半导体光刻技术发展情况综述

半导体光刻技术发展情况综述

2007-04-27 21:52

从第一个晶体管问世算起，半导体技术的发展已有多半个世纪了，现在它仍保持着强劲的发展态势，继续遵循Moore定律即芯片集成度18个月翻一番，每三年器件尺寸缩小0.7倍的速度发展。现在片径已达300mm，DRAM半节距已达150nm，MPU栅长达100nm。大尺寸、细线宽、高精度、高效率、低成本的IC生产，对半导体设备带来前所未有的挑战。为此，世界上各半导体设备厂商，集中优势力量，加大研发投资，进行攻关，抢占制高点，同时又加强联合、兼并，做到优势互补，力争不失时机地为新一代技术提供大生产设备。本文就当前最为关键的半导体设备做一介绍。

一、硅片直径300mm要适合多代技术的需求

经济利益的驱动是硅片直径由200mm向300mm转移的主要因素，300mm 的出片率是200mm的2.5倍，单位生产成本降低30%左右。300mm工厂投资为15到30亿美元，其中约75%用于设备投资，因此用户要求设备能向下延伸3至4代。300mm片径是从180nm技术节点切入的，这就要求设备在150 nm、130nm，甚至100nm仍可使用。

300mm要适合多代技术的需求，它面临IC生产中的新工艺、新材料和新结构的挑战。对逻辑IC来说，它涉及铜布线、低介电常数（k＜3）和超低介电常数（k＜2.6）介质，低电阻率接触材料，低电阻率栅材料，薄栅和高k介质，浅源/漏延伸区和抬高源/漏结构。对DRAM来说，它涉及储存电容的新材料，如五氧化二钽（Ta2o5）、钡锶钛（BST）和铂锆钛（PZT）等，新的电极材料如铂、氮化钛等，垂直叠层和高深/宽比沟槽电容，高深/宽比（＞10：1）接触等。此外，还有大面积刻蚀中的CD控制和选择性，反应室中的微粒控制和金属沾污，CMP 的质量与成本，193nm曝光的精度、均匀性和效率，高精度、高效率的检测等。

为了推进300mm的大生产，设备厂商在几年前就着手解决这方面问题，如Canon于1995年着手300mm曝光机，推出了EX3L和i5L步进机，于1997-1998年提供日本半导体超前边缘技术（SELETE）集团使用，ASML公司的300mm 步进扫描曝光机使用193nm波长，型号为FPA-5000，也于1999年提供给SELETE 使用。现在Canon的第三代300mm曝光机的混合匹配曝光能力已达到＜110nm。在刻蚀方面如英国Trikon公司采用的螺旋波等离子体（MORI）源，在电磁场作用下控制等离子体和改善均匀性，它能在300mm片内对氧化物介质均匀地刻25nm通孔，深/宽比达30：1。目前300mm片径生产180nm、150nm、130nm的IC设备都已进入生产线，100nm的也开始提供。

300mm生产有约500道工序，以年产12.5万片计算，片子约有500万次交接，任何一次失效，将对工厂流水生产带来极大影响。300mm片盒放25片重8公斤，价格15000美元，为减轻劳动、安全、无磨损、无沾污的传送，现在普遍采用正面打开的统一标准箱（FOUP），FOUP的传送采取计算机控制下的悬挂式空中传送（UMHS），它既节省了超净间面积，还可用于临时存放片子，具有可操作性和可变换性的特点。

西门子公司和Motorola公司于1998年率先在德国德勒斯登建立300mm引导线，使用180nm技术生产存储器，月产1500片。根据美国“固态杂志”今年5月

统计，已建成300mm的厂有四家；于今年开始建厂的有四家；2001年后开始建厂的有九家；另外已宣布建厂的有十一家。国际半导体技术发展路线（ITRS）曾设定：从1998年下半年开始，片径将增加到300mm；到2001年或2002年300mm片径的生产量将达到最大值。现在的发展正逼近这个目标。

300mm之后将是450mm，目前已处于研究阶段，2003年前后进入开发阶段，2009年进入生产阶段；片径675mm的研究预计在2006年开始研究。

二、光学曝光当前曝光的主流技术

曝光是芯片制造中最关键的制造工艺，由于光学曝光技术的不断创新，它一再突破人们预期的光学曝光极限，使之成为当前曝光的主流技术。1997年美国GCA公司推出了第一台分步重复投影曝光机，被视为曝光技术的一大里程碑，1991年美国SVG公司又推出了步进扫描曝光机，它集分步投影曝光机的高分辨率和扫描投影曝光机的大视场、高效率于一身，更适合＜0.25μm线条的大生产曝光。

为了提高分辨率，光学曝光机的波长不断缩小，从436mm、365mm的近紫外（NUV）进入到246 mm、193mm的深紫外（DUV）。246nm的KrF准分子激光，首先用于0.25μm的曝光，后来Nikon公司推出NSR-S204B，用KrF，使用变形照明（MBI）可做到0.15μm的曝光。ASML公司也推出PAS.5500/750E，用KrF，使用该公司的AERILALⅡ照明，可解决0.13μm曝光。但1999 ITRS建议，0.13μm曝光方案是用193nm或248nm＋分辨率提高技术（RET）；0.10μm 曝光方案是用157nm、193nm＋RET、接近式X光曝光（PXL）或离子束投影曝光（IPL）。所谓RET是指采用移相掩模（PSM）、光学邻近效应修正（OPC）等措施，进一步提高分辨率。值得指出的是：现代曝光技术不仅要求高的分辨率，而且要有工艺宽容度和经济性，如在RET中采用交替型移相掩模（alt PSM）时，就要考虑到它的复杂、价格昂贵、制造困难、检查、修正不易等因素。

人们出于对后光学技术可能难以胜任2008年的70nm，2011年的50nm担心，正大力研发下一代（NGL）非光学曝光，并把157nmF2准分子激光曝光作为填补后光学曝光和下一代非光学曝光间的间隙。

三、F(2)准分子激光曝光改善了折反射光学系统的性能

波长为157nm的F2准分子激光器的特点是带宽很窄，Cymer公司的产品，其带宽为0.6～0.7 pm，窄带宽改善了折反射光学系统的性能。折反射光学系统的关键是分束器立方体，它使用CaF2材料，能有效地减少束程和系统的体积，大尺寸易碎的CaF2一直是157nm曝光的制约因素，现在SVGL已展出了12～15英寸的CaF2单晶锭，这为制造大数值孔径的折反射分束器设计扫清了道路。同时对单层抗蚀剂和在辐照下透明、持久、可靠的掩模保护膜进行了研究，SEMATECH在加州召开的157nm曝光研讨会上，宣布这方面已取得了重大进展，现在美国的SVGL、ltratech和英国的Exilech公司都在研制整机，SVGL公司准备今年底出样机，明年底出生产型设备。首台售价约1300万美元。

比利时的微电子研究中心（IMEC）与ASML公司合作建立了157nm基地，这个基地于已经开始工作，在2003年生产，它要求各种相关工艺配套，为70nm CMOS 流片创造条件。此外，日本SELETE也在加紧工作。SEMATECH则购买Exitech 公司的曝光机开展针对掩模光胶、胶的处理工艺、匀胶显影轨道系统、胶的刻蚀性能和相关测量技术等方面的研究。