挑战，也做出完整的远景勾勒，并且替SoC/SiP时代半导体技术发展的各种驱动力和有效微缩方法提供更合理的规划蓝图，本文将藉由ITRS 2005 update，探讨主要制程技术的现况、趋势以及市场走向。
193奈米湿浸式引领微影技术向前冲
自从1965年英特尔（Intel）主要创始人摩尔提出了「随著芯片上电路的复杂度提高，芯片数目必将增加，每个芯片的成本将会每年下降一半」，然而经过40年之后，假设摩尔定律仍持续适用于未来，那么光学显影就会面临到许多发展瓶颈，在KLA-Tencor公司的副总经理Chris A. Mack的一篇论文中，就指出（乾式）传统微影的数值孔径（Numerical Aperture）也许将会很快达到0.9数值孔径，已经非常接近理论极限值，而且数值孔径增加会使聚焦深度减少，反而不利于量产；此外，改变波长的成本相当昂贵且会受到光阻成熟度所限制；不管使用四柱型（quadrupole）或是环状、交叉式四柱型（cross-quadrupole）的光源，在分辨率方面都会有不同制程问题存在，所以每个世代的制程范围（process window）通常会缩小30％，造成制程世代转移时，生产良率上更大的冲击。
下一世代主流微影技术中，包括157奈米、193奈米湿浸式还有及极紫外光（EUV），最后谁能胜出呢？或许ITRS 2005 update版本已经下了批注，采用193奈米波长光源的湿浸式微影技术，凭借著可以继续沿用现今193奈米微影设备的优点，除了节省设备制造商以及制程采用者大量研发及导入成本之外，还击败开发过程问题重重的157奈米光源的乾式微影技术，正式成为ITRS中65奈米制程技术的主流微影技术。甚至认为193奈米波长的曝光系统（包括193奈米湿浸式系统）将成为未来两个技术世代的主流解决方案，业界如果研发出高折射率的液体与透镜材料，藉此将湿浸式技术延伸到水以外领域，那么湿浸式微影制程将会具备继续挑战45奈米，甚至在32奈米与22奈米的环境中成为一个具潜力的解决方案。
虽然说湿浸式微影设备初期液体是采用水，但未来45奈米以后，则需要进一步提高数值孔径，此时就会需要折射率比纯水更高的液体，目前包括JSR、三井化学都已经公布候选材料。JSR所开发出来的液体，其折射率可以达到1.64；而三井化学所开发的液体，折射率为1.63，与JSR不相上下，两者都已经通过32奈米微影制程考验。
现阶段在光学微影这个产业，主要有艾司摩尔（ASML）、佳能（Canon）、尼康（Nikon）3家主要业者，以及一家小型业者Ultratech Steppers，而艾司摩尔在2001年5月22日购并了第四大微影厂Silicon Valley Group Inc.（SVG），这举动使得艾司摩尔一举跃升成为全球第一大的微影设备厂，并在过去2年内成功打下主要客户群，2005年全球市占率高达55％。
至于近期艾司摩尔（ASML）已经有可以沿用到40奈米以下的TWINSCAN XT：1900Gi（数值孔径1.35）推出，这是该公司的193奈米湿浸式微影设备第四代产品（前三代分别为XT 1250D、XT 1400F以及XT 1700Fi），截至2006年第一季全球已经销售了14台湿浸式微影设备，设备平均销售价格约为3,000万美元上下。
至于市占率29％，排名全球第二的尼康也推出S610C（数值孔径1.30），采用Tandem Stage 技术，这是该公司的193奈米湿浸式微影设备第五代产品（前四代分别为S307E、S308F、EET、S609B）对抗。
根据市调机构Dataquest资料预估，2006年微影设备市场约较2005年成长17％，达58.5亿美元，然后持续成长至2008年，但2009年之后因为半导体景气衰退，导致销售减少，但整体市场仍会高于70亿美元以上。至于193奈米湿浸式微影设备今年全球约销售1520台，未来由于制程技术持续推展，销售数量遽增，预估到2010年全球销售量将会到达120台水平。
铜制程需求 CMP设备销售持续攀高
当半导体元件的尺寸愈来愈小及导线层数愈来愈多的趋势袭来，电阻/电容时间延迟（RC Time Delay）将严重影响整体电路的反应速度。为了改善随著金属联机线宽缩小所造成的时间延迟以及电子迁移可靠性问题，选择铜导线材料取代先前的铝合金，是有其必要。铜制程使金属导线层可以大幅度减少，以降低内联机的复杂度，而且制程成本可以减少约2030％。
由于铜金属本身具有不易蚀刻的特性，无法像铝合金金属一样，以乾式蚀刻的方式制作出导线图案，使得制程技术由早先的金属蚀刻（Subtractive Etch），演变为蚀刻介电层的铜嵌入式制程（Cu Damascene）。这种嵌入式制程，需将高质量的铜金属填入高深宽比的沟渠之中，故CVD和PVD方式不适合铜金属沉积，反而是传统电镀（Electroplating）铜技术比较适合，由于在电镀完铜之后，表面上会留下许多包括刻痕、凹陷、残留颗粒等状况，所以必须采用CMP的化学机械研磨方式来使晶圆表面平坦化。
CMP为半导体制程上主要的全面性平坦化技术，尤其其方式是将晶圆放置在承载体（Carrier/Head）与表面铺有抛光垫的旋转工作台之间，延著一条输送管，将会产生化学反应的化学助剂（reagent）不断地喷出，在化学蚀刻与机械磨削两者相互作用下，将芯片上凸出的沈积层，加以去除的一种平坦化技术。
而对于CMP制程的要求有二，第一是材料的选择，因为在研磨中不同的材料的消耗速率皆不相同，因此有可能会造成铜导线的浅碟效应（Dishing）产生，最后使得铜变薄，进而增加电阻，影响到良率。第二则是如何在制程中防止铜的氧化，因为氧化层的腐蚀，造成氧化层变薄而电容值增加，最后结果对于生产良率也会有影响。
CMP早期主要的领导厂商是SpeedFam IPEC，不过由于错估形势，导致市场转向由应用材料（Applied Materials）、Ebara以及SpeedFam；但1999年起，应用材料开始主导市场，占有超过70％以上市场，这段期间科林研发（Lam research）退出市场，SpeedFam IPEC被诺发系统（Novellus）购并 应用材料开始主导市场，占有超过70％以上市场，应用材料在2004年推出电解研磨型CMP设备〝Reflaxion LK〞，与以往传统CMP不同的是并非是通过研磨压，而是通过电荷控制去除率，也因为不是使用研磨剂，而是使用电解液，不仅可以降低消耗品成本，而且由于研磨压变得更低，还可以延长垫片等寿命。
由于12寸厂兴起以及未来DRAM供应商的65奈米技术的应用，将带动CMP设备的市场销售持续攀高。
2006年CMP设备市场约较2005年成长约10％，达美金11.3亿，至于2007年市场则与2006年相比，没有太多变化，比较有可能爆发的时间点应为2008年，因为到时候DRAM业者在进入65奈米制程后，CMP的设备需求将大增，而市场值可会高达18亿美元之谱，续创历史新高。
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