90nm技术节点：半导体制造的重要里程碑

90nm技术节点：半导体制造的重要里程碑

90nm技术节点是半导体制造领域的重要里程碑，它不仅推动了晶体管尺寸和集成度的显著提升，还引入了多项创新技术以优化性能和降低功耗。本文将详细介绍90nm工艺的关键技术及其在高性能芯片设计与制造中的应用。

90nm技术节点是半导体制造中的一个重要里程碑，标志着晶体管尺寸和集成度的显著提升。90nm工艺节点采用了多种先进技术以提高性能和降低功耗。例如，英特尔在其90nm工艺中集成了更高性能、更低功耗的晶体管、应变硅、高速铜互连以及新型低K绝缘材料。这些技术的结合使得90nm工艺能够实现更高的集成度和更低的功耗。

90nm MOSFET的结构及尺寸，资料来源：互联网

此外，为了应对不断缩小的晶体管尺寸带来的挑战，90nm工艺还引入了诸如倾斜通道注入（TCI）等新技术，以优化载流子迁移率和减少短沟道效应（SCEs）。这些技术的应用不仅提高了晶体管的驱动电流，还改善了其I-V特性。

应变硅（Strained Silicon）

这是首次在90nm工艺中使用的一种技术，通过在PMOS和NMOS晶体管的沟道区域引入压缩或拉伸应变来提高载流子迁移率。具体来说，Si-Ge源极漏极结构用于PMOS，可以将电流提高25%，而高应力Si3N4覆盖层用于NMOS，可将电流提高10%。

铜互连（Copper Interconnects）

从铝转向铜互连是90nm工艺的重要进步之一，这不仅提高了信号传输速度，还降低了功耗。铜互连技术在90nm工艺中相对于铝互连具有显著的优势，主要体现在以下几个方面：

1. 导电性能：铜的电阻率低于铝，这意味着在相同条件下，铜能够提供更低的电阻和更高的电流传输效率。这使得铜互连能够在高频率电路中使用，从而提高信号传输速度。
2. 抗电迁移性：铜比铝更能抵抗电迁移，即电流流过金属时产生的氧化或腐蚀现象。这种特性提高了铜互连的长期稳定性和可靠性。
3. 功耗降低：由于铜的低电阻率和良好的抗电迁移性，采用铜作为互连线的电路功耗较低。寄生电容小，信号干扰少，有助于减少能量消耗。
4. 信号传输速度：铜互连能够实现更快的器件连接速度，这对于高速数据传输尤为重要。

在90nm制造工艺中，厂商已经实现了多层铜互连技术，如10层铜互连结构，使硅晶圆上的晶体管数量大幅增加，从而提高了芯片性能。

90nm技术节点的设计规则，资料来源：互联网，Fujitsu

低K绝缘材料（Low-k Dielectrics）

在90nm技术节点，低K绝缘材料的引入是为了应对集成电路（IC）互连电阻-电容（RC）延迟增加的问题。随着器件尺寸的缩小，传统的SiO2介电层由于其较高的介电常数（约4.0），导致线到线的电容和金属互连线的电阻增加，从而限制了高速逻辑芯片的性能。为了解决这一问题，90nm技术节点采用了低K值的层间绝缘材料（ILD），如通过掺杂碳来降低介电常数，同时保持良好的机械强度和热稳定性。碳掺杂氧化物SiCOH具有更低的介电常数，通常范围在2.3到2.9之间，这种材料能够有效降低互连的电容和电阻，实现超过20%的层间及层内电容改善以及25-30%的RC延迟改善，从而提高集成电路的性能。

倾斜通道注入（TCI）

倾斜通道注入（TCI）是一种在半导体制造过程中使用的离子注入技术，主要用于解决沟道效应和横向效应问题。具体来说，当离子沿晶轴方向垂直注入时，大部分离子会沿着沟道运动，几乎不会受到原子核的散射，从而深入材料内部。这种现象被称为沟道效应。为了减少沟道效应，通常采用倾斜角度注入的方法。这种方法可以有效减少离子的扩散深度，并且使掺杂形貌更接近高斯分布。例如，在碳化硅MOSFET的沟道制备中，传统方法是垂直注入，但由于碳化硅中注入离子几乎没有扩散现象，即使经过高温退火工艺也不会像在硅材料中扩散，这使得垂直注入的沟道非常窄，容易耗尽，导致阈值电压降低。因此，采用倾斜角度注入可以形成超浅结。此外，倾斜角度注入还可以通过晶圆转动和注入后退火过程的小量掺杂物扩散来解决光刻胶产生的阴影效应。在某些情况下，如果倾斜角度太小，掺杂物浓度可能会因为通道效应形成双峰分布。

90nm工艺被广泛应用于各种高性能芯片的设计与制造中。例如，在超低功耗高性能芯片设计方面，基于90nm CMOS工艺的MSRF（混合信号射频）技术展示了卓越的MOS晶体管fT频率（160-185 GHz），并实现了低成本系统级芯片（SOC）的优化。这种工艺不仅适用于传统的逻辑和存储器芯片，还可以用于高性能RF组件和模拟电路。

尽管90nm工艺取得了显著进展，但其面临的挑战依然存在。随着晶体管尺寸进一步缩小，传统的缩放方法逐渐失效，需要引入新材料和新结构来维持性能提升。例如，2004年12月在日本SEMICON会议上，台积电发布，已顺利使用浸没式光刻（ImmersionLithography）技术生产出全功能90纳米芯片。这也得益于，台积电与ASML合作开发出第一台浸没式光刻机。台积电创新的浸没式光刻采用波长193纳米的光刻机，而非传统的157纳米干式光刻机。台积电的此项创新不仅改写了全球半导体产业的光刻机规格，也协助全球半导体也突破了摩尔定律的挑战，并推动整个产业向更先进的工艺技术迈进。

三星2006年开始量产90纳米SoC，标志着三星在纳米技术方面的一次重大飞跃，并提供包括更低动态功耗在内的低功耗选择。凭借高达30%的速度提升，90纳米工艺作为面向高密度非易失性存储器(NVM)和移动应用的解决方案，突破技术界限。90纳米工艺使芯片尺寸减小一半，同时拥有更高的性能，令三星在当时正在经历重大变革的半导体行业中一举跃升。Samsung Foundry目前正在扩展90纳米工艺，为200MHz以下的入门级MCU提供专门工艺。90纳米工艺支持一系列先进设备，包括以光学方式读取指纹的指纹显示(FOD)系统。它使用分路光电二极管，能够为车载摄像头传感器提供更高的动态范围，同时能够增强当今市场上相机的全局快门功能。该工艺还支持为DFT应用增加单光子雪崩二极管(SPAD)像素。