光學(xué)微影的新限制

1、光學(xué)微影的新限制Chris A. MackKLA-Tencor在積體電路(IC)生產(chǎn)的發(fā)展初期，光學(xué)微影一直是半導(dǎo)體圖案製程的主流技術(shù)。電晶體將持續(xù)朝向更小、更快、更低廉及更省電的方向邁進。以往晶圓的元件尺寸每隔2至3年就會縮小30%，現(xiàn)今已有元件尺寸小於100nm的晶片開始量產(chǎn)。由於製造商永遠受限於以最低成本製造最小元件特徵的要求，因此光學(xué)微影的解析度限制決定了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)能力。本文將闡述這些限制以及現(xiàn)今的趨勢，目標(biāo)為協(xié)助業(yè)界延伸與提升微影製程技。改進微影品質(zhì)在微影品質(zhì)能有系統(tǒng)地改進之前，必須先定義出可量化的標(biāo)準(zhǔn)並量測出實際的數(shù)據(jù)。微影品質(zhì)可分成四大類：光阻分佈控制、疊層、下游相容性以及

2、量產(chǎn)可行性。光阻分佈控制 是線寬(CD)控制標(biāo)準(zhǔn)的超集合。對於許多顯影步驟而言，以正確尺寸刻出特徵的能力會大幅影響元件的效能。它經(jīng)常被用來作為量測一個或多組特定元件特徵的CD差距方法，以及作為標(biāo)準(zhǔn)誤差值的衡量工具。在晶片、區(qū)域、晶圓或抽樣方面的空間偏差亦相當(dāng)重要，因為它代表CD對製程變異的敏感度。像是解析度、調(diào)焦範(fàn)圍、以及製程深度(process latitude)都是CD控制的因素。然而，分佈控制須了解印刷光阻圖案是立體而非平面，單一CD數(shù)據(jù)並不足以描繪其微影品質(zhì)。在光阻從底到頂?shù)?“z軸方向”，光阻的形狀通常以側(cè)壁角度與最終光阻高度來代表。在 “x-y方向” 圖案的複雜程度絕不僅只於一條線

3、或需要形狀特色參數(shù)來描繪的空間，例如：導(dǎo)角、線條尾端縮減、空間傳真度、邊緣粗糙度或關(guān)鍵形狀差異。層疊(Overlay) 是用以量測一個微影圖案置於晶圓時的精準(zhǔn)度，而在晶圓上先前已有定義過的圖案(參考圖1)。在刻印小圖案時，必須取得正確的特徵尺寸並準(zhǔn)確地將特徵置於晶圓，以便能與先前微影步驟定義的圖案相配合。由於層疊錯誤會受到光罩或晶圓所影響，因此量測步驟針對晶圓上的曝光區(qū)域以及不同區(qū)域分開進行。層疊錯誤也同樣會影響元件尺寸。晶片在設(shè)計時須在不同元件之間預(yù)留足夠的空間，藉此容許預(yù)期發(fā)生的層疊錯誤，避免造成元件的故障。但在，電晶體加入容許層疊錯誤的空間不僅讓元件無法縮小，且無法嵌入在小型的封裝中。下

4、游相容性 指的是微影結(jié)果對於後續(xù)製程步驟的合適性。在蝕刻與佈值步驟後須耗費大量心力來剝除光阻層。所謂下游相容性標(biāo)準(zhǔn)包括蝕刻光阻、熱溫的穩(wěn)定性、黏著性、化學(xué)相容性、可剝除性以及圖案崩塌。量產(chǎn)可行性, 成本與缺陷是微影製程與特徵這兩項主要元件的最重要標(biāo)準(zhǔn)。成本的控制有著一定的難度，因為它與微影品質(zhì)的其它標(biāo)準(zhǔn)如CD控制有關(guān)連。雖然購買超平坦的晶圓或升級至最新的步進平臺機能輕易改進CD以及層疊效能，但亦須承擔(dān)更高的成本。在一份標(biāo)準(zhǔn)的晶圓廠設(shè)計案中，微影可以說是發(fā)展的瓶頸，而且產(chǎn)量(例如：整體設(shè)備的生產(chǎn)力)是晶圓廠在全面量產(chǎn)或接近最高產(chǎn)能時影響微影成本的主要因素。對於大多數(shù)晶圓廠製程而言，缺陷則是影響良

5、率的主要因素，由於微影製程會在IC製程中重複應(yīng)用，因此改善微影製程中的缺陷將會使良率以倍增的方式提升。解析度微影品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的一項重要用途就是定義解析度。解析度是指在可接受的品質(zhì)範(fàn)圍內(nèi)刻印出最小特徵的尺寸。其中間距解析度與特徵解析度會受到微影的多種物理特性所限制(參考圖2)並對最後的元件效能有不同層面的影響。間距解析度是指能做出線寬/線距組的最小長度，同時也能決定一顆晶片內(nèi)可裝入多少電晶體。和疊覆控制一樣，間距解析度會大幅影響每項功能的成本與每顆晶片的功能。特徵尺寸解析度是晶圓上最小的壓印特徵，可決定每個電晶體的特性與效能並影響晶片的速度以及耗電率。間距解析度是由形塑影像的光源波長以及鏡片的數(shù)值孔

6、徑(參考圖3)所決定。這個典型的線寬解析度是由Rayleigh公式所計算出來：是微影影像工具的真空波長，NA 是數(shù)值孔徑， kpitch 則取決於影像製程的各項因素 1。kpitch 可壓低至0.5特徵解析度會受限於CD控制能力，當(dāng)特徵縮小時，CD控制的難度便會提高。特徵尺寸控制的成效會受限於到各種製程錯誤的程度，且這些都是製造環(huán)境中難以避免的錯誤(例如：對焦與曝光錯誤)。此外，製程中對這些錯誤所做出的反應(yīng)亦會影響控制的成效。為提升CD控制的效果，業(yè)者必須同時減少製程錯誤的來源並改進製程的異動範(fàn)圍(CD對某項錯誤的反應(yīng))。製程異動範(fàn)圍類似間距解析度且與光源波長及數(shù)值孔徑之間有相當(dāng)密切的關(guān)連。

7、通常最重要的製程差異範(fàn)圍是對焦與曝光對CD反應(yīng)的影響。藉由製程範(fàn)圍讓這些反應(yīng)2有明確的定義，調(diào)焦範(fàn)圍(DOF; 參考圖4)的定義是在一個特定的曝光範(fàn)圍3內(nèi)，讓特定特徵的光阻分佈維持在所有規(guī)範(fàn)的限制時所採納的對焦範(fàn)圍(線寬、側(cè)壁角度以及光阻損耗)。微影製程最難解決的一項問題就是小特徵通常有較小的DOF。事實上，特徵解析度可定義為在一個特定調(diào)焦範(fàn)圍4內(nèi)可刻印出的最小特徵。DOF受到生產(chǎn)過程中的各種製程錯誤所影響，而DOF本身可作為近似值，用以代表影響最後CD控制成效的製程異動範(fàn)圍。在100nm以下的微影世界中，CD控制與層疊控制正開始融合。步進機或掃瞄機的錯誤不僅歸因於CD錯誤，亦有可能是圖案置換

8、錯誤所造成，而這類錯誤的幅度在不同區(qū)域以及不同的圖案上則亦會有不同差異。甚至對焦與曝光錯誤也會影響整體結(jié)果，非最佳的相位移光罩會進一步影響圖案置放的結(jié)果。改進解析度業(yè)界經(jīng)常運用一些方法來改進解析度，其中包括下列方式： 降低曝光的光源波長 增加成像鏡頭的數(shù)值孔徑 從3光束改為2光束成像系統(tǒng)，藉此降低kpitch 增加對焦與曝光製程的window size 降低製程錯誤的幅度不幸的是，在這些因素中有許多會相互衝突。每項特徵都有最佳的數(shù)值孔徑藉以產(chǎn)生最大的製程範(fàn)圍，若進一步增加數(shù)值孔徑則會降低製程範(fàn)圍，僅能改善間距解析度但卻會導(dǎo)致特徵解析度下降。降低波長的難度極高，業(yè)界在開發(fā)材料方面面臨瓶頸，尚未找

9、到能提供適當(dāng)光學(xué)屬性且能達到更小波長的材料。雖然如此，降低製程錯誤的幅度仍是永不停歇的要求，唯一會下降的只有成本。在改進製程範(fàn)圍方面，改良光阻是最常見且最有效的方法。多年來，光阻技術(shù)已有大幅的改進，如今光阻的效能已達到極高的水準(zhǔn)，即使光學(xué)成像技術(shù)有小幅的改進也可以在最終的圖案中看到成果。透過光學(xué)技術(shù)來改進製程範(fàn)圍的方法統(tǒng)稱為解析度增強技術(shù)(RET) 5-7，其中包括： 透過光學(xué)近距修正(OPC; 圖5a)來改良光罩圖案形狀 調(diào)整出最佳的光罩照射角度或最佳的偏軸照射(OSI; 如圖5b所示) 將相位與強度資訊加入光罩，建構(gòu)相位移光罩(PSM，如圖5c所示) 控制光源的極向(此新技術(shù)仍在制定中)有

10、些RET雖能改進特徵解析度但仍須承擔(dān)間距解析度降低的代價，有些新方法則能同時改進間距解析度並提高製程window。然而，最具發(fā)展?jié)摿Φ腞ET(尤其是PSM)勢必將對晶片設(shè)計掀起一波革命，這些專為發(fā)揮RET優(yōu)點所設(shè)計的晶片可將kpitch 壓低至0.5。光學(xué)微影的限制假設(shè)摩爾定律持續(xù)適用，那麼光學(xué)顯影會面臨什麼樣的發(fā)展極限呢? 可從波長、數(shù)值孔徑、解析度增強技術(shù)以及製程控制等影響解析度主要因素看出端倪。波長：改變波長的成本相當(dāng)昂貴且會受到光阻成熟度所限制。轉(zhuǎn)移至193nm微影製程的速度比原先預(yù)期來得緩慢， 且可能永遠無法跨越157nm的關(guān)卡。因此，193nm可能會是發(fā)展的極限，而部份原因就在於浸

11、入式微影製程。數(shù)值孔徑：乾式(傳統(tǒng))掃瞄器的數(shù)值孔徑也許將很快便達到0.9。然而，浸入式微影將大幅改變此狀況。高折射指數(shù)(1.44)以及在193nm製程環(huán)境中純水的透明度能使透鏡的數(shù)值孔徑超過1。而將 “brick wall”8。更準(zhǔn)確地說，隨著特徵尺寸的縮小，浸入式微影製程將會減緩製程範(fàn)圍縮小的速度。解析度增強技術(shù)：雖然OAI是改進解析度的利器，但quadrupole四柱型光源 (以及許多衍生方案)最多僅能將kpitch 降至0.707 (半間距k1 = 0.35)。由於此種限制採取較小的quadrupole半徑，因此實際的限制為kpitch = 0.8 (半間距k1 = 0.4)。為突破這

12、個極限，必須改用環(huán)狀或cross-quadrupole交叉式四柱型的光源，這些光源能讓kpitch 達到0.6，但反之卻也讓製程範(fàn)圍大幅縮小(尤其是曝光深度)。業(yè)者通常運用衰減相位移光罩來提高曝光深度，但要將k1kpitch = 0.8(以及0.6)也必須針對光阻效能以及製程控制投入更多的心力。製程控制：調(diào)焦範(fàn)圍與間距之間成線性比例的關(guān)係(關(guān)係大約為DOF 1.5 最小間距)，因此每個世代的製程範(fàn)圍通常會縮小30%，然而浸入式微影則會減緩這個趨勢。愈小的製程範(fàn)圍需減少製程變異的來源。最近業(yè)界的焦點是改善最佳劑量的回饋控制以及掃瞄器的對焦，未來193nm的浸入式掃瞄器能在一次曝光就達到90nm的

13、間距效能。雙重曝光能進一步改進解析度，但其真正的發(fā)展極限仍有待探索。結(jié)論微影技術(shù)將面臨愈來愈嚴苛的挑戰(zhàn)，沒有革命性的發(fā)展能輕易解決微影技術(shù)所面臨的難題。降低波長(轉(zhuǎn)移至157nm的成本相當(dāng)昂貴)、增加數(shù)值孔徑(浸入式微影會讓數(shù)值孔徑增加至1以上)以及運用各種解析度增強技術(shù)才能突破因間距所衍生的發(fā)展限制。若要突破特徵尺寸解析度的限制，則必須運用所有間距解析度改良的技術(shù)，並利用各種改良式光阻以及持續(xù)不斷的製程控制改良將特徵縮小至難以置信的尺寸。層疊控制對曝光工具的機械精準(zhǔn)度形成嚴苛的要求，須針對透鏡的象差進行繁複的校正以降低影像扭曲率。持續(xù)改進控制層疊的工作和改進CD控制能力一樣重要。然而，唯有根

14、據(jù)微影的物理極限來修改晶片設(shè)計流程(也就是所謂的 “針對量產(chǎn)環(huán)境進行設(shè)計”)，如此才能充份發(fā)揮光學(xué)微影的潛力。最終，業(yè)界將在各種微影製程因素之間取得最佳的平衡點，以最低的成本生產(chǎn)出符合顧客需求的產(chǎn)品。參考資料1.C. A. Mack, “Pitch: The Other Resolution,” Microlithography World (Summer 1998), pp. 23-24.2.C. A. Mack, “Depth of Focus,” Microlithography World (Spring 1995), pp. 20-21.3.C. A. Mack, “Depth of

15、 Focus, part 2,” Microlithography World (Autumn 1995), pp. 23-24.4.C. A. Mack, “Resolution,” Microlithography World (Winter 1997), pp. 16-17.5.C. A. Mack, “Resolution Enhancement Technologies,” Microlithography World (May 2003).6.C. A. Mack, “Off-Axis Illumination,” Microlithography World (August 2003).7.C. A. Mack, “Scattering Bars,” Microlith