半导体光刻技术及设备的发展趋势姚达1,刘欣2,岳世忠3(11中国电子科技集团公司第四十七研究所,沈阳110032;21中国人民解放军91550部队,辽宁大连116000;31北京大学软件与微电子学研究院,北京100871)摘要:随着芯片集成度的不断提高、器件尺寸的不断缩小,光刻技术和光刻设备发生着显著变化。
通过对目前国内外光刻设备生产厂商对下一代光刻技术的开发及目前已经应用到先进生产线上的光刻技术及设备进行了对比研究,对光刻技术和光刻设备的发展趋势进行了介绍,并对我国今后半导体光刻技术及设备的发展提出了合理化建议。
关键词:光刻;光刻机;分辨率;掩模;焦深;曝光中图分类号:T N30517 文献标识码:A 文章编号:10032353X(2008)0320193204Trends of Lithography Technology&Equipments forSemiconductor F abricationY ao Da1,Liu X in2,Y ue Shizhong3(11The47th Research Institute,CETC,Shenyang110032,China;21Unit91550,P LA,Dalian116000,China;31School o f So ftware and Microelectronics,Peking Univer sity,Beijing100871,China)Abstract:Lithography technology and equipments are in a significant im provement with high chip integration and the device size scaling down.The development trends of lithography and equipments for semiconductor fabrication are discussed through the current requirements for next generation lithography technology of lithography equipment manu factμrers domestic and abroad,and by com paring the lithography technology and equipments applied to advanced production line,and reas onable proposal development trend is given.K ey w ords:lithography;mask aligner;res olution;mask;depth of focus(DOF);exposureEEACC:2550G0 引言光刻技术从诞生以来,在半导体加工制造行业中,作为图形转移技术而广为应用。
随着芯片集成度的不断提高、器件尺寸的不断缩小以及器件功能的不断提高,作为半导体加工技术中最为关键的光刻技术和光刻工艺设备,必将发生显著的变化。
光刻工艺中通常所使用的光源是由水银蒸汽发射的紫外光,波长为366、405、436nm[1]。
目前为了提高曝光分辨率,降低所使用的曝光光源也是光刻技术和设备发展的一个趋势。
光刻机的主要构成包括曝光光源、光学系统、电系统、机械系统和控制系统组成。
其中光学系统是光刻机的核心。
光刻机的曝光方式一般根据掩模版和晶圆的距离大致分为三种方式:接触式、接近式和投影式[2]。
1 推动光刻技术和设备发展的动力经济利益是Si片直径由200mm向300mm转移的主要因素。
300mm的Si片出片率是200mm的215倍。
300mm工厂的投资为15～30亿美元,其中约75%的资金用于设备投资,因此用户要求设备能向下延伸3～4代。
300mm片径是从180nm技术节点趋势与展望Outlook and Future切入的,这就要求设备在150、130nm,甚至100nm仍可使用。
为了推进300mm Si片的大生产,设备厂商在几年前就着手解决这方面的问题。
Canon于1995年着手300mm曝光机,推出了EX3L和I5L步进机,于1997～1998年提供日本半导体超前边缘技术(SE LETE)集团使用,AS M L公司的300mm步进扫描曝光机使用193nm波长,型号为FPA2500,也于1999年提供给SE LETE集团使用。
现在Canon的第三代300mm曝光机的混合匹配曝光能力已经达到(<110nm)。
目前300mm片径生产180、150、130nm的IC设备都已经进入生产线,100nm的设备也已经开始提供。
曝光是芯片制造中最关键的制造工艺,由于光学曝光技术的不端创新,一再突破人们预期的极限,使之成为当前曝光的主流技术。
1997年美国G C A公司推出了第一台分布重复投影曝光机,被视为曝光技术的一大里程碑,1991年美国S VG公司推出了步进扫描曝光机,它集分布投影曝光机的高分辨率和扫描投影机的大视场、高效率于一身,更适合(<0125μm)线条的大规模生产曝光。
为了提高分辨率,光刻机的曝光波长不断缩小,从436、365nm、近紫外(NUV)到246、193nm的深紫外(DUV)。
246nm的K rF准分子激光,首先应用于0125μm的曝光,后来Nikon公司又推出了NSR2S204B,用K rF,使用变形照明(M BI)可做到0115μm的曝光。
AS M L公司也推出PAS15500/750E,使用该公司的AERI LA L II照明,可解决0113μm曝光。
但1999ITRS建议,0113μm曝光方案是用193nm或248nm加分辨率提高技术(RET);0110μm曝光方案是用157、193nm加RET、接近式X光曝光(PX L)或离子束投影曝光(IP L)。
所谓的RET技术是指采用移相掩模(PS M)、光学临近修正(OPC)等措施,进一步提高分辨率。
值得指出的是,现代曝光技术不仅要求高的分辨率,而且要有工艺宽容性和经济性,如在RET中采用交替移相掩模(alt PS M)时,就要考虑到它的复杂、价格昂贵、检查、修正等不利因素。
目前业内人士担心后光学技术可能难以达到2008年的70nm和2011年的50nm工艺技术要求,正大力研发下一代(NG L)非光学曝光,并把157nm F2准分子激光曝光作为填补后光学曝光和下一代NG L间的空隙[5]。
2 光刻技术及设备的发展趋势[3-10]211 分辨率和焦深(DOF)由于散射的原因,光刻出来的图形并不像掩模版上的图形那样线条尖锐,清晰陡直。
使用光学系统来提高光线的聚焦程度,减少光的散射,可以提高光刻工艺的分辨率。
根据影响分辨率的几个因素分析可知:通过增加光学透镜的尺寸能够提高光刻技术的分辨率,但是光学系统尺寸的增大也就意味着成本的极大提高。
另外,降低曝光光源的波长也可以大大提高光刻技术的分辨率,这也是目前光刻技术所用光源波长越来越小的主要原因。
然而,波长的降低也有一定限制,当波长降低到一定数值时,将会超出紫外光的范畴达到X射线的波长范围。
X射线相对于传统光学理论来说还有相当大的区域需要进行研究和开发。
另外一个重要的光学系统参数就是焦深。
在光刻机对准系统中,焦深越大,越容易进行对准操作。
但是,焦深和分辨率是互相冲突的,为了提高分辨率,往往需要短波长和大数值的孔径,但同时降低了焦深,给操作带来了极大的不便。
浸没式光刻是近年来提出的延伸193nm光刻的关键技术[11]。
采用浸没液体的方式增加焦深,可以使光刻机向更小的节点延伸。
在高级光刻工艺中,分辨率要求非常高,导致焦深变得非常小,要求曝光光源的焦点正好落在光刻胶层厚度的中心才能得到最佳的分辨率。
光刻胶层的厚度偏差要小于0125μm,只有C MP工艺可以获得满足0113μm光刻工艺要求晶圆表面平整度。
212 i线曝光和DU V(deep U V)由于短波长能够获得较高的分辨率,稳定、高强度的短波长光源得到了开发并已经应用到光刻技术的曝光系统中。
高压汞灯和准分子激光光源目前在步进光刻机中得到了广泛的应用。
汞灯有多种波长的辐射,其中i线(365nm)普遍应用于步进曝光机从而实现IC加工制造中0135μm的特征尺寸。
准分子激光光源的特征波长为248nm,可像DUV光源一样实现0125μm特征尺寸的加工。
使用ArF准分子激光光源198nm波长的步进曝光机,目前已经应用到0118和0110μm的工艺中。
使用157nm DUV光源(F2)从而实现低于姚达 等:半导体光刻技术及设备的发展趋势0110μm特征尺寸加工的光刻机,目前正在研发并有希望在下一代光刻技术出现前而得到广泛应用。
光刻胶分为正性和负性,针对不同波长敏感的曝光光源进行加工生产。
绝缘防反射涂层的涂覆与曝光光源也是相关的。
针对不同的曝光光源和不同的光刻胶,需要开发不同的涂覆工艺。
目前,利用玻璃光学系统的光刻技术已经接近了它的极限。
因为SiO对紫外光(UV)和更短波长光的吸收非常大。
所以,使用玻璃光学系统的透镜和掩模不可能应用于制造低于0110μm甚至更小的特征尺寸,研究开发新的光学材料和光源来提高目前光刻技术的分辨率是非常必要的。
目前最可能实现应用的新技术就是PS M技术和离轴照明技术。
这两种技术可以提高目前光刻技术的水平,分辨率可以满足低于011μm甚至0104μm的工艺要求。
213 PSM技术实现单个独立的小尺寸图形的转移并不是很困难的事,困难的是很多小尺寸图形聚集在一起时的图形转移,因为在这种情况下光源的散射或者干涉将会造成图形的畸变。
解决这一难题的办法就是采用PS M技术。
绝大多数在半导体工艺中使用的PS M版都是使用石英玻璃加工制造的。
试验证明,通过使用PS M技术,最小的特征尺寸可以达到曝光波长的1/5,这种技术也被称为亚波长光刻技术。
214 极紫外光刻技术(E U V lithography)下一代可能实现的亚011μm图形转移光刻技术就是极紫外光刻技术,这种曝光光源的波长在11～14nm。
波长在1～50nm的光波覆盖紫外线和X射线区域。
所以使用这一波长范围的曝光技术也被称为极紫外曝光或者软X射线曝光或称为真空紫外曝光。
极紫外曝光的原理主要是利用曝光光源的波长从而降低光学系统的数值孔径,进而提高光刻技术的分辨率。
但就目前所知的材料而言,没有合适的材料能够作为极紫外曝光光学系统的透镜,因为目前的材料对短波长光源的吸收效应都非常强,极紫外光刻技术也必须基于光学系统才能实现。