光刻技術最新進展

2004年6月A版

　　在摩爾定律的指引下，半導體工業(yè)每兩至三年就跨上一個新的臺階，即所謂的半導體技術發(fā)展路線圖(ITRS)。預計2004年進入90nm節(jié)點器件的批量生產，到2007年為65nm。然而這一切變化的關鍵是光刻技術，所以人們統(tǒng)稱光刻技術是半導體工業(yè)的“領頭羊”。2003年ITRS修訂的最新版本如表1所示。

　　隨著集成電路產品技術需求的提升，光刻技術也不斷地提高分辨率，以制作更微細的器件尺寸。全球光刻技術的進程如圖1所示。

　　傳統(tǒng)上提高光刻技術的分辨率無非是縮短曝光波長及增大鏡頭的數值孔徑NA，通常縮短波長是最有效的方法之一，各種不同波長的光源如表2所示。

　　實際上，全球光刻機目前主流產品是KrF(248nm)及i線(365nm)。2003年的銷售量總計為350臺，其中i線占35%，KrF占45%，ArF約占20%。銷售總額為30億美元。照原先的路線圖計劃，人們計劃將157nm光源作為65nm器件的突破口。即所謂光學方法的極限，再往下走只能采用EUV及EPL等。但是2003年對于全球半導體工業(yè)是個值得回憶的年份，5月份Intel公司突然宣布放棄157nm技術，將繼續(xù)使用193nm浸入式光刻技術進行65nm及45nm的制程，并計劃采用極短紫外光(EUV)來制作32nm的制程，Intel的此舉尤如重量級炸彈一樣，因為實則上將157nm技術跳了過去。眾所周知，Intel是全球光刻設備最大的買主，Intel的任何動作，將在全球半導體業(yè)界引起極大的反響。

　　光刻技術的發(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)表的光刻工藝技術路線圖。最后大家比較一致的意見，在65nm以下，所謂下一代光刻技術將可能采用193nm浸入式技術、157nm、極短紫外光(EUV)或者是電子束投影光刻(EPL)等。本文將介紹目前認為極具有潛力的各種光刻技術。

193nm 浸入式光刻技術

　　此前業(yè)界并沒有認為浸入式技術有如此大的功效。直至2002年底浸入式技術的可行性報告送至國際機構Sematech的桌上以后半年，半導體業(yè)界才蘇醒過來，浸入式技術迅速成為光刻技術中的新寵。因為此種技術的原理清晰及配合現有的光刻技術變動不大，獲得了人們的極大贊賞。

　　在傳統(tǒng)的光刻技術中，其鏡頭與光刻膠之間的介質是空氣，而所謂浸入式技術是將空氣介質換成液體。實際上，浸入式技術利用光通過液體介質后光源波長縮短來提高分辨率，其縮短的倍率即為液體介質的折射率。例如，在193nm光刻機中，在光源與硅片(光刻膠)之間加入水作為介質，而水的折射率約為1.4，則波長可縮短為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，那實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能很快普及的原因。

　　浸入式技術目前采用的是兩次去離子的蒸餾水，碰到主要的問題如下：

　　在浸入式光刻機系統(tǒng)中，由于多種原因都可能產生氣泡，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。曾經作了氣泡從形成到破裂的壽命試驗，實驗發(fā)現(包括理論的估計)微細氣泡的壽命正比于它的直徑，許多微細氣泡在破裂之前實際己經分解。

　　歸納起來，尤其是193nm的浸入式技術，目前的進展比較順利，全球半導體業(yè)界都有充足的信心至少可以實現65nm，甚至45nm節(jié)點器件的制程。而且到目前為止，還沒發(fā)現太大的障礙。

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

157nm光刻技術

　　157nm光刻，傳統(tǒng)上被稱為光學方法的極限，其光源采用氟氣準分子激光，發(fā)出波長157nm附近的真空紫外光。總的來說，目前氟氣準分子激光器功率己可達20W，157nm光刻尚處在研發(fā)之中。

　　目前157nm光刻的主要困難如下：

　　當波長短到157nm時，大多數的光學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構在雙折射等技術問題方面尚無法解決，加之產量需求少，而投入非常大。造成成本昂貴。

　　有機材料的軟Pellicle不可能承受157nm的輻射(因輻射吸收熱量太大)，而無機材料的硬Pellicl必須用熔融的石英材料經特殊的加工制成，加工成非常薄的材料非常困難，800μm的厚度就可能因為重力而下垂。

　　盡管Intel宣布決定放棄157nm光刻，但是業(yè)界在157nm光刻技術的進程并沒有因此停頓，至少在32nm光刻技術的選擇方法中是一個重要的籌碼，因為157nm也能附加浸入式技術而提高分辨率。

EUV(極短紫外光)光刻

　　光刻技術的進步，在157nm之后人們稱之為下一代光刻技術(NGL)。其中EUV是較有前途的方法之一。EUV技術最明顯的特點是曝光波長一下子降到13.5nm，在如此短波長的光源下，幾乎所有物質都有很強的吸收性，所以不能使用傳統(tǒng)的穿透式光學系統(tǒng)，而要改用反射式的光學系統(tǒng)，但是反射式光學系統(tǒng)難以設計成大的NA，造成分辨率無法提高。

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

EUV技術的主要挑戰(zhàn)如下：

　　美國Cymer公司從1997年起就開始EUV光源的研制，目前的技術路線有三種：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生等離子體(LPP)技術。為實現芯片批量生產需要高功率的激光器，同時又是降低EUV光刻機的關鍵。目前EUV光源的功率己可達10W，試驗樣機的要求是30W，而真正滿足批量生產要求是100W。

　　在EUV光刻技術中，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平滑，誤差只容許一個原子大小，所以如何制作多層涂布低缺陷的掩模仍是個大挑戰(zhàn)。目前認為在掩模上的顆粒尺寸在50nm時就無法接受，所以通常要采用掩模修正技術，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存、運輸及操作也非常困難。

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

　　 隨著光學波長的限制及曝光設備的復雜化，導致非光學方法的光刻技術的發(fā)展，其中電子束投影光刻是相對成功的方向之一。

　　EPL技術是利用電子槍所產生的電子束，通過磁場聚焦、掃描、經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機臺需要極高的真空度，以防止塵埃在光學元件上堆積而造成曝光結構的改變，嚴重時有可能導致電子束的閃電。除此之外，反向散射效應及空間電荷積累造成電子束的庫侖互斥力亦是致命的因素。

目前影響EPL進程的主要難點如下：

　　由于計算的數據量太大，目前能達每小時10片己經相當不易，目標是每小時25片。隨著計算機速度的提高及設計方法的改進，還是大有希望。

　　LEEPL最大的優(yōu)點在于電子束能量僅只有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技術還有空間電荷累積少及無光學近接效應等優(yōu)點。但是LEEPL需使用1:1的掩模，所以掩模的制作成本相對較高，污染控制及Pellicle的使用將是又一個挑戰(zhàn)。

　　由于EPL的分辨率高，而且焦點深度(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中，EPL的優(yōu)點逐漸顯露。

　　隨著無掩模技術及多束電子束技術的進展，使電子束光刻技術在提高硅片產出方面也有了很大的進步，電子束光刻技術己受到人們極大地關注。

　　電子束光刻技術將以EPL及LEEPL等為火車頭，估計從2005年開始將直線上升。尤其是在小批量的SOC器件生產中，電子束光刻技術的應用會迅速增長。

結語

　　光刻技術是半導體工業(yè)的”領頭羊”。據Sematech的最新報告指出，全球光學光刻設備產業(yè)在研發(fā)157nm光刻技術中，己投入50億美元，而在下一代光刻EUV設備的研發(fā)中，也己超過74億美元，足見其高投入及高風險。因此，即便是Intel也是采用聯合研發(fā)方式，以分散風險。實則上光刻技術的進展也是一個系統(tǒng)工程，需要半導體上、中、下游，產學研機構等相互合作，包括掩模材料、光刻膠及光刻設備等。

　　從光刻技術看，浸入式技術的出現給光刻技術好似打了一劑強心針。至少目前193nm加上浸入式技術可以做到45nm，甚至32nm節(jié)點。因此157nm技術己經被推遲到2009年用在32nm節(jié)點的器件生產中。

　　電子束光刻技術的進展比預期稍快一點，普遍的看法在SOC系統(tǒng)芯片等小批量生產中會有所崛起。

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