新世纪的半导体光刻技术集锦

从第一个晶体管问世算起,半导体技术的发展已有多半个世纪了,现在它仍保持着强劲的发展态势,继续遵循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。大尺寸、细线宽、高精度、高效率、低成本的IC生产,对半导体设备带来前所未有的挑战。为此,世界上各半导体设备厂商,集中优势力量,加大研发投资,进行攻关,抢占制高点,同时又加强联合、兼并,做到优势互补,力争不失时机地为新一代技术提供大生产设备。本文就当前最为关键的半导体设备做一介绍。

硅片直径300mm 要适合多代技术的需求

  经济利益的驱动是硅片直径由200mm向300mm转移的主要因素,300mm的出片率是200mm的2.5倍,单位生产成本降低30%左右。300mm工厂投资为15到30亿美元,其中约75%用于设备投资,因此用户要求设备能向下延伸3至4代。300mm片径是从180nm技术节点切入的,这就要求设备在150 nm、130nm,甚至100nm仍可使用。

300mm要适合多代技术的需求,它面临IC生产中的新工艺、新材料和新结构的挑战。对逻辑IC来说,它涉及铜布线、低介电常数(k<3)和超低介电常数(k<2.6)介质,低电阻率接触材料,低电阻率栅材料,薄栅和高k介质,浅源/漏延伸区和抬高源/漏结构。对DRAM来说,它涉及储存电容的新材料,如五氧化二钽(Ta2o5)、钡锶钛(BST)和铂锆钛(PZT)等,新的电极材料如铂、氮化钛等,垂直叠层和高深/宽比沟槽电容,高深/宽比(>10:1)接触等。此外,还有大面积刻蚀中的CD控制和选择性,反应室中的微粒控制和金属沾污,CMP的质量与成本,193nm曝光的精度、均匀性和效率,高精度、高效率的检测等。

  为了推进300mm的大生产,设备厂商在五年前就着手解决这方面问题,如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(SELETE)集团使用,ASML公司的300mm步进扫描曝光机使用193nm波长,型号为FPA-5000,也于1999年提供给SELETE使用。现在Canon的第三代300mm曝光机的混合匹配曝光能力已达到<110nm。在刻蚀方面如英国Trikon公司采用的螺旋波等离子体(MORI)源,在电磁场作用下控制等离子体和改善均匀性,它能在300mm片内对氧化物介质均匀地刻25nm通孔,深/宽比达30:1。目前300mm片径生产180nm、150nm、130nm的IC设备都已进入生产线,100nm的也开始提供。

  300mm生产有约500道工序,以年产12.5万片计算,片子约有500万次交接,任何一次失效,将对工厂流水生产带来极大影响。300mm片盒放25片重8公斤,价格15000美元,为减轻劳动、安全、无磨损、无沾污的传送,现在普遍采用正面打开的统一标准箱(FOUP),FOUP的传送采取计算机控制下的悬挂式空中传送(UMHS),它既节省了超净间面积,还可用于临时存放片子,具有可操作性和可变换性的特点。

  西门子公司和Motorola公司于1998年率先在德国德勒斯登建立300mm引导线,使用180nm技术生产存储器,月产1500片。根据美国"固态杂志"今年5月统计,已建成300mm的厂有四家;于今年开始建厂的有四家;2001年后开始建厂的有九家;另外已宣布建厂的有十一家。国际半导体技术发展路线(ITRS)曾设定:从1998年下半年开始,片径将增加到300mm;到2001年或2002年300mm片径的生产量将达到最大值。现在的发展正逼近这个目标。

  300mm之后将是450mm,目前已处于研究阶段,2003年前后进入开发阶段,2009年进入生产阶段;片径675mm的研究预计在2006年开始研究。

光学曝光 当前曝光的主流技术

  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。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,1991年美国SVG公司又推出了步进扫描曝光机,它集分步投影曝光机的高分辨率和扫描投影曝光机的大视场、高效率于一身,更适合<0.25μm线条的大生产曝光。

  为了提高分辨率,光学曝光机的波长不断缩小,从436mm、365mm的近紫外(NUV)进入到246 mm、193mm的深紫外(DUV)。246nm的KrF准分子激光,首先用于0.25μm的曝光,后来Nikon公司推出NSR-S204B,用KrF,使用变形照明(MBI)可做到0.15μm的曝光。ASML公司也推出PAS.5500/750E,用KrF,使用该公司的AERILALⅡ照明,可解决0.13μm曝光。但1999 ITRS建议,0.13μm曝光方案是用193nm或248nm+分辨率提高技术(RET);0.10μm曝光方案是用157nm、193nm+ RET、接近式X光曝光(PXL)或离子束投影曝光(IPL)。所谓RET是指采用移相掩模(PSM)、光学邻近效应修正(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,而且要有工艺宽容度和经济性,如在RET中采用交替型移相掩模(alt PSM)时,就要考虑到它的复杂、价格昂贵、制造困难、检查、修正不易等因素。

  人们出于对后光学技术可能难以胜任2008年的70nm,2011年的50nm担心,正大力研发下一代(NGL)非光学曝光,并把157nmF2准分子激光曝光作为填补后光学曝光和下一代非光学曝光间的间隙。

F(2)准分子激光曝光 改善了折反射光学系统的性能

  波长为157nm的F2准分子激光器的特点是带宽很窄,Cymer公司的产品,其带宽为0.6~0.7 pm,窄带宽改善了折反射光学系统的性能。折反射光学系统的关键是分束器立方体,它使用CaF2材料,能有效地减少束程和系统的体积,大尺寸易碎的CaF2一直是157nm曝光的制约因素,现在SVGL已展出了12~15英寸的CaF2单晶锭,这为制造大数值孔径的折反射分束器设计扫清了道路。同时对单层抗蚀剂和在辐照下透明、持久、可靠的掩模保护膜进行了研究,去年春SEMATECH在加州召开的157nm曝光研讨会上,宣布这方面已取得了重大进展,现在美国的SVGL、ltratech和英国的Exilech公司都在研制整机,SVGL公司准备今年底出样机,明年底出生产型设备。首台售价约1300万美元。

  比利时的微电子研究中心(IMEC)与ASML公司合作建立了157nm基地,这个基地于今年开始工作,计划在2003年生产,它要求各种相关工艺配套,为70nm CMOS流片创造条件。此外,日本SELETE也在加紧工作。SEMATECH则购买Exitech公司的曝光机开展针对掩模光胶、胶的处理工艺、匀胶显影轨道系统、胶的刻蚀性能和相关测量技术等方面的研究。

极紫外曝光 欧洲和日本诸公司正在研究

  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,今年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。据国际半导体杂志Aaron Hand介绍,光源是几个研究单位联合研制的;13nm的波长太短,几乎所有材料都能吸收它,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。在欧洲,蔡司、ASML和牛津公司在共同研究;在日本,Nikon、Canon和MC在共同研究。

限角散射电子束投影曝光 被众多厂家看好

  限角散射电子束投影曝光(SCALPEL)是高亮度电子源,经磁透镜聚焦产生电子束对掩模进行均匀照明,掩模是在低原子序数材料膜上覆盖高原子序数材料层组成,图形制作在高原子序数材料上。掩模是4倍放大,用格栅支撑。低原子序数的膜,电子散射弱,散射角度小,高原子序数的图形层,电子散射强,散射角度大,在投影光学装置的背焦面上有光阑,小散射角度电子通过光阑,在片子上形成缩小4倍的图像,再经过工作台步进实现大面积曝光。

  SCALPEL的优点是:分辨率高、焦深长、不需要邻近效应校正,生产率高,它没有EUV系统中昂贵的光学系统,也不需要X光的高成本光源,而且掩模成本比其它方法要低,故被众多厂家看好,Lucent、Motorola、Samsung、TI、eLith、ASAT、ASML等公司都参与其==同开发,并计划在2002年推出<100nm大生产设备。但目前来看计划有所延迟,有些参与者转而看好PREVAIL。

变轴浸没透镜缩小投影曝光 准备在2002年前后推出生产型设备

  由IBM的Hans Pfeiffer领导的电子束研究已有30年历史,开发了变轴浸没透镜缩小投影曝光(PREVAIL)技术,Nikon公司看好这项技术,与IBM合作,准备用这项技术研制高分辨率与高生产率统一的电子束步进机。在PREVAIL样机上,电子轰击钽单晶形成电子束,在中间掩模上形成1mm2子场,经电子透镜产生4∶1缩小图像;在片子上形成250μm2图形,电子束经曲线可变轴电子透镜(CVAL)在掩模平面上可偏移±10mm,在片子上则为±2.5mm,而掩模和片子同时连续移动,形成整个电路图形的曝光。在PREVAIL样机上用75KV加速电压,用700nm厚的光胶,做80nm间隔线条,束偏移±2.5mm,曝光结果证实:偏移束和不偏移束形成的图像很少有差异,进一步证明了这种原理的可行性。Nikon的Kazuya Okamoto指出:现在光胶和掩模已不是主要问题,当前在致力于大的发射源、均匀的掩模照明和具有大子场、大偏移、对掩模热负荷小的低畸变透镜,这种电子束步进机将用于100nm曝光,并可延伸到50nm,产量>20片/时(300mm片),准备在2002年或2003年推出生产型设备。

电子束直写 在SOC的开发中,更具灵活性

  电子束(EB)具有波长短、分辨率高、焦深长、易于控制和修改灵活的特点,广泛应用于光学和非光学曝光的掩模制造。电子束直写能在圆片上直接做图,但其生产率很低,限制了使用,在下一代曝光(NGL)中,能否使EB的高分辨与高效率寻得统一,是EB开发商追求的目标。

  美国硅谷的离子诊断(Ion Diagnostic)公司开发了微型电子束矩阵,可同时平行直写,称电子束曝光系统(MELS),它设计了201个电子光学柱,每柱32电子束,用于300mm片子的曝光。电子束的产生采用微细加工方法制造的场致发射冷阴极,每束供15nA,每柱供480nA。用三腔集成制造系统,生产率可达90片/时,MELS的目标是70nm高效曝光,并争取延伸到35nm。

  21世纪集成电路(IC)向系统集成(IS)方向发展,在系统集成芯片(SOC)的开发中,电子束直写(EBDW)比其它方法更具灵活性,它可直接接受图形数据成像,毋需复杂的掩模制作,因此前景十分诱人。日本东芝、Canon和Nikon已联手进行研究高效的EBDW,美国IBM曾在这方面做过探索,也准备加入其中。

X光曝光 作为下一代曝光技术前景诱人

  X光曝光(XRL)具有波长短、焦深长、生产率高、宽容度大、曝光视场大、无邻近效应、对环境不敏感等特点,作为下一代曝光技术具有诱人的前景,近年来人们一直致力于X光光源和掩模的研究,使之成为有竞争力的下一代曝光设备。

  日本1996年成立了超先进电子技术联盟(ASET)对X光曝光进行研究。日本NTT公司研制了用于制造X光掩模的EBX3电子束曝光机。日本NEC则已做出100nm线宽的用于4GDRAM的X光掩模。在主机方面,Canon公司开发了第二代X光步进机XRA-1000,产量达60片/时,供ASET使用。在同步辐射源(SOR)方面,住友重工积累了多年经验开发了Aurora-2s同步辐射装置。在工艺研究方面,富士通、ASET和NTT公司用接近式X光曝光(PXL)做出了80nm器件。去年,日本Kitayama提出对PXL进行延伸,不用0.8nm而用0.4nm波长,则线宽可到25或35nm,当用0.4nm波长时,掩模吸收层必须200nm厚,而掩模膜必须用金刚石,其厚度为0.8nm时的2至3倍。

  在美国,XRL在麻省理工大学、威斯康星大学和路易斯安那州大学进行研发,佛蒙达州的SAL公司制造PXL设备。X光点光源由美国科学实验室(SRL)、JMAR和ALFT三家研发,SRL有千瓦级的密集等离子体X射线源(DPFX),SAL公司用DPEX源制造了XRS-2000曝光机,用于洛克希德-马丁公司的Sanders生产线上,生产0.15μmGaAs的MMIC芯片,其掩模则由佛蒙达州的光掩模中心(MCDC)制作。

  麻省理学院的Henry I.Smith认为:近年来美国对PXL有所忽视,而日本在ASET组织下继续发展,取得了很大成果,假如日本用PXL制作100-25nm器件取得成功,那么,日本芯片制造商将在几年内无对手,而器件制造方法也将随之改变。

离子投影曝光 力争尽快推出商业化设备

离子投影曝光(IPL)就是由气体(氢或氦)离子源发出的离子通过多极静电离子透镜投照于掩模并将图像缩小后聚焦于涂有抗蚀剂的片子上,进行曝光和步进重复操作。IPL具有分辨率高而焦深长,数值孔径小而视场大,衍射效应小,损伤小,产量高,而且对抗蚀剂厚度变化不敏感,工艺成本低等特点。

  德国FhG ISiT公司在IPL上用深紫外光胶,做出50nm的间隔线条,证实了这项技术用于曝光的可行性。欧洲应用微电子开发项目(MEDEA)从1997年开始,投资3600万美元开发IPL,参加的单位有ASML、Leica、IMS公司等。目标是对300mm片子曝光,分辨率<100nm,生产率为75片/时。

  IPL是缩小曝光,需要4倍的硅膜镂孔掩模,它面临应力和入射离子造成的发热。小的掩模变形,导致大的曝光尺寸误差,为此采取了对膜进行掺杂,对膜增加保护层,设计了冷却系统,并通过有限元分析改进了掩模框架的设置,避免气流对掩模造成振动。从加州召开的研讨会上看IPL已经克服了众多技术难题,现在正在对离子光学柱、图像锁定系统进行攻关,力争尽快推出商业化设备。参加IPL研制的Ehrmann认为:虽然SEMATECH看好EUV和EPL,但这并不意味IPL失去最后成功的机会。
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最新回复

  • ly542215 (2010-1-14 21:37:53)

    真的很感谢
  • linjunespn (2010-11-24 11:55:34)

    谢谢分享  多多学习