光刻技术新进

编者按:半导体技术经过半个多世纪的发展,现在仍继续遵循Moore定律保持着强劲的发展态势,片径已达300mm,并不断在向450mm迈进,据预测,在新技术推动下到2010年后直径将达到450mm。大尺寸、细线宽、高精度、高效率、低成本成为IC产品发展的趋势,随着集成度的提高,芯片制造中最关键的制造工艺——光刻技术也面临着愈来愈多的难题。

关键词:芯片制造;光刻;曝光
据统计,半导体市场在过去的30年中以平均每年约15%的速度增长,对现代经济、国防和社会产生了巨大影响,集成电路之所以能飞速发展,光刻技术的支持起到了极为关键的作用,因为它直接决定了单个器件的物理尺寸,每个新一代集成电路的出现,总是以光刻所获得的线宽为主要技术标志的。
1997年美国GCA公司推出了第一台分步重复投影曝光机,被视为曝光技术的一大里程碑,由于光学曝光技术的不断创新,它一再突破人们预期的光学曝光极限,使之成为当前曝光的主流技术。基于难以胜任70nm、 50nm的担心,一些企业和研究机构正大力研发下一代曝光工艺,使得曝光工艺不断向新的技术领域发展。
一、纳米浸入式光刻技术工业化在即
日前有报道指出,比利时微电子研究中心(IMEC)正在加速45纳米以下微电子技术的开发,已与世界10大设备供应商签定协议,协议的签署使得IMEC能在最先进的设备条件下进行研究与开发。
根据IMEC所确定的发展战略,2003-2005年研发45纳米CMOS技术,2005-2007年研发32纳米微电子技术。193纳米浸入式光刻技术是实现45纳米以下COMS的关键技术。在193纳米浸入式光刻

技术方面,IMEC与世界上30个芯片制造商、工具供应商和软件供应商等组成了合作联盟。该联盟中IMEC的合作伙伴ASML公司的TWINSCANtm XT∶1250i是目前世界上浸入工具(0.85)含量最高装置。IMEC将使用该工具进行曝光,印刷新密度为7O纳米,聚焦深度为0.7μM。双方希望通过合作加速光刻技术从干法向湿法的过渡,以早日实现193纳米浸入式光刻技术的工业化应用。 在半导体工业中使用浸入式光刻技术已引起广泛注意,人们预测193纳米浸入式光刻技术将取代157纳米光刻技术成为45纳米以下半导体生产的新一代光刻技术。早在2003年5月,Intel宣布放弃157纳米光刻机的开发,而将采用氟化氩激光器的 193纳米光刻机的功能扩展至45纳米节点。这也正是浸入式光刻技术取得较好发展的结果,数值孔径为0.93的193纳米的镜头已经可以实现。紧随Intel之后,欧洲的ASML、日本的Nikon和Canon浸入式光刻机计划纷纷出笼。尼康公司不久前宣称浸入式光刻技术开发已进入尾声,去年年底已把用于 65纳米节点的试用机给客户,量产机也将于今年年底推出。
但浸入式光刻仍面临巨大挑战。在大于50纳米节点时,浸入式光刻的困难在于浸入过程中的除气和过滤,以及浸入环境所导致的缺陷的控制。在45 纳米和更低的节点时,浸入式光刻需要研发高折射率的抗蚀剂、高折射率的液体和高折射率的光学材料,这样才能把浸入式光刻发展到极限。另外,控制临界尺寸仍然是个棘手的问题,对于现已确定的要求还没有可行的方案。
“45纳米必须使用浸入式光刻。”上海尼康精机有限公司董事长兼总经理加藤浩表示:“45纳米技术已经完成了在功能上的研究,量产上的研究还在进行中。”45纳米产品何时面世?尼康似乎也不能给出一个明确的时间点。“随着新技术的引进, 193纳米波长氟化氩和浸入式光刻的市场需求量会不断增大,但是不会大幅度的增长。”加藤浩指出, “一方面,这类机型造价昂贵;另一方面营运成本很高,从制造商的意愿来讲,不会大规模推广。” 基于以上的考虑,2005年尼康虽然在技术上首推浸入式光刻,而在销售上重点仍集中在I线机和Krf 机。据估计2004年尼康有共计265台光刻设备售出,其中包括55台的二手设备。按机种的市场份额(数量)估计:i线光刻设备为50%,Krf为35%,Arf为15%。
除此之外,我们知道浸入式光刻是指在曝光镜头和硅片之间充满水而不是空气。对于193纳米光刻来说,水是最佳液体。但浸入式光刻技术仍有很多不确定性,如对置于水中的硅片和光刻性能带来的影响,磨料中水吸附如何进行CD控制、模样外形控制等。
二、极紫外光刻 前景乐观
根据目前技术的发展状况来看,光学光刻应用于0.13微米是完全没有什么大问题,不过,到了未来当光学光刻技术应用到0.1微米左右的时候就很有可能到达一个技术极限。
极紫外光刻(Extreme Ultraviolet Lithography),英文解释为极端远紫外光刻,被业界认为是下一代芯片工艺的核心技术。早在80年代就已经开始理论性的研究和进入初步实验的阶段,到了芯片工艺制作高速发展的时期,业界在微缩过程中面临的各种困境进一步加快了光刻技术的研发进度。1997年由 Intel、AMD、Micron、Motorola、SVGL、USAL、ASML组成极紫外有限公司(EUVLLC)和在加州的三个国家实验室参加,共同研发波长为13nm的极紫外(EUV)光刻机样机,2001年4月在加州Livermore的Sandia国家实验室推出的样机被视为光刻的一个重要里程碑。
极紫外光刻技术是以波长为10~14纳米的极紫外光作为光源。虽然该技术最初被称为软X射线光刻,但本质上与光学光刻十分相似,只是在材料的强烈吸收中存在差异,极紫外光刻技术的光学系统必须采用反射形式。极紫外线光刻系统主要由四部分构成,包括有极端紫外光源、反射投影系统、光刻模板(mask)以及能够用于极端紫外的光刻涂层 (photo-resist)。但是,由于不能跟目前的光学光刻机械兼容,所以无论是哪个部分,传统的光刻工艺都需要重新设计。在已经设计出来的光刻样品机中,光刻机的光源是几个研究单位联合研制的,由于极紫外线光源非常难设计,所发出的13纳米的波长太短,它几乎会被绝大多数的材料吸收,包括空气、传统的光刻透射投影设备等,使得研制捕获这种光的装置十分困难。反射镜光学表面为非球面,表面形貌及粗糙度小于一个原子;所有光学元件表面涂有达40层的多层反射层,每层厚约λ/4,控制在0.1埃精度;EUV光刻采取新的环境控制,来抑制沾污;短波长,无缺陷掩模制作难度极大;样机采用nm级精度无摩擦的磁悬浮工作台。据EUVLLC项目经理Chuck Gwyn介绍,样机是第一步,下一步要研制生产机型为今后几年的生产做准备。现在更多用户表示要采用,并希望参与其中。
光刻技术的市场前景乐观。英特尔公司估计,极紫外光刻技术将使一个芯片能够包含4亿个晶体管,它比目前的P4 CPU的4200万个晶体管要多出10倍。利用这种技术,半导体厂商可以在芯片上蚀刻的线路等级将低于目前的0.1微米,甚至可以达到0.03微米的水平,从而大大改进芯片的制作工艺。但是随着芯片制造工艺迎来的后光学时代,极紫外光刻技术的成熟运用将会使光刻技术脱胎换骨,使我们的芯片工艺能够生产出比今天的芯片快100倍以上的新芯片。
半导体产业仍遵循Moore定律即芯片集成度18个月翻一番,每三年器件尺寸缩小0.7倍的速度发展现在片径已达300mm,DRAM半节距已达 150nm,MPU栅长达100nm。为适应技术要求,半导体光刻技术仍将不断地探索和研发,新的技术成果必将会不断出现。

本文摘自《半导体技术》