光刻技術(shù)最新進(jìn)展

2004年6月A版

　　在摩爾定律的指引下，半導(dǎo)體工業(yè)每?jī)芍寥昃涂缟弦粋€(gè)新的臺(tái)階，即所謂的半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(ITRS)。預(yù)計(jì)2004年進(jìn)入90nm節(jié)點(diǎn)器件的批量生產(chǎn)，到2007年為65nm。然而這一切變化的關(guān)鍵是光刻技術(shù)，所以人們統(tǒng)稱光刻技術(shù)是半導(dǎo)體工業(yè)的“領(lǐng)頭羊”。2003年ITRS修訂的最新版本如表1所示。

　　隨著集成電路產(chǎn)品技術(shù)需求的提升，光刻技術(shù)也不斷地提高分辨率，以制作更微細(xì)的器件尺寸。全球光刻技術(shù)的進(jìn)程如圖1所示。

　　傳統(tǒng)上提高光刻技術(shù)的分辨率無(wú)非是縮短曝光波長(zhǎng)及增大鏡頭的數(shù)值孔徑NA，通?？s短波長(zhǎng)是最有效的方法之一，各種不同波長(zhǎng)的光源如表2所示。

　　實(shí)際上，全球光刻機(jī)目前主流產(chǎn)品是KrF(248nm)及i線(365nm)。2003年的銷售量總計(jì)為350臺(tái)，其中i線占35%，KrF占45%，ArF約占20%。銷售總額為30億美元。照原先的路線圖計(jì)劃，人們計(jì)劃將157nm光源作為65nm器件的突破口。即所謂光學(xué)方法的極限，再往下走只能采用EUV及EPL等。但是2003年對(duì)于全球半導(dǎo)體工業(yè)是個(gè)值得回憶的年份，5月份Intel公司突然宣布放棄157nm技術(shù)，將繼續(xù)使用193nm浸入式光刻技術(shù)進(jìn)行65nm及45nm的制程，并計(jì)劃采用極短紫外光(EUV)來(lái)制作32nm的制程，Intel的此舉尤如重量級(jí)炸彈一樣，因?yàn)閷?shí)則上將157nm技術(shù)跳了過(guò)去。眾所周知，Intel是全球光刻設(shè)備最大的買主，Intel的任何動(dòng)作，將在全球半導(dǎo)體業(yè)界引起極大的反響。

　　光刻技術(shù)的發(fā)展方向存在著看法的分歧，ITRS亦于2003年12月不得不重新修正了2001年所發(fā)表的光刻工藝技術(shù)路線圖。最后大家比較一致的意見(jiàn)，在65nm以下，所謂下一代光刻技術(shù)將可能采用193nm浸入式技術(shù)、157nm、極短紫外光(EUV)或者是電子束投影光刻(EPL)等。本文將介紹目前認(rèn)為極具有潛力的各種光刻技術(shù)。

193nm 浸入式光刻技術(shù)

　　此前業(yè)界并沒(méi)有認(rèn)為浸入式技術(shù)有如此大的功效。直至2002年底浸入式技術(shù)的可行性報(bào)告送至國(guó)際機(jī)構(gòu)Sematech的桌上以后半年，半導(dǎo)體業(yè)界才蘇醒過(guò)來(lái)，浸入式技術(shù)迅速成為光刻技術(shù)中的新寵。因?yàn)榇朔N技術(shù)的原理清晰及配合現(xiàn)有的光刻技術(shù)變動(dòng)不大，獲得了人們的極大贊賞。

　　在傳統(tǒng)的光刻技術(shù)中，其鏡頭與光刻膠之間的介質(zhì)是空氣，而所謂浸入式技術(shù)是將空氣介質(zhì)換成液體。實(shí)際上，浸入式技術(shù)利用光通過(guò)液體介質(zhì)后光源波長(zhǎng)縮短來(lái)提高分辨率，其縮短的倍率即為液體介質(zhì)的折射率。例如，在193nm光刻機(jī)中，在光源與硅片(光刻膠)之間加入水作為介質(zhì)，而水的折射率約為1.4，則波長(zhǎng)可縮短為193/1.4=132nm。如果放的液體不是水，或者是其它液體，但折射率比1.4高時(shí)，那實(shí)際分辨率可以非常方便地再次提高，這也是浸入式光刻技術(shù)能很快普及的原因。

　　浸入式技術(shù)目前采用的是兩次去離子的蒸餾水，碰到主要的問(wèn)題如下：

　　在浸入式光刻機(jī)系統(tǒng)中，由于多種原因都可能產(chǎn)生氣泡，如減壓、氣泡表面的空氣滲透、硅片表面的空氣吸入或者與光刻膠表面的作用等。曾經(jīng)作了氣泡從形成到破裂的壽命試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(包括理論的估計(jì))微細(xì)氣泡的壽命正比于它的直徑，許多微細(xì)氣泡在破裂之前實(shí)際己經(jīng)分解。

　　歸納起來(lái)，尤其是193nm的浸入式技術(shù)，目前的進(jìn)展比較順利，全球半導(dǎo)體業(yè)界都有充足的信心至少可以實(shí)現(xiàn)65nm，甚至45nm節(jié)點(diǎn)器件的制程。而且到目前為止，還沒(méi)發(fā)現(xiàn)太大的障礙。

　　然而，浸入式光刻技術(shù)對(duì)于全球半導(dǎo)體工業(yè)所帶來(lái)的效益是無(wú)法估量的，可以節(jié)省大量的資金，由此對(duì)摩爾定律再能持續(xù)10至15年完全充滿信心。

157nm光刻技術(shù)

　　157nm光刻，傳統(tǒng)上被稱為光學(xué)方法的極限，其光源采用氟氣準(zhǔn)分子激光，發(fā)出波長(zhǎng)157nm附近的真空紫外光?？偟膩?lái)說(shuō)，目前氟氣準(zhǔn)分子激光器功率己可達(dá)20W，157nm光刻尚處在研發(fā)之中。

　　目前157nm光刻的主要困難如下：

　　當(dāng)波長(zhǎng)短到157nm時(shí)，大多數(shù)的光學(xué)鏡頭材料都是高吸收態(tài)，易將激光的能量吸收，受熱膨脹后而造成球面像差。目前只有氟化鈣為低吸收材料，可供157nm使用。目前二氟化鈣鏡頭結(jié)構(gòu)在雙折射等技術(shù)問(wèn)題方面尚無(wú)法解決，加之產(chǎn)量需求少，而投入非常大。造成成本昂貴。

　　有機(jī)材料的軟Pellicle不可能承受157nm的輻射(因輻射吸收熱量太大)，而無(wú)機(jī)材料的硬Pellicl必須用熔融的石英材料經(jīng)特殊的加工制成，加工成非常薄的材料非常困難，800μm的厚度就可能因?yàn)橹亓Χ麓埂?/P>

　　盡管Intel宣布決定放棄157nm光刻，但是業(yè)界在157nm光刻技術(shù)的進(jìn)程并沒(méi)有因此停頓，至少在32nm光刻技術(shù)的選擇方法中是一個(gè)重要的籌碼，因?yàn)?57nm也能附加浸入式技術(shù)而提高分辨率。

EUV(極短紫外光)光刻

　　光刻技術(shù)的進(jìn)步，在157nm之后人們稱之為下一代光刻技術(shù)(NGL)。其中EUV是較有前途的方法之一。EUV技術(shù)最明顯的特點(diǎn)是曝光波長(zhǎng)一下子降到13.5nm，在如此短波長(zhǎng)的光源下，幾乎所有物質(zhì)都有很強(qiáng)的吸收性，所以不能使用傳統(tǒng)的穿透式光學(xué)系統(tǒng)，而要改用反射式的光學(xué)系統(tǒng)，但是反射式光學(xué)系統(tǒng)難以設(shè)計(jì)成大的NA，造成分辨率無(wú)法提高。

　　EUV技術(shù)還有些其它優(yōu)點(diǎn)，如可通用KrF曝光中的光刻膠以及由于短波長(zhǎng)，不需要使用OPC(光鄰近效應(yīng)的圖形補(bǔ)償)技術(shù)等，大大降低了掩模成本。

EUV技術(shù)的主要挑戰(zhàn)如下：

　　美國(guó)Cymer公司從1997年起就開(kāi)始EUV光源的研制，目前的技術(shù)路線有三種：第一種源自Cymer的高密度等離子體激光器；第二種是放電型等離子體激光器(DPP)；第三種是基于激光產(chǎn)生等離子體(LPP)技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)芯片批量生產(chǎn)需要高功率的激光器，同時(shí)又是降低EUV光刻機(jī)的關(guān)鍵。目前EUV光源的功率己可達(dá)10W，試驗(yàn)樣機(jī)的要求是30W，而真正滿足批量生產(chǎn)要求是100W。

　　在EUV光刻技術(shù)中，由于掩模是采用反射式(通常都是穿透式)，所以掩模的制作十分困難。一般采用80層堆疊的Mo/Si薄膜，每一個(gè)Mo(鉬)層與Si(硅)層的厚度分別為2.8nm及4.0nm。而且要求每層必須絕對(duì)平滑，誤差只容許一個(gè)原子大小，所以如何制作多層涂布低缺陷的掩模仍是個(gè)大挑戰(zhàn)。目前認(rèn)為在掩模上的顆粒尺寸在50nm時(shí)就無(wú)法接受，所以通常要采用掩模修正技術(shù)，如離子銑，或者用電子束在局部區(qū)域加熱氣化修正多余的圖形等。另外涉及到掩模的儲(chǔ)存、運(yùn)輸及操作也非常困難。

　　從EUV輻射的殘骸可能破壞EUV系統(tǒng)的光學(xué)鏡片，作為近期目標(biāo)，鏡片的壽命至少要幾個(gè)月。業(yè)界為了EUV，即下一代光刻技術(shù)付出了許多努力，如美國(guó)的EUVLLC、歐洲的EU41C、日本的ASET及EUVA等公司。目前的目標(biāo)是2006年出樣機(jī)，2007年能推出實(shí)用化的試用機(jī)種。
　　
電子束投影光刻(EPL)

　　 隨著光學(xué)波長(zhǎng)的限制及曝光設(shè)備的復(fù)雜化，導(dǎo)致非光學(xué)方法的光刻技術(shù)的發(fā)展，其中電子束投影光刻是相對(duì)成功的方向之一。

　　EPL技術(shù)是利用電子槍所產(chǎn)生的電子束，通過(guò)磁場(chǎng)聚焦、掃描、經(jīng)電腦控制電子束的劑量后，照射在硅片的光刻膠上形成圖形。

　　EPL機(jī)臺(tái)需要極高的真空度，以防止塵埃在光學(xué)元件上堆積而造成曝光結(jié)構(gòu)的改變，嚴(yán)重時(shí)有可能導(dǎo)致電子束的閃電。除此之外，反向散射效應(yīng)及空間電荷積累造成電子束的庫(kù)侖互斥力亦是致命的因素。

目前影響EPL進(jìn)程的主要難點(diǎn)如下：

　　由于計(jì)算的數(shù)據(jù)量太大，目前能達(dá)每小時(shí)10片己經(jīng)相當(dāng)不易，目標(biāo)是每小時(shí)25片。隨著計(jì)算機(jī)速度的提高及設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，還是大有希望。

　　LEEPL最大的優(yōu)點(diǎn)在于電子束能量?jī)H只有2kV，可以有效地防止散射電子的能量重疊，而造成分辨率降低。除此之外，LEEPL技術(shù)還有空間電荷累積少及無(wú)光學(xué)近接效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。但是LEEPL需使用1:1的掩模，所以掩模的制作成本相對(duì)較高，污染控制及Pellicle的使用將是又一個(gè)挑戰(zhàn)。

　　由于EPL的分辨率高，而且焦點(diǎn)深度(DOF)深，因此非常適用于高縱橫比的接觸孔圖形的制作。另外如SOC系統(tǒng)芯片等多品種小批量及中品種中批量的生產(chǎn)中，EPL的優(yōu)點(diǎn)逐漸顯露。

　　隨著無(wú)掩模技術(shù)及多束電子束技術(shù)的進(jìn)展，使電子束光刻技術(shù)在提高硅片產(chǎn)出方面也有了很大的進(jìn)步，電子束光刻技術(shù)己受到人們極大地關(guān)注。

　　電子束光刻技術(shù)將以EPL及LEEPL等為火車頭，估計(jì)從2005年開(kāi)始將直線上升。尤其是在小批量的SOC器件生產(chǎn)中，電子束光刻技術(shù)的應(yīng)用會(huì)迅速增長(zhǎng)。

結(jié)語(yǔ)

　　光刻技術(shù)是半導(dǎo)體工業(yè)的”領(lǐng)頭羊”。據(jù)Sematech的最新報(bào)告指出，全球光學(xué)光刻設(shè)備產(chǎn)業(yè)在研發(fā)157nm光刻技術(shù)中，己投入50億美元，而在下一代光刻EUV設(shè)備的研發(fā)中，也己超過(guò)74億美元，足見(jiàn)其高投入及高風(fēng)險(xiǎn)。因此，即便是Intel也是采用聯(lián)合研發(fā)方式，以分散風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)則上光刻技術(shù)的進(jìn)展也是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要半導(dǎo)體上、中、下游，產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)等相互合作，包括掩模材料、光刻膠及光刻設(shè)備等。

　　從光刻技術(shù)看，浸入式技術(shù)的出現(xiàn)給光刻技術(shù)好似打了一劑強(qiáng)心針。至少目前193nm加上浸入式技術(shù)可以做到45nm，甚至32nm節(jié)點(diǎn)。因此157nm技術(shù)己經(jīng)被推遲到2009年用在32nm節(jié)點(diǎn)的器件生產(chǎn)中。

　　電子束光刻技術(shù)的進(jìn)展比預(yù)期稍快一點(diǎn)，普遍的看法在SOC系統(tǒng)芯片等小批量生產(chǎn)中會(huì)有所崛起。

　　光刻技術(shù)的發(fā)展方向，不管是采用縮短波長(zhǎng)，或是增大鏡頭的NA，還是采用浸入式技術(shù)，或者非光學(xué)方法等，然而一切技術(shù)的關(guān)鍵在于成本。從這點(diǎn)出發(fā)，似乎目前的浸入式光刻技術(shù)略占優(yōu)勢(shì)。但是未來(lái)究竟誰(shuí)能成為下一代光刻技術(shù)的主流，恐怕只有時(shí)間才能作出正確的答案。■