193nm光刻技術(shù)延伸面臨的選擇-新品速遞

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摘要：

就象上一代248nm光刻技術(shù)一樣，193nm光刻可能會繼續(xù)拓展和延伸，其使用極限將遠遠超出人們的預計。隨著強烈相位移和浸入式光刻以及其它一些技術(shù)的應用，193nm光刻至少可以維持到45nm工藝時代，甚至更遠。

盡管以前沒有考慮過次波長光刻，但是現(xiàn)在人們逐漸接受了這樣一個事實：采用任何波長的光源都可以得到分辨率為三分之一波長的特征圖形。因此，將193nm光刻設(shè)備用于65nm工藝時代必定是可行的（圖1）。

圖1為130nm工藝制作的193nm掃描光刻機二進制掩模版。相位移和其它提高分辨率的技術(shù)至少可以將193nm光刻帶入65nm工藝時代。

盡管半導體業(yè)界已經(jīng)有一些繼續(xù)拓展193nm（ArF）光刻的方法，但是到底采用哪種技術(shù)以及193nm光刻還能走多遠仍然是人們爭論的話題。目前，延伸193nm光刻應用范圍的方法包括一系列提高分辨率的技術(shù)（resolutionenhancementtechniques，RETs），例如強烈相位移、輔助結(jié)構(gòu)和特殊光源技術(shù)以及本年度熱門的話題--浸入式光刻（圖2）。

圖2浸入式光刻技術(shù)很可能將193nm光刻延伸到至少45nm工藝時代。圖為實驗用浸入式光刻系統(tǒng)，其中投影棱鏡和晶片之間充滿了水。

掩模版制造商Photronics公司的科學家ChrisProgler認為，芯片制造商可以將193nm光刻延伸至多遠部分取決于他們能夠采用的基本設(shè)計規(guī)則（designrule）要求有多嚴格。很少有公司會真正進行器件的全面微縮，他們只會在真正需要的地方采用193nm光刻技術(shù)制作65nm及以下器件。

Progler預計65nm工藝時代會出現(xiàn)一套新的基本設(shè)計規(guī)則。通過數(shù)值孔徑（NA）的繼續(xù)提高或者浸入式光刻技術(shù)的應用，其中許多規(guī)則還能用于45nm工藝。“然而，進入45nm以下工藝時，我想原來有關(guān)工藝時代的觀念將開始逐漸變化。說實話，我認為那時將不太可能維持象IRTS預計的那樣兩到三年進入下一工藝時代的想法。之前我已經(jīng)強調(diào)過這一觀點很多次了，我相信一定會這樣的?！彼谢驹O(shè)計規(guī)則仍然保持70%微縮程度是不切實際的，他補充道。

每次出現(xiàn)新的工藝變化時，半導體業(yè)界都會面臨相當多的選擇—該采用什么技術(shù)從一個工藝時代進入到下一個工藝時代。我們要盡可能地縮小選擇范圍。我們必須做出決定，從眾多備選方案中做出的選擇。就象DupontPhotomasksInc.應用總監(jiān)CraigWest所說的那樣，“當你展望未來時，你會發(fā)現(xiàn)在通向未來的道路上有很多岔路口?！崩纾窃摪l(fā)展193nm濕法光刻還是157nm干法光刻呢？另一個例子是157nm濕法光刻和EUV光刻之間的艱難選擇。這些發(fā)展方向的終結(jié)果是迫使我們在提高掩模版復雜度和縮短波長之間做出選擇。

West說：“實際上，2003年已經(jīng)基本明確定了未來幾個工藝時代的發(fā)展方向。與縮短波長相關(guān)的一些選擇方案被排除了。65nm工藝肯定可以通過193nm干法光刻實現(xiàn)；如果采用浸入式光刻技術(shù)，看起來也很容易達到45nm工藝水平。”

甚至有人相信浸入技術(shù)還可以使193nm光刻走得更遠。Photronics技術(shù)副總裁SteveCarison說：“45nm只是其中的一個工藝時代，193nm光刻可以繼續(xù)走下去?！?/p>

相位移掩模版

相位移掩模版（Phase-shiftmasks，PSMs）是拓展193nm光刻能力的關(guān)鍵?！跋辔灰埔呀?jīng)成為存儲器和邏輯器件制造的主流技術(shù)。PSMs是提高光刻分辨率的技術(shù)。”West說，“許多層的圖形分布很容易與相位移掩模版的要求相吻合，特別是接觸窗口和微通孔層的孔洞圖形?！?/p>

PSMs的繼續(xù)發(fā)展將依賴于更強的相位移和更復雜的特征結(jié)構(gòu)。目前基本的是6%嵌入式PSMs。要想使相位移技術(shù)能夠達到下一代技術(shù)水平的要求，可供選擇的掩模版類型主要有三種：補償式相位移、二次曝光和可以進行低k1成像的曝光技術(shù)。

West說，補償式相位移是目前為人所熟知的相位移技術(shù)，其中主掩模版起到強烈相位移的作用，第二塊掩模版起到補償功能。“現(xiàn)在的基本硬件設(shè)施顯然已經(jīng)采用并掌控了大部分補償式相位移掩模版。該方法的缺點是必須使用兩塊掩模版?！本庸さ拿恳粚佣夹枰?jīng)過兩次圖形轉(zhuǎn)移，除了延長曝光時間外，還會引起套刻精度偏差問題。

Progler說，補償式PSMs具有很強的挑戰(zhàn)性，但是大多數(shù)人都認為它是有發(fā)展?jié)摿Φ南辔灰萍夹g(shù)?！叭欢?，兩塊掩膜版明顯增加了其運行成本?！?/p>

二次曝光技術(shù)也使用了兩塊掩模版，但是該方法與補償式曝光完全不同。Progler介紹說，補償式相位移中的第二塊掩膜版相對來說要簡單得多，它只用于塊掩膜版曝光后進行相應的補償；但是二次曝光相位移技術(shù)的兩塊掩模版看起來很相似，而且都比補償技術(shù)中的主掩模版簡單。

第三種方法則采用無鉻掩模版光刻技術(shù)，這是一種只采用一塊掩模版、曝光的技術(shù)（圖3）。該技術(shù)依賴于結(jié)構(gòu)非常復雜的掩模版，其掩模版通常需要多次刻寫才能完成。但是，其優(yōu)點是只需曝光。UnitedMicroelectronicsCorp.（UMC）去年12月初宣布，他們已經(jīng)成功地采用無鉻PSMs為客戶生產(chǎn)出90nm工藝功能芯片。該公司稱他們將為65nm及以下工藝評估該技術(shù)和其它RETs技術(shù)的可行性。

圖3.無鉻相位移掩模版，蝕刻石英結(jié)構(gòu)寬165nm（掩模版尺寸）。該設(shè)計還在一些石英上殘留了部分鉻，尺寸為350x270nm。

無鉻相位移光刻（ChromelessPhaseLithography，CPL）技術(shù)來自ASMLMaskTools公司，該技術(shù)正受到越來越多的關(guān)注?！癈PL的好處是只需一塊掩模版（上面具有許多比所需分辨率還小的復雜圖形），因此關(guān)鍵層圖形轉(zhuǎn)移速度更快，不需要補償式設(shè)計那樣采用經(jīng)過分解、多次曝光的方法?！盬est說。“該技術(shù)在軟件解決方案和掃描光刻設(shè)備效率之間找到了很好的平衡點。其中大部分關(guān)鍵的掩模版制作技術(shù)已用于實際生產(chǎn)，與石英蝕刻概念相關(guān)的技術(shù)則正在加緊開發(fā)中。無論采用哪種類型的掩模版，相位移技術(shù)一定是提高光刻分辨率的優(yōu)先選擇?！?/p>

CPL定義圖形時采用無鉻特征圖形，掩模版透過率幾乎為100%，相位移程度為180°。其中，相位移是通過在標準鉻/石英襯底上進行石英蝕刻實現(xiàn)的。根據(jù)Photronics公司Carison的觀點，CPL除了具有補償式相位移技術(shù)的所有優(yōu)點外，還有只需一塊掩膜版的好處。“實際上，它是更能拓展光刻能力的方法?！?/p>

ASMLMaskTools總裁兼CEODineshBettadapur說，“也許二次曝光技術(shù)的分辨率要稍微高點。但是從全盤考慮CPL具有更高的價值?！备鶕?jù)Carison的說法，二次曝光和CPL極限分辨率的差距只有幾個百分點，只有在特定的圖形上才能顯現(xiàn)出來。

還有一個非常引人注目的方法是仍然采用目前的6%嵌入PSM，只是提高了其透過率。“我們稱之為可變透過率，因為我們?nèi)匀辉谂ふ彝高^率。”Progler舉例說，也許有些掩模版具有40%的透過率，而其它掩模版卻只有9%?！霸谀撤N程度上，透過率取決于各光刻層的類型。”

Progler解釋說，提高透過率本質(zhì)上是使鉻“漏過”更多的光，相應的掩模版具有更強的相位移效果。相位移是透過掩模版暗區(qū)和亮區(qū)的光線互相干涉造成的。但是，透過率并不是越高越好?！巴高^率太高時，有些地方會變得很難處理。”

其它手段

除了相位移之外，還有其它一些提高分辨率的技術(shù)?！霸S多新出現(xiàn)的方法采用了圖形分解的概念：采用偶極子光源對X、Y軸圖形進行選擇性的轉(zhuǎn)移?！盬est說?！按畏直媛瘦o助特征圖形（subresolutionassistfeatures，SRAFs）的使用是光刻研究人員在設(shè)法獲得可變圖形密度和間距的同時努力擴大有限工藝窗口（特別是邏輯產(chǎn)品）的有效方法。”

West指出，以上諸多技術(shù)的結(jié)合才能真正解決先進工藝技術(shù)的需求?！盀榱说玫叫Ч仨毻瑫r使用很多方法。例如，補償式PSMs完全取決于OPC（光學近似性校正），而OPC又推動了SRAFs在嵌入式PSMs中的應用?！?/p>

West說，PSMs技術(shù)的基礎(chǔ)是可以將設(shè)計從原來的平面形式快速轉(zhuǎn)變成相位移形式?！耙陨先魏尾呗缘年P(guān)鍵是設(shè)計。當我們回顧歷史時，我們會發(fā)現(xiàn)相位移掩模版技術(shù)的推動力之一就是設(shè)計，而不是掩模版制造能力?！?/p>

EDA軟件工具經(jīng)過不斷發(fā)展已經(jīng)基本成熟了，IC設(shè)計者和軟件開發(fā)者開始加強與掩模版制造商以及光刻機制造商之間的密切合作。十二月，Photronics和ASMLMaskTools宣布結(jié)成策略聯(lián)盟，共同為CPL技術(shù)開發(fā)可用于生產(chǎn)的掩模版制作基本硬件。Photronics將幫助ASMLMaskTools開發(fā)經(jīng)過優(yōu)化的CPL制作工藝流程過程。反過來，ASMLMaskTools將為Photronics提供與掩模版制作、晶片圖形轉(zhuǎn)移以及軟件應用相關(guān)的CPL開發(fā)權(quán)利。

浸入式光刻

沒有人會說浸入式光刻是一件簡單的事。但是，與可供選擇的其它方如157nm光刻相比較，大多數(shù)人會認為浸入式光刻是非常值得試一試的。MIT林肯實驗室亞微米技術(shù)小組組長MordyRothschild說，“在別無選擇的情況下，你只能去嘗試那些看起來幾乎不可能實現(xiàn)的事情”。林肯實驗室的該研究小組是早開展193nm和157nm光刻技術(shù)研究的，兩、三年前他們開始研究以上兩種波長下的浸入式光刻技術(shù)。

盡管人們對浸入式光刻還有一些疑慮，例如氣泡或水/光刻膠可能互相反應等，浸入式光刻看起來已是大勢所趨。該技術(shù)在的投影棱鏡和晶片之間充入了一種液體，193nm時很可能是水。由于水的折射指數(shù)比空氣高（1.44:1），因此可以增加投影棱鏡數(shù)值孔徑NA，相當于將193nm波長縮短到134nm，從而提高了分辨率。

往光刻系統(tǒng)中加水有好幾種方法：噴淋式設(shè)計，將水噴在晶片上然后設(shè)法帶走；浴缸式設(shè)計，將晶片完全浸入“浴缸”，“浴缸”可以隨著晶片平臺移動；游泳池式設(shè)計，將整個操作平臺都放置在水中?，F(xiàn)在，半導體業(yè)界傾向于采用噴淋式設(shè)計。實際上，Nikon和ASML的設(shè)計都是該方法的變形。這兩家公司都公布了與TEL合作開發(fā)浸入式光刻技術(shù)的協(xié)議，TEL將為他們提供獨特的液體傳送技術(shù)。

圖4.用于浸入式光刻的噴淋系統(tǒng)，它從晶片一側(cè)噴淋液體，然后從另一側(cè)將液體吸走。

Nikon的設(shè)計概念如圖4所示。NikonPrecision公司主任工程師GeneFuller介紹說：“大致說來，該方法在晶片一側(cè)設(shè)置了一個噴嘴，將水噴到棱鏡下面，然后從另一側(cè)將水吸走?！北M管還會涉及更多的技術(shù)細節(jié)，但是現(xiàn)在設(shè)備開發(fā)商都守口如瓶，沒有向外界透露更多信息。但是，F(xiàn)uller說，“對任何人來說，它都不會是看起來很奇怪或不尋常的東西?！?/p>

盡管浴缸式設(shè)計可以使晶片邊緣更加容易曝光，但它給操作平臺增加了太多重量，結(jié)果對生產(chǎn)速度產(chǎn)生了不利的影響?！皟H僅增加1-2升水就會損失生產(chǎn)效率?！盇SML市場總監(jiān)BoudewijnSluijk說?！耙虼?，我們現(xiàn)在采用的是噴淋頭概念?！彼a充說，該方法仍然可以使晶片邊緣曝光。“有挑戰(zhàn)性的問題是如何控制棱鏡下面水的分布。”

然而，水中可能含有氣泡是浸入式光刻關(guān)心的一個主要問題，氣泡會對成像品質(zhì)造成嚴重的威脅。Rothschild介紹說，氣泡主要有兩到三種。正常情況下，水中含有一些空氣，這些空氣分子可能會形成氣泡。簡單的辦法就是對水進行除氣處理，目前市場上已經(jīng)有這樣的商業(yè)化系統(tǒng)可供選擇了。

Rothschild說：“即使這樣還是有一些問題。水和晶片接觸時會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？”當水充滿圖形中間的一些間隙時，由于這些地方原來是空氣，因此有可能使空氣通過界面進入水溶液?！拔蚁?，為了確保不會發(fā)生這種現(xiàn)象還需要做許多工作。”

另外一個與水相關(guān)的問題是水對接觸的材料（光學系統(tǒng)的一個棱鏡和光刻膠）造成的影響。很多研究小組一直在研究當水與光刻膠接觸時會發(fā)生什么現(xiàn)象，其中包括對污染問題的擔心。Rothschild說，粗略看來兩者之間沒有太多反應?！皩τ诠饪棠z來說，目前關(guān)心的問題可能要稍微少點，因為光刻與水的接觸時間不是太長?！?/p>

相反，棱鏡卻要與持續(xù)的水流相接觸。水流可能會對棱鏡造成損傷?！奥然}并不是水溶性材料，但是隨著時間的延長，它對水還是足夠敏感的，特別是當你用激光對棱鏡進行輻照時?！盧othschild說?！吧踔猎趲讉€小時之內(nèi)，氯化鈣就會變得粗糙不平?！睘榱私鉀Q這個問題，有好幾個研究機構(gòu)正在研究采用保護層的解決辦法。

研究人員正在繼續(xù)努力，使半導體業(yè)界確信浸入式光刻看起來已經(jīng)沒有任何障礙了。但是，這里所說的“障礙”是指違反能量守恒原理。Fuller指出：“真正的問題是那些還沒有解決的細枝末節(jié)以及資金還沒有到位?！?/p>

Rothschild說：“實際情況是目前還沒有真正可以工作的浸入式步進和掃描系統(tǒng)?！蹦壳皟H有的少量測試系統(tǒng)使用的都是靜態(tài)的水。隨著可實際運行浸入式步機和掃描系統(tǒng)的推出，研究人員一定可以找到更多答案。

改進與革新

盡管還存在一些可能的未知情況，浸入式光刻已經(jīng)深深吸引了半導體業(yè)界。其主要吸引力之一是該系統(tǒng)可以建立在現(xiàn)有平臺和基本硬件基礎(chǔ)上。West說，“浸入式光刻的顯著優(yōu)點是能夠保持材料延續(xù)性，包括嵌入材料及其柔軟的表層等。光刻膠只需進一步改進而不是發(fā)現(xiàn)新材料。浸入式光刻可以保持基本硬件結(jié)構(gòu)完全不變?！?/p>

就系統(tǒng)本身而言，必須將晶片處理系統(tǒng)改成能夠添加液體，軟件也需要進行改編。但是，系統(tǒng)大部分組成基本保持不變，包括大部分光學系統(tǒng)和掩模版平臺。設(shè)備制造商提供的臺評估系統(tǒng)看起來幾乎與的干法光刻設(shè)備一模一樣。Fuller說：“三大公司都采用了同樣的理念在進行開發(fā)，而且都是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上建立了浸入式光刻設(shè)備?！逼渲校琋ikon的臺浸入式光刻設(shè)備是建立在其NSR-S307E基礎(chǔ)上的。這是一套ArF光刻系統(tǒng)，NA為0.85。Nikon近才推出了該系統(tǒng)，并且已經(jīng)成功制造了樣機。

去年夏天，三大主要設(shè)備供應商（Nikon，ASML，Canon）聲稱他們將在2003年12月或2004年1月之前決定是否進行浸入式光刻設(shè)備的生產(chǎn)。12月初，Nikon和ASML宣布他們都將生產(chǎn)浸入式光刻機，并公布了推出預生產(chǎn)和生產(chǎn)系統(tǒng)的時間表。

Nikon希望能夠在今年下半年完成基于S307E的工程評估模型，同時預計2005年將推出預生產(chǎn)模型。預生產(chǎn)模型將建立在S307E下一代產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，NA為0.92。該公司將從2006年開始銷售生產(chǎn)設(shè)備，NA大于1.0。

ASML說他們希望能在今年第三季度推出臺預生產(chǎn)浸入式光刻設(shè)備。它將建立在該公司剛剛推出的TwinscanXT:1250的基礎(chǔ)上，NA為0.85。同時，ASML宣布它已經(jīng)接到了來自臺機電（TSMC）的份XT:1250i定單。

1月下旬，IMEC宣布它將加強與ASML在浸入式光刻上的合作，預計今年第四季度安裝ASML公司的XT:1250i。同時，IMEC說它將在繼續(xù)157nm光刻業(yè)界聯(lián)盟計劃（industrialaffiliationprogram，IIAP）的同時，發(fā)動193nm浸入式光刻業(yè)界聯(lián)盟計劃。

Fuller指出，浸入式光刻的呼聲之所以這么高，一個重要原因是因為它能夠在相當短的時間內(nèi)投入生產(chǎn)。他說，歷史上在新技術(shù)或新波長真正用于大規(guī)模生產(chǎn)之前，