[51]0_13μm集成电路制造中的光刻技术研究现状及展望

0.13Λm

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,

0.13Λm集成电路将投入生产。有许多光刻技术可以作为生产这种电路的候选者,但这种集成电路最终由哪种光刻技术实现,目前还没有确定。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0.13Λm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

StatusandProspectofLithographyTechnologiesfor0.13ΛmIntegratedCircuitManufacturing

GuoBaozeng(CollegeofElectronic&InformationalEngineering,HebeiUniversity,Baoding,071002,CHN)

Abstract:Thecriticaldimensiononachipforintegratedcircuitshasbeen

steadilydecreasinginthepastthreedecades.Thisprogresshaslargelybeendrivenbytheachievementsmadeinmicrolithography.AccordingtoUSSemiconductorIndustryAssociation,thecriticaldimensiononchipwillbecontinuallydecreasedfornextseveralyearsand0.13Λmintegratedcircuitwillbeavailableintheyear2003.Thereareseveralcandidatelithographytechnologiesfor0.13Λmintegrated

circuitmanufacturing.However,itisnotclearyetwhichkindofthemi2crolithographywillbeused.Thisarticlereviewssomeoflithographytechnologiesincluding157nmopticallithography,X2raylithographyandscatteringwithangu2larlimitationprojectionelectronbeamlithography.Thepossibilityofthesetech2nologiesbeingusedfor0.13Λmintegratedcircuitmanufacturinghasbeendis2cussed.Keywords:lithography,X-raylithography;electronbeamlithography;inte-

第20卷　第3期2000年8月 固体电子学研究与进展RESEARCH&PROGRESSOFSSE Vol.20,No.3Aug,2000

© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.gratedcircuitEEACC:2550G

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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0.35Λm技术大批生产集成电路,0.25Λm集成电路设备的选型工作已经完成,将开始批量生产。0.18Λm

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0.18Λm的

集成电路之后,将发展0.13Λm的集成电路,其时间是2003年。但是从0.18Λm到0.13Λm

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0118Λm到0113Λm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0.13Λm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,0113Λm线宽集成电路的制造要采用其它光刻技术,X射线光刻、极紫外(Extreme

UltravioletEUV)光刻、离子投影(ILP)光刻、角度限制散射的投影电子束光刻(SCALPEL)等

都是制造0.13Λm集成电路所用光刻技术的有力候选者。也有人指出0113Λm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0113Λm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。

2　157nm

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0113Λm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0108Λm。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]。

282　固　体　电　子　学　研　究　与　进　展 20卷　© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.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1∶40,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157

nm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200～300pm之间,157nm激光器输出谱的宽度为17pm

左右。光谱的这种差别对设计投影

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100～190nm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0.4Λm厚的单层抗蚀剂,但是0.1～0.2Λm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0.08Λm特征尺寸的分辨率。激光的输出通过CaF

2

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100Λm。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0.3Λm厚聚乙烯酚作抗蚀剂。采用上述的工艺实现了0.08Λm

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]。

3　X2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色的工作,如美国的IBM、摩托罗拉,日本的富士、日立、三菱、NTT、NEC、东芝等。IBM使用XRL制造了64MbDRAM;三菱公司使用XRL制造1GbDRAM实验器件,栅长为0.14Λm;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0.24Λm;IBM公司制造了使用XRL制造的CMOS实验电路,

特征尺寸为0.1Λm。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0.13Λm集成电路制造中应用的潜力。