[51]0_13μm集成电路制造中的光刻技术研究现状及展望

1、-510_13m集成电路制造中的光刻技术研究现状及展望 第20卷第3期 2000年 8月 Vol.20,No.3固体电子学研究与进展 Aug,20000.13m集成电路制造中的光刻技术 研究现状及展望 郭宝增 (河北大学电子信息工程学院,保定,071002) 19981119收稿,19990330收改稿 摘要:近三十年来集成电路的特征尺寸不断缩小,主要是由于光刻技术稳定发展而推动的。按 美国半导体工业协会的推测,在以后的一些年内,集成电路的特征尺寸还会不断缩小,到2003年,0.13有许多光刻技术可以作为生产这种电路的候选者,但这种集成电路m集成电路将投入生产。 最终由哪种光刻技术实现,目前还

2、没有确定。文中介绍了其中的几种技术(即157nm光学光刻技术、X射线光刻技术和角度限制散射电子束光刻技术)的研究现状,并对它们在0.13m集成电路中应用的可能性进行了简单的评述。 关键词:光刻;X射线光刻;电子束光刻;集成电路 中图分类号:TN405.7文献标识码:B文章编号:100023819(2000)20320281210 StatusandProspectofLithographyTechnologiesfor 0.13mIntegratedCircuitManufacturing GuoBaozeng (CollegeofElectronic&InformationalEng

3、ineering,HebeiUniversity,Baoding,071002,CHN) Abstract:Thecriticaldimensiononachipforintegratedcircuitshasbeen steadilydecreasinginthepastthreedecades.Thisprogresshaslargelybeendrivenbytheachievementsmadeinmicrolithography.AccordingtoUSSemiconductorIndustryAssociation,thecriticaldimensiononchipwillbe

4、continuallydecreasedfornextseveralyearsand0.13mintegratedcircuitwillbeavailableintheyear2003.Thereareseveralcandidatelithographytechnologiesfor0.13mintegratedcircuitmanufacturing.However,itisnotclearyetwhichkindofthemi2crolithographywillbeused.Thisarticlereviewssomeoflithographytechnologiesincluding

5、157nmopticallithography,X2raylithographyandscatteringwithangu2larlimitationprojectionelectronbeamlithography.Thepossibilityofthesetech2nologiesbeingusedfor0.13mintegratedcircuitmanufacturinghasbeendis2cussed. Keywords:lithography,X-raylithography;electronbeamlithography;inte- ? 1995-2005 Tsinghua To

6、ngfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 282固体电子学研究与进展 20 卷gratedcircuit EEACC:2550G2570 1引言 近三十年来,集成电路技术迅猛发展,最突出的表现是特征尺寸不断缩小,集成度不断提高,集成度的提高一直遵从摩尔(G.Moor)提出的法则:动态随机存储器(DRAM)的集成度每十八个月翻一翻。在一个芯片上集成更多的元件,一方面靠增大芯片面积,另一方面靠减小器件的特征尺寸。从现在的发展水平看,国外一些技术领先的芯片制造商,已经采用0.35m技术大批生产集成电路,0.250.18m集成电路设备的选型工

7、作已经完成,将开始批量生产。m的技术也将很快进行实验性的生产。按美国半导体工业协会(SIA)的发展计划,继0.18m的集成电路之后,将发展0.13m的集成电路,其时间是2003年。但是从0.18m到0.13m的过渡,与前面的过渡有所不同。这主要是前面的每次过渡,其生产设备和工艺没有很大的改变,而从0118m到0113m的过渡,其生产设备工艺将会有很大的改变。 光刻是集成电路制造的关键技术,过去不断有人断言,光学光刻将达到极限,因而提出了许多在新一代集成电路制造中,代替常规光学光刻技术的光刻技术,例如电子束直写,X射线光刻等。然而,由于步进光刻机、透镜制造和掩模版制造技术的巨大成就,使这些新技术

8、的应用不断推迟,现在光学光刻技术已经可以制造亚1?4微米特征尺寸的集成电路1。 现在光学光刻使用的是波长为248nm的KrF准分子激光光源和波长为193nm的ArF准分子激光光源。那么,以后的光刻采用什么技术?即0.13m线宽集成电路,采用什么光刻技术制造?仍旧使用常规光刻技术,还是其它光刻技术?尽管发展这种集成电路时间已经确定,但是制造这种集成电路到底使用哪种光刻技术,现在还不能确定。有人提出光学光刻技术已经达到极限,0113极紫外(Extremem线宽集成电路的制造要采用其它光刻技术,X射线光刻、 离子投影(I角度限制散射的投影电子束光刻(SCALPEL)等UltravioletEUV)光

9、刻、LP)光刻、 都是制造0.13m集成电路所用光刻技术的有力候选者。也有人指出0113m线宽集成电路的制造仍旧要使用常规光刻技术,如使用157nm的准分子激光光刻。本文综述几种候选的用于0113m集成电路制造技术的研究现状,并对它们的应用前景进行了讨论。2157nm光学光刻 157nm光学光刻技术是目前使用的248nm和193nm光刻技术的扩展,之所以考虑这种技术是因为目前有这种激光光源,其价格也不算昂贵。事实上,早在80年代,贝尔实验室就完成了157nm接近式光刻的实验,但是直到最近把157nm投影光刻技术作为一种半导体器件制造的加工技术的问题也没有引起人们的足够重视。为了把这种技术应用于

10、0113m线宽集成电路的制造,麻省理工学院(MIT)林肯实验室的研究人员对这种技术进行了系统的研究。他们研究了此技术涉及的各种关键问题,如激光器性能、光学材料的选择、抗蚀剂的选择等,并制造了157nm微步进光刻机,进行光刻实验。实验证实,此技术与移相掩模技术、近距光学矫正技术配合,光刻的最小特征尺寸为0108m。这是光学光刻技术达到的最高分辨率,也可能是光学光刻技术的最后极限2,3。 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 3期郭宝增:0.13m 集成电路制造中的光刻技术研究现状及展望2

11、83 商品化的157nm准分子激光光源在脉冲能量和脉冲重复速率等方面的性能都比较差。林肯实验室的研究人员研制了新的157nm激光光源,其性能比前者有较大的改进。这种激光器在频率为200Hz的条件下,输出功率为35mJ?脉冲。脉冲之间的能量偏差小于10%(标准偏差)。激光器使用含5%氟的氦和纯氦两种气体混合,比例为140,总的压强为3200mPa。因为与248nm的KrF准分子激光器和193nm的ArF准分子激光器跃迁机理不同,所以157nm激光器的输出谱比KrF和ArF激光器的输出谱窄。KrF和ArF激光器输出谱的宽度在200300pm之间,157nm激光器输出谱的宽度为17pm左右。光谱的这

12、种差别对设计投影光学系统有重要影响。 光的波长越短,材料的吸收系数越大,因而光学材料的选择越困难。对157nm光刻技术来说,最重要的问题可能是选择制造光学投影系统的透明材料。研究表明,常规的石英玻璃对157nm的光是半透明的,不能使用。可选择的材料是氟化物晶体。而这种晶体中的MgF2是双折射晶体,LiF不但软而且容易吸水,这两种材料都不能使用。高纯CaF2晶体可能是唯一的选择。 为了寻找合适的抗蚀剂,林肯实验室的研究人员研究了几种不同的有机聚合物对100190nm波长范围的光的吸收情况。发现这些聚合物对157nm光的吸收系数很大。而且多数聚合物虽然对193nm的光是透明的,但对157nm的光吸

13、收却很大,都不适合作为单层抗蚀剂使用,因此开发157nm光刻抗蚀剂是需要解决的问题。例如,现在很难找到约0.4m厚的单层抗蚀剂,但是0.10.2m厚的成像层可能是合适的选择。 157nm微步进光刻机光刻可以达到0.08m特征尺寸的分辨率。激光的输出通过CaF2衬底上的介质层构成的全反射镜进入系统。投影系统由Schwarzschild物镜组成,他们使用了两种规格的投影系统,一种是数值孔径(NA)0.28,缩小倍率为15,另一种是数值孔径(NA)0.50,缩小倍率为36。场的直径为约100m。圆片置于具有xyz三个轴的输送平台上。通过电容传感器测量圆片表面的高度,通过反馈回路控制,保证圆片位于焦平

14、面上。光束的通路密封,并用过滤的氮气保护,这是因为氧气和水蒸汽会强烈地吸收157nm的光。 制造157nm的掩模版是非常关键的技术。因为石英玻璃吸收157nm的光,所以应使用氟化物作为版的衬底,或者使用反射掩模技术。林肯实验室的研究人员采用了前者,分别制造了在CaF2作衬底上淀积铬的掩模版和无铬的移相掩模版。抗蚀剂工艺采用硅烷化工艺,使用0.3m厚聚乙烯酚作抗蚀剂。采用上述的工艺实现了0.08m特征尺寸的光刻。这可能是到目前为止光学光刻达到的最高精度4。 3X2射线光刻(XRL) 早在80年代,世界上的一些组织和研究机构就开始了X2射线光刻的研究和应用。现在工业界有许多公司在这方面都作了相当出

15、色的工作,如美国的I摩托罗拉,日本的富士、日BM、 立、三菱、东芝等。INTT、NEC、BM使用XRL制造了64MbDRAM;三菱公司使用XRL制造1GbDRAM实验器件,栅长为0.14m;东芝和NTT公司制造了使用XRL制造4GbDRAM实验器件,功能单元的间隔为0.24m;IBM公司制造了使用XRL制造的CMOS实验电路,特征尺寸为0.1m。这些工作都证明X2射线光刻具有制造大规模集成电路的复杂图形的能力,也显示在未来0.13m集成电路制造中应用的潜力。 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights rese

16、rved. 284固体电子学研究与进展 20 卷 0.12nm。X2射线光刻所使用的波长一般为0.7X2射线光源的发展趋势是使用同步辐射 因为用同步辐射产生的X2射线强度大,从而满足光刻的需要。涉及的主要技术问X2射线光源。 题是电子存储环的制造。对于每个圆片对准器,单个存储环可以有16个以上的出口。英国牛津仪器公司等其它几个公司开发了使用超导磁体的小型存储环。1991年IBM的高级光刻实验室(ALF)安装了第一个牛津环,该设备存在的问题是可靠性比较差,一旦存储环出现故障,所有光刻机都不能工作。1993年以后的设备可靠性大大提高,以后又在提高电子束的束流强度方面进行了改进,现在束流的强度已经超

17、过500mA。束的寿命(即电子束在环中由于散射而衰变的时间)也大大提高,在300mA下寿命为30小时,这意味着束重新注入的时间可以长达812个小时,甚至更长。光源的另一个重要部分是束管道,它作为存储环与对准器的接口,束管道需要超高真空环境。束管道的关键部件是光学系统,由一个或两个临界入射镜组成。现在存储环和束管道的制造技术已经能够满足用于制造0.13m或0.13m以下特征尺寸集成电路的X2射线光刻机的需要。 象光源一样,许多公司也致力于对准器的研究和生产,如SVG光刻系统公司(SVGL)、SVL公司和佳能公司等。其中SVGL和SVL有商品化产品。 现在IBMALF使用的是SVGL的最先进的对准

18、器,尽管人们还在对它的性能进行优化,但它确实是一种很有价值的生产工具。这种设备具有全部标准的机械接口处理圆片和掩模。通过一级曝光、刻蚀,然后二级曝光来估计对准精度。使用全局对准,测量整个曝光场的对准误差,其对准误差为3540nm(不包括图像转移的误差)。假定每个圆片有20场,每秒曝光一场,现在产量是30片?小时。此外,安装在三菱公司由佳能公司生产的步进机,对准精度为1519nm。 然而,0.13m技术对对准的误差要求是非常严格的(总的误差应小于45nm),因此,现有的技术还需要进一步改进。在平台和对准系统制造方面还要付出极大的努力,从而提高精度和速度。对于0.13m技术的应用来说,平台应该能够

19、处理300mm的圆片。 掩模版的制造技术是最关键的技术,也是最难的技术,其技术方面的竞争表现在掩模版材料制备及图形制备技术上。掩模版由薄膜(典型情况下2m厚)和吸收体组成。薄膜用来支撑由吸收体形成的图形。薄膜材料通常使用掺硼硅和氮化硅,但是人们认为碳化硅是最好的选择。因为碳化硅硬度高,抗辐射性能好。一些重金属材料(如金,钨,钽)和它们的化合物都可以作为吸收体。钽基材料最好。在清洗工艺中要经历严格的化学腐蚀,钽基材料抗化学腐蚀性能好。IBM已经开始研究使用TaSi(也考虑使用Ta4B)代替金作为吸收体材料,主要基于两个原因,一个原因是金可能对以后工艺产生污染,另一个原因是在标准半导体工艺中,据估

20、计难熔吸收体材料的工艺要比金吸收体工艺好。这方面的工作还处于早期阶段,但已经取得很好的结果。 无缺陷的掩模。1995年,IIBM的工作已经证明,使用金作为吸收体可以制造复杂的、BM 制造了21块无缺陷的掩模版,其中8块为类似SRAM的图形,等效为128MbDRAM门的数目。4个其它掩模版,等效为256MbDRAM,两种版的特征尺寸均为0.25m。最近又制造了特征尺寸为0.18m的掩模版。用钽作为吸收体的掩模版,由于存在缺陷,还需要进一步改进制造技术。 掩模图形的刻蚀是另一个非常重要的问题。掩模图形的制造需要高分辨率的电子束曝光机。IBM使用EL24型可变矩型束电子束曝光机的改进型机器称为XE2

21、P0,此机器加速电压 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 3期郭宝增:0.13m 集成电路制造中的光刻技术研究现状及展望28575kV,使用PMMA抗蚀剂,制造了0.18m的吸收体图形。虽然使用矢量扫描电子束曝光,可以制造0.13m或者更小的图形,但这种办法扫描速度太慢,不适合掩模版的大批生产。 掩模图形成像还存在明显的问题。主要有两个原因:其一是电子束曝光机本身的性能问题;其二是由于抗蚀剂和吸收体的堆积引起支撑薄膜的畸变。薄膜的畸变或者是由于横切过曝光场的应力梯度引起的,或者是由于

22、应力均匀的吸收体但不均匀的图形密度引起的。已经发现在电子束扫描期间,PMMA抗蚀剂应力变化的范围从1.0107到0.1107Pa,应力的变化会导致图形畸变。此外金吸收体的应力(约2107Pa)要比钽化合物的应力低。钽化合物的应力变化范围也很大,从小于2107Pa到大于4108Pa,其应力的大小取决于淀积工艺。一个重要的任务是减小由于吸收体堆积而导致的应力的幅度和不均匀性。这方面的工作正在进行中。 电子束直写的图形错误也是需要解决的问题。这些错误有些是随机的,有些对于给定的图形是可重复的(在写图形期间,由于衬底充电而形成的)。为了补偿可重复图形错误,现在发展了一种图形比较模拟技术。在这种技术中,

23、先后制造几个掩模版,并对这些掩模版图形进行比较测量,确定可重复性错误的位置,在制造最后一个掩模版的过程中对这些位置进行修正。用这种方法明显改进了图形的质量,但是由于要额外制造几块掩模版,制造成本明显增加了。现在正在发展一种用模型模拟的技术来预言可重复图形错误。 目前,ALF使用XE2P0得到的最好的成像结果临界尺寸为22nm。为了满足制造0.13m线宽集成电路的需要,掩模版成像的临界尺寸还需要近一步缩小。对现有工具的分析表明,许多子系统的性能都可以进一步改进,最终能够满足0.13m线宽集成电路制造的需要。 掩模版制造方面的竞争在于掩模版必须满足所有技术要求,很重要的一点是掩模版的耐用性。实验表

24、明SiC吸收体具有很好的抗辐射特性,这样的掩模版在常规应用的情况下,没有辐射损伤。但在一些特殊应用的情况下还存在一些问题。预期钽吸收体也具有很好的抗辐射特性。尽管如此,研究人员还计划加速测试这种材料的抗辐射特性,证实这种材料确实如人们所预期的那样,没有由于辐射而产生畸变或其它衰变。 一种光刻技术的效果最终是通过在抗蚀剂上的图形的效果来判断的。XRL的主要优点之一是能够在厚的简单的单层抗蚀剂上形成良好的不失真的图形。迄今为止,在开发专用的XRL抗蚀剂方面还没有取得明显的进展。尽管如此,世界上各研究组织使用各种不同的商用抗蚀剂,已经取得很好的结果。 任何一种技术作为实用的制造技术,在经济上必须是可

25、以接受的,低成本高产量是发展一种实用制造技术的主要动力。XRL技术能否在0.13m线宽集成电路的制造中得到应用,最终也要取决于它的产量和成本。决定XRL产量的是生产中各种操作所占用的时间,包括在对准过程中装卸圆片,校正圆片位置和采集对准数据的时间,在每曝光场中,圆片步进和曝光时间等。曝光时间依赖于X射线的强度、掩模版的透射率、抗蚀剂的灵敏度等。 图1所示的是基于ALF的光刻工具,对X2射线光刻的产量的预测。此例中以当前的水平为基础,圆片的直径为200mm,芯片的尺寸为20mm20mm,每个圆片上有61个芯片。图中表示了在稳定情况下,生产每个圆片在几个主要的操作工艺中所用的时间,假定单个芯片的曝

26、光场,存储束流的强度为320mA,每个圆片的对准时间为94秒,步进和稳定时间为0.55秒? 2每场,抗蚀剂的灵敏度为80mJ?小时。如果把场的面cm,ALF当前完成的产量为15个圆片? 积放大到40mm40mm,使每场包含两个芯片(这是比较容易实现的),那么产量可以增加到 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 286固体电子学研究与进展 20 卷20个圆片?小时。如果存储束流的强 度增加到400mA,因为对准的时间 仍然较大,产量为22个圆片?小时。 使用SVGL对准器,对准时间为60

27、 秒,步进和稳定时间为0.50秒?每 场,产量为29个圆片?小时。如果使 用四个芯片的曝光场,产量为33个 圆片?小时,如果进一步提高抗蚀剂 2的灵敏度,使其达到50mJ?cm,产 量可达到36个圆片?小时。要实现每 小时60片量级的产量,步进的时间 必须进一步减小。当对准时间为30 秒时,圆片的产量为52个圆片?小 时。因为目前光学光刻步进机具有较 低的步进时间,因此对于X射线光刻图1X射线光刻产量Fig.1X2raylithographythroughputroadmap来说也必须进行改进,才能与光学光刻竞争47。 4角度限制散射投影电子束光刻技术(SCALPEL) 长期以来,电子束直写光

28、刻就被认为是未来制造大规模集成电路的潜在的技术。电子束光刻在制造光刻掩模版方面已经十分成熟,并得到广泛应用。然而,虽然经过多年的发展,用电子束在圆片上直接曝光作为一种成熟的加工技术,并没有取得明显的进展。即便有一些进展,其速度也无法与光学光刻技术相比。特别是产量方面,与光学光刻技术的竞争力,比十年前更差了。这主要是大规模集成电路的集成度每十八月翻一翻,圆片的像素(高斯圆束工具)或矩形(可变矩形束工具)数也按同样的速度增加,但是电子束光刻工具的性能并没有明显改进。 电子束光刻的产量基本上是由束流的强度和抗蚀剂的灵敏度决定的。对于40个圆片(? 2200mm)?h的产量,如果忽略一些辅助操作所用的

29、时间,在抗蚀剂灵敏度5C?cm的条件 下,束流的强度为13A。如果采用矢量扫描方法,可以跳过不需要曝光的区域,在同样的产量下,可使束流减小1?2至3?4。但是,在实用上这种方法要增加其它一些操作的时间,因而抵消了它的优点。 目前最快的电子束曝光工具至少要比光学光刻技术慢一个数量级。由于随机空间电荷效应和电子与电子的互作用导致束边缘模糊的限制,最快的工具中最大电流被限制在1A左右。当集成电路的特征尺寸进一步减小,可变矩形束工具的平均可用电流也要相应减小。这就使在常规电子束光刻中通过增加束流强度来提高产量变得十分困难。 目前电子束光刻使用的最敏感的高分辨率抗蚀剂是化学放大的抗蚀剂。所报道的最高的

30、2分辨率,在束电压50kV的条件下,为5C?cm。为了保证每个像素均匀曝光,每个像素的最 小平均电子数目应使得散粒噪声最小。对于每个0.1m的像素,合理的电子的数目为600,相 2应的由散粒噪声限制的灵敏度为1C?cm。 因此可以得出这样的结论:即使常规的电子束光刻技术在各方面进一步改进也不能在? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 3期郭宝增:0.13m 集成电路制造中的光刻技术研究现状及展望2870.13m线宽集成电路光刻中使用。电子束工具主要参数将接近由电子与电子之间互作用的极限和

31、由散粒噪声决定的抗蚀剂分辨率的极限。而目前已经很接近这些极限。如果集成电路的集成度按目前的速度增加,电子束工具将越来越不能满足集成电路光刻的需要。 要使电子束技术在集成电路的光刻中 得到应用,必须采用全新的技术。因而最近 一种新的光刻技术引起了人们的极大兴 趣,这种技术称为角度限制散射投影电子 束光刻(SCALPEL)技术。这种技术采用并 行投影方法,而不是常规的电子束扫描方 法,因而产量高,同时又保持了电子束光刻 分辨率高的优点,因为掩模版散射电子而 不是吸收电子,因而避免了掩模版变热的 问题,这种技术成为制造0.13m线宽集 成电路的有力候选者。图2所示的是 掩模版由低原子序数SCALPE

32、L的原理图。图2SCALPEL的原理图 Fig.2SchematicdiagramoftheSCALPELprinciple的薄膜和高原子序数的图形层组成。掩模 版由均匀的高能电子束(100keV)照射。整个掩模版对电子束是透明的,因而淀积在掩模版上的能量很少。通过高原子序数图形层的电子束将被散射,散射的角度为几毫弧度。在电子投影成像透镜的交平面上的光阑将阻止那些被散射的电子,通过低原子序数薄膜的电子,不受散射,可以通过光阑。因而在圆片上形成高对比度的图像,掩模版与抗蚀剂上的图形比例为41。SCALPEL把图像的形成和能量的吸收分开,从而形成不失真的图形。 在以前,为了解决常规电子束光刻产量低

33、的问题,也曾经使用过投影电子束光刻,把整个电路图形或部分电路图形,通过掩模版投影在圆片上。掩模版上的图形是用腐蚀或其它方法刻出的孔,这样对于闭合图形(如环形)就无法在一块掩模版上形成,因此每次光刻必须要使用两块以上的掩模版。更难以解决的问题是,在掩模版的实的部分,阻止电子的通过,能量淀积在掩模版上,使掩模版很快变热,掩模版受热变形,造成无法校正的图形的畸变。而SCALPEL正好克服了这些缺点。 曝光系统采用的是步进和扫描结构,如图3所示。照明系统产生1mm1mm的方形均匀电子束,在空间上是固定的,在图中没有表示出来。掩模版以恒定速度移动通过电子束,图形被曝光。掩模版的图形被分成1mm宽的条形,

34、与束的尺寸正好匹配。掩模版的图形投影到圆片上,图形缩小的比率为41。圆片也与掩模版同步移动,其速度为掩模版移动速度的1?4。 散射掩模版的制造是这种技术的关键。基本结构如图4所示,它是由低原子序数的材料支撑薄膜和高原子序数材料图形层组成。薄膜由SiNx组成,厚度为100nm,薄膜被制造为比1mm稍宽的条形,中间由Si支撑,散射层由两层组成,所用材料分别为Cr和W。 SCALPEL的抗蚀剂使用远紫外光刻所用的商用化学放大抗蚀剂,这为SCALPEL技术最终的商品化提供有力条件。实际上因为SCALPEL曝光在真空环境下进行的,对抗蚀剂还有一些限制,如曝光中抗蚀剂的厚度不能减小,不能产生挥发物,因为这

35、些挥发物会污染电子光学系统,绝缘材料的淀积会导致放电,使束位置的不稳定等。 贝尔实验室的研究人员制造了上述的实验系统,在此系统上进行了光刻实验,在抗蚀剂上? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 288固体电子学研究与进展 20 卷 图3SCALPEL的步进扫描设备原理图 Fig.3SchematicdiagramoftheSCALPELstepandscanwriting strategy 图4SCALPEL掩模版结构图 Fig.4SchematicdiagramoftheSCALPEL

36、maskconstruction 刻出了80nm的图形。实验证实这种技术在套准、临界尺寸控制、曝光范围等方面都满足 8,9100nm以下光刻的要求。因而成为制造0.13m线宽集成电路的有力候选者。 5压印光刻 按美国半导体工业协会(SIA)的发展计划,2006年集成电路的特征尺寸为0.1m,2009? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 3期郭宝增:0.13m 集成电路制造中的光刻技术研究现状及展望289年为0.07m,2012年为0.05m。那么十几年以后的0.05m集成电路将由哪种工

37、艺生产呢?单从分辨率考虑,SCALPEL等技术都可以满足要求。但是特征尺寸越小,对工艺和设备的要求越高,光刻的产量会更低,光刻成本更高。能不能发展一种分辨率高,而成本低且产量高的光刻技术呢? 1995年,明尼苏达大学微结构 实验室发展了一种全新的光刻技术。 这种技术的诱人之处在于不但光刻 精度高,而且成本低、产量高。这种称 为压印光刻(Imprintlithography)的 技术,可以完成0.05m直至0.01 m的光刻。 与常规光刻通过辐射改变抗蚀 剂的化学性质的原理不同,它是通过 模版挤压抗蚀剂层,改变抗蚀剂物理 形状,形成图形的。其原理如图5所 示。抗蚀剂用甲基丙稀酸脂 (PMMA),

38、在抗蚀剂的玻璃转换温图5纳米压印光刻工艺图Fig.5Schematicofnanoimprintlithographyprocess度以上时,用模版压抗蚀剂,再降低温度,当温度降低到玻璃转换温度以下时再去掉模版,用反应离子刻蚀技术,去掉被挤压部分的残余抗蚀剂,便形成刻蚀的图形。因为这种方法不存在常规光刻技术各种影响分辨率的因素,故具有很高的分辨率。最近他们用这种技术已经分别在硅和金衬底上刻出周期为40nm,直径为10nm的孔。也制造了硅量子点、量子线和环型晶体管等,其特性与用电子束光刻技术制造的器件特性相同。但在产量和成本方面,压印光刻要远优于电子束光刻。此外还用这种技术制造了纳米光盘,特征尺

39、寸为10nm,存储密度为400G比特?平方英寸11。 6展望 现在大规模集成电路的主流产品是0.35m线宽集成电路,此后是0.25m和0.18m线宽集成电路,这些产品都采用光学光刻技术制造。0.13m线宽集成电路成为主流产品还需要几年的时间。在这几年中各种技术的研究进展肯定是不平衡的,最终那种技术会捷足先登,成为0.13m线宽集成电路制造的标准技术,目前还难以预料。 建立一个现代IC生产线所需的费用一直以指数率上升。限制器件尺寸缩小的是经济上的问题而非技术上的问题。因此最终选用何种光刻技术必须进行成本与效用两方面的分析。 回头看光刻技术发展的一些历史可能会有一些启发。248nm光刻工具的开发开

40、始于1983年,直到1996年才被工业界普遍接受,在此期间开发了多代248nm光刻工具,每一代都比以前有所改进。193nm光刻工具的开发开始于1990年,估计到2000年左右才会被工业界使用,这期间也出现了几代工具。这说明新一代光刻技术的开发一般需要10年或10年以上的时间。因此希望出现一种“革命”性的技术,并很快在0.13m集成电路的制造中得到应用,其可能性是比较小的。就文中介绍的三种技术而言,157nm光学光刻是目前最成熟的光刻技术 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 290固体电子学研究与进展 20 卷 的延续,在某些方面可能更成熟些,但是它也有许多特殊的问题需要解决,而对它的研究刚刚开始,所以近些年来不会被工业界采用。角度限制散射投影电子束光刻技术(SCALPEL)在刻蚀高分辨率图形方面具有更大的潜力,但这种技术目前还仅仅处于实验阶段,其实用化的历程还较长。X射线光刻的研究和应用都相对成熟,X射线光刻可能是主要候选者之一,但作为工业上的大规模应用也有一些问题。 从1985年以来所用的步进光刻机缩小的倍率都是5,以后将慢慢的从5减小到4。这是因为芯片的尺寸越来越大,对透镜的要求越来越高的原因。但是制造缩小倍率为4的掩模版,对掩模版制造商来说又是一个挑战。因此,