半導體光刻技術

半導體光刻技術，是一種關鍵的半導體設備。

基本介紹

• 中文名：半導體光刻技術
• 歷史：多半個世紀
• 片徑：300mm
• 解說：最為關鍵的半導體設備

發展歷程

從第一個電晶體問世算起，半導體技術的發展已有多半個世紀了，現在它仍保持著強勁的發展態勢，繼續遵循Moore定律即晶片集成度18個月翻一番，每三年器件尺寸縮小0.7倍的速度發展現在片徑已達300mm，DRAM半節距已達150nm，MPU柵長達100nm。大尺寸、細線寬、高精度、高效率、低成本的IC生產，對半導體設備帶來前所未有的挑戰。為此，世界上各半導體設備廠商，集中優勢力量，加大研發投資，進行攻關，搶占制高點，同時又加強聯合、兼併，做到優勢互補，力爭不失時機地為新一代技術提供大生產設備。本文就當前最為關鍵的半導體設備做一介紹。

矽片直徑

經濟利益的驅動是矽片直徑由200mm向300mm轉移的主要因素，300mm的出片率是200mm的2.5倍，單位生產成本降低30%左右。300mm工廠投資為15到30億美元，其中約75%用於設備投資，因此用戶要求設備能向下延伸3至4代。300mm片徑是從180nm技術節點切入的，這就要求設備在150 nm、130nm，甚至100nm仍可使用。

300mm要適合多代技術的需求，它面臨IC生產中的新工藝、新材料和新結構的挑戰。對邏輯IC來說，它涉及銅布線、低介電常數（k<3）和超低介電常數（k漏延伸區和抬高源/漏結構。對DRAM來說，它涉及儲存電容的新材料，如五氧化二鉭（Ta2o5）、鋇鍶鈦（BST）和鉑鋯鈦（PZT）等，新的電極材料如鉑、氮化鈦等，垂直疊層和高深/寬比溝槽電容，高深/寬比（>10：1）接觸等。此外，還有大面積刻蝕中的CD控制和選擇性，反應室中的微粒控制和金屬沾污，CMP的質量與成本，193nm曝光的精度、均勻性和效率，高精度、高效率的檢測等。

為了推進300mm的大生產，設備廠商在五年前就著手解決這方面問題，如Canon於1995年著手300mm曝光機，推出了EX3L和i5L步進機，於1997-1998年提供日本半導體超前邊緣技術（SELETE）集團使用，ASML公司的300mm步進掃描曝光機使用193nm波長，型號為FPA-5000，也於1999年提供給SELETE使用。現在Canon的第三代300mm曝光機的混合匹配曝光能力已達到<110nm。在刻蝕方面如英國Trikon公司採用的螺旋波電漿（MORI）源，在電磁場作用下控制電漿和改善均勻性，它能在300mm片內對氧化物介質均勻地刻25nm通孔，深/寬比達30：1。目前300mm片徑生產180nm、150nm、130nm的IC設備都已進入生產線，100nm的也開始提供。

300mm生產有約500道工序，以年產12.5萬片計算，片子約有500萬次交接，任何一次失效，將對工廠流水生產帶來極大影響。300mm片盒放25片重8公斤，價格15000美元，為減輕勞動、安全、無磨損、無沾污的傳送，現在普遍採用正面打開的統一標準箱（FOUP），FOUP的傳送採取計算機控制下的懸掛式空中傳送（UMHS），它既節省了超淨間面積，還可用於臨時存放片子，具有可操作性和可變換性的特點。

西門子公司和Motorola公司於1998年率先在德國德勒斯登建立300mm引導線，使用180nm技術生產存儲器，月產1500片。根據美國"固態雜誌"今年5月統計，已建成300mm的廠有四家；於今年開始建廠的有四家；2001年後開始建廠的有九家；另外已宣布建廠的有十一家。國際半導體技術發展路線（ITRS）曾設定：從1998年下半年開始，片徑將增加到300mm；到2001年或2002年300mm片徑的生產量將達到最大值。現在的發展正逼近這個目標。

300mm之後將是450mm，目前已處於研究階段，2003年前後進入開發階段，2009年進入生產階段；片徑675mm的研究預計在2006年開始研究。

光學曝光技術

曝光是晶片製造中最關鍵的製造工藝，由於光學曝光技術的不斷創新，它一再突破人們預期的光學曝光極限，使之成為當前曝光的主流技術。1997年美國GCA公司推出了第一台分步重複投影曝光機，被視為曝光技術的一大里程碑，1991年美國SVG公司又推出了步進掃描曝光機，它集分步投影曝光機的高解析度和掃描投影曝光機的大視場、高效率於一身，更適合<0.25μm線條的大生產曝光。

為了提高解析度，光學曝光機的波長不斷縮小，從436mm、365mm的近紫外（NUV）進入到246 mm、193mm的深紫外（DUV）。246nm的KrF準分子雷射，首先用於0.25μm的曝光，後來Nikon公司推出NSR-S204B，用KrF，使用變形照明（MBI）可做到0.15μm的曝光。ASML公司也推出PAS.5500/750E，用KrF，使用該公司的AERILALⅡ照明，可解決0.13μm曝光。但1999 ITRS建議，0.13μm曝光方案是用193nm或248nm+解析度提高技術（RET）；0.10μm曝光方案是用157nm、193nm+ RET、接近式X光曝光（PXL）或離子束投影曝光（IPL）。所謂RET是指採用移相掩模（PSM）、光學鄰近效應修正（OPC）等措施，進一步提高解析度。值得指出的是：現代曝光技術不僅要求高的解析度，而且要有工藝寬容度和經濟性，如在RET中採用交替型移相掩模（alt PSM）時，就要考慮到它的複雜、價格昂貴、製造困難、檢查、修正不易等因素。

人們出於對後光學技術可能難以勝任2008年的70nm，2011年的50nm擔心，正大力研發下一代（NGL）非光學曝光，並把157nmF2準分子雷射曝光作為填補後光學曝光和下一代非光學曝光間的間隙。

分子雷射曝光

改善了折反射光學系統的性能

波長為157nm的F2準分子雷射器的特點是頻寬很窄，Cymer公司的產品，其頻寬為0.6～0.7 pm，窄頻寬改善了折反射光學系統的性能。折反射光學系統的關鍵是分束器立方體，它使用CaF2材料，能有效地減少束程和系統的體積，大尺寸易碎的CaF2一直是157nm曝光的制約因素，現在SVGL已展出了12～15英寸的CaF2單晶錠，這為製造大數值孔徑的折反射分束器設計掃清了道路。同時對單層抗蝕劑和在輻照下透明、持久、可靠的掩模保護膜進行了研究，去年春SEMATECH在加州召開的157nm曝光研討會上，宣布這方面已取得了重大進展，現在美國的SVGL、ltratech和英國的Exilech公司都在研製整機，SVGL公司準備今年底出樣機，明年底出生產型設備。首台售價約1300萬美元。

比利時的微電子研究中心（IMEC）與ASML公司合作建立了157nm基地，這個基地於今年開始工作，計畫在2003年生產，它要求各種相關工藝配套，為70nm CMOS流片創造條件。此外，日本SELETE也在加緊工作。SEMATECH則購買Exitech公司的曝光機開展針對掩模光膠、膠的處理工藝、勻膠顯影軌道系統、膠的刻蝕性能和相關測量技術等方面的研究。

極紫外曝光　歐洲和日本諸公司正在研究

1997年由Intel、AMD、Micron、Motorola、SVGL、USAL、ASML組成極紫外有限公司（

EUVLLC）和在加州的三個國家實驗室參加，共同研發波長為13nm的極紫外（EUV）光刻機樣機，今年4月在加州Livermore的Sandia國家實驗室推出的樣機被視為光刻的一個重要里程碑。據國際半導體雜誌Aaron Hand介紹，光源是幾個研究單位聯合研製的；13nm的波長太短，幾乎所有材料都能吸收它，研製捕獲這種光的裝置十分困難；反射鏡光學表面為非球面，表面形貌及粗糙度小於一個原子；所有光學元件表面塗有達40層的多層反射層，每層厚約λ/4，控制在0.1埃精度；EUV光刻採取新的環境控制，來抑制沾污；短波長，無缺陷掩模製作難度極大；樣機採用nm級精度無摩擦的磁懸浮工作檯。據EUVLLC項目經理Chuck Gwyn介紹，樣機是第一步，下一步要研製生產機型為今後幾年的生產做準備。現在更多用戶表示要採用，並希望參與其中。在歐洲，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。

限角散射電子束投影曝光　被眾多廠家看好

限角散射電子束投影曝光（SCALPEL）是高亮度電子源，經磁透鏡聚焦產生電子束對掩模進行均勻照明，掩模是在低原子序數材料膜上覆蓋高原子序數材料層組成，圖形製作在高原子序數材料上。掩模是4倍放大，用格柵支撐。低原子序數的膜，電子散射弱，散射角度小，高原子序數的圖形層，電子散射強，散射角度大，在投影光學裝置的背焦面上有光闌，小散射角度電子通過光闌，在片子上形成縮小4倍的圖像，再經過工作檯步進實現大面積曝光。

SCALPEL的優點是：解析度高、焦深長、不需要鄰近效應校正，生產率高，它沒有EUV系統中昂貴的光學系統，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，故被眾多廠家看好，Lucent、Motorola、Samsung、TI、eLith、ASAT、ASML等公司都參與其中共同開發，並計畫在2002年推出<100nm大生產設備。但目前來看計畫有所延遲，有些參與者轉而看好PREVAIL。

縮小投影曝光

準備在2002年前後推出生產型設備

由IBM的Hans　Pfeiffer領導的電子束研究已有30年歷史，開發了變軸浸沒透鏡縮小投影曝光（PREVAIL）技術，Nikon公司看好這項技術，與IBM合作，準備用這項技術研製高解析度與高生產率統一的電子束步進機。在PREVAIL樣機上，電子轟擊鉭單晶形成電子束，在中間掩模上形成1mm2子場，經電子透鏡產生4∶1縮小圖像；在片子上形成250μm2圖形，電子束經曲線可變軸電子透鏡（CVAL）在掩模平面上可偏移±10mm，在片子上則為±2.5mm，而掩模和片子同時連續移動，形成整個電路圖形的曝光。在PREVAIL樣機上用75KV加速電壓，用700nm厚的光膠，做80nm間隔線條，束偏移±2.5mm，曝光結果證實：偏移束和不偏移束形成的圖像很少有差異，進一步證明了這種原理的可行性。Nikon的Kazuya Okamoto指出：現在光膠和掩模已不是主要問題，當前在致力於大的發射源、均勻的掩模照明和具有大子場、大偏移、對掩模熱負荷小的低畸變透鏡，這種電子束步進機將用於100nm曝光，並可延伸到50nm，產量>20片/時（300mm片），準備在2002年或2003年推出生產型設備。

電子束直寫

在SOC的開發中，更具靈活性

電子束（EB）具有波長短、解析度高、焦深長、易於控制和修改靈活的特點，廣泛套用於光學和非光學曝光的掩模製造。電子束直寫能在圓片上直接做圖，但其生產率很低，限制了使用，在下一代曝光（NGL）中，能否使EB的高分辨與高效率尋得統一，是EB開發商追求的目標。

美國矽谷的離子診斷（Ion Diagnostic）公司開發了微型電子束矩陣，可同時平行直寫，稱電子束曝光系統（MELS），它設計了201個電子光學柱，每柱32電子束，用於300mm片子的曝光。電子束的產生採用微細加工方法製造的場致發射冷陰極，每束供15nA，每柱供480nA。用三腔集成製造系統，生產率可達90片/時，MELS的目標是70nm高效曝光，並爭取延伸到35nm。

21世紀積體電路（IC）向系統集成（IS）方向發展，在系統集成晶片（SOC）的開發中，電子束直寫（EBDW）比其它方法更具靈活性，它可直接接受圖形數據成像，毋需複雜的掩模製作，因此前景十分誘人。日本東芝、Canon和Nikon已聯手進行研究高效的EBDW，美國IBM曾在這方面做過探索，也準備加入其中。

X光曝光　作為下一代曝光技術前景誘人

X光曝光（XRL）具有波長短、焦深長、生產率高、寬容度大、曝光視場大、無鄰近效應、對環境不敏感等特點，作為下一代曝光技術具有誘人的前景，近年來人們一直致力於X光光源和掩模的研究，使之成為有競爭力的下一代曝光設備。

日本1996年成立了超先進電子技術聯盟（ASET）對X光曝光進行研究。日本NTT公司研製了用於製造X光掩模的EBX3電子束曝光機。日本NEC則已做出100nm線寬的用於4GDRAM的X光掩模。在主機方面，Canon公司開發了第二代X光步進機XRA-1000，產量達60片/時，供ASET使用。在同步輻射源（SOR）方面，住友重工積累了多年經驗開發了Aurora-2s同步輻射裝置。在工藝研究方面，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提出對PXL進行延伸，不用0.8nm而用0.4nm波長，則線寬可到25或35nm，當用0.4nm波長時，掩模吸收層必須200nm厚，而掩模膜必須用金剛石，其厚度為0.8nm時的2至3倍。

在美國，XRL在麻省理工大學、威斯康星大學和路易斯安那州大學進行研發，佛蒙達州的SAL公司製造PXL設備。X光點光源由美國科學實驗室（SRL）、JMAR和ALFT三家研發，SRL有千瓦級的密集電漿X射線源（DPFX），SAL公司用DPEX源製造了XRS-2000曝光機，用於洛克希德-馬丁公司的Sanders生產線上，生產0.15μmGaAs的MMIC晶片，其掩模則由佛蒙達州的光掩模中心（MCDC）製作。

麻省理學院的Henry I.Smith認為：近年來美國對PXL有所忽視，而日本在ASET組織下繼續發展，取得了很大成果，假如日本用PXL製作100-25nm器件取得成功，那么，日本晶片製造商將在幾年內無對手，而器件製造方法也將隨之改變。

離子投影曝光　力爭儘快推出商業化設備

離子投影曝光（IPL）就是由氣體（氫或氦）離子源發出的離子通過多極靜電離子透鏡投照於掩模並將圖像縮小後聚焦於塗有抗蝕劑的片子上，進行曝光和步進重複操作。IPL具有解析度高而焦深長，數值孔徑小而視場大，衍射效應小，損傷小，產量高，而且對抗蝕劑厚度變化不敏感，工藝成本低等特點。

德國FhG　ISiT公司在IPL上用深紫外光膠，做出50nm的間隔線條，證實了這項技術用於曝光的可行性。歐洲套用微電子開發項目（MEDEA）從1997年開始，投資3600萬美元開發IPL，參加的單位有ASML、Leica、IMS公司等。目標是對300mm片子曝光，解析度<100nm，生產率為75片/時。

IPL是縮小曝光，需要4倍的矽膜鏤孔掩模，它面臨應力和入射離子造成的發熱。小的掩模變形，導致大的曝光尺寸誤差，為此採取了對膜進行摻雜，對膜增加保護層，設計了冷卻系統，並通過有限元分析改進了掩模框架的設定，避免氣流對掩模造成振動。從加州召開的研討會上看IPL已經克服了眾多技術難題，現在正在對離子光學柱、圖像鎖定系統進行攻關，力爭儘快推出商業化設備。參加IPL研製的Ehrmann認為：雖然SEMATECH看好EUV和EPL，但這並不意味IPL失去最後成功的機會。