同步辐射光刻技术研究进展
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核! ! 技! ! 术
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同步辐射光刻技术研究进展
陈大鹏! 叶甜春! 谢常青! 李! 兵! 董立军! 胥兴才! 赵! 莉! 韩敬东
（ 中国科学院微电子中心! 北京! $%%%$% ）
此，自 )+,* 年出现第一只 $%&’( 至今， 其发展迅速， 应用需求大，而栅长也不断缩短。栅长 的缩短， 提高了器件性能。但同时也带来一些负面影响： 一方面栅长变小造成栅电阻增大， 从 而影响器件频率和跨导的进一步改善。另一方面从器件可靠性方面考虑， 栅长变小有可能出 现栅线条烧毁断条的现象。因此必需克服这些负面影响， 为此人们多制作 ( 型结构的栅即 ( 型栅。而 ! 射线光刻由于自身特点在 ( 型栅制作工艺中独具优势。图 - 是我们采用同步辐 射光刻技术结合我们独创的多层胶处理技术获得的纳米图形和 ( 型结构， 通过光刻工艺控 制， 利用 ./"0 光刻束线获得了 -*12 线宽图形及 3-*12 的 ( 型栅结构。
GH 结论
! 射线光刻技术作为下一代光刻技术的后选者之一， 具有分辨率高， 工艺宽容度大等特 点， 就其技术的发展成熟成度而言， 也领先于其它后光学光刻技术， 其在化合物半导体电路制 造领域和微纳米加工技术领域中的应用具有无可比拟的优势。我国的 ! 射线光刻技术研究 在国家攻关、 国防预研、 攀登计划等项目的支持下， 经过十多年的研究积累， 已经开始突破单项 技术研究阶段而正在形成体系， 技术水平已有了长足的进步。已经建立起一套较为完整的研 究与技术开发体系， 并初步具备了为毫米波元器件研制工作及相关的 ’&’/ 技术和微纳米加 工提供 *I ) —*I G !2 光刻技术支持的能力。 参H 考H 文H 献
图 ’" @ 射线光刻掩膜 #$%& ’ @ 6 758 1/:A3B75=A8 <59C
图 (" @ 射线光刻的应用 #$%& ( D==1/25:/34 3? @ 6 758 1/:A3B75=A8
EF @ 射线光刻基础工艺
深亚微米尺寸的光刻图形形成工艺和线宽的控制技术是 @ 射线曝光技术中的基础工艺， 也是该技术实用化的基础。它涉及光源、 掩模、 抗蚀剂以及曝光装置的对准、 套刻精度等多种 因素。 @#G万方数据 由于使用极短波长的 @ 射线，基本避免了衍射效应带来的线宽限制，因而光刻分辨
光刻技术一直是集成电路制造的核心技术， 同时也是推动集成电路制造业不断向前发展
［ $］ 的关键技术。光刻技术发展的目标是使集成电路的特征线宽不断减小 ： 特征线条尺寸的缩
小提高了晶体管的开关速度， 增强了封装 （ 集成） 密度， 同时也减少了功耗， 提高了可靠性。当 电路图形的最小尺寸缩小到 %) $@ !C 以下时， 传统的光学光刻技术就会遇到分辨率以及焦深 限制所造成的难以克服的障碍， 因此研究人员致力于开发下一代光刻技术 （ *D- ） 。各研究单 位直指 $%%EC 及以下水平的下一代光刻技术， 目前具有应用前景的包括： 电子束直写光刻技 术 （ .FGH） 、 电子束投影光刻技术 （ 5,/-I.- ） 、 极紫外线即软 A 射线投影光刻技术 （ .+&- ） 、 离子投影光刻技术 （ 3I-） 、 接近式 A 射线光刻技术 （ A0-） 等。 在上述的几种下一代光刻技术中， A0- 能同时实现分辨率高、 焦深大、 衬底无反射， 这使 其在高频高速化合物半导体电路制造中独具优势， 如在 DJ/K 器件中需要使用剥离工艺的 1 型栅制作； 而且， A0- 效率高、 工艺宽容度大， 能够很好地兼容从 %) $ —%) # !C 的 DJ/K 器件制 造工艺， 满足 DJ/K 电路的生产需求； 另外， 使用混合匹配 （ LMNOLJ87P ） 光学光刻方法， A0- 光 刻能被很容易集成到现有的器件制造工艺中。因此， 近年来， 以 DJ/K 电路生产应用为目标的 A0- 实用化技术研发成为一个引人注目的趋势， 同时， A0- 在纳米加工、 L.L5 制造中也被人 们普遍看好。
图 !" ! 射线光刻纳米线条和 ( 型栅结构 #$%& ! 4516 7 891: 51; < (< =5>: ?5@A9B5>:; C9>D ! 7 A5E 89>D6=A5FDE
此外，微细图形加工时，曝光剂量的选取、 图形线宽与反差的控制、 工艺宽容度、 图形转 换工艺的选择等都将对图形的质量有重要影响，需要实验研究解决。
万方数据 I 半导体学报， 3**) ， ** （ )3 ） ： )-3+ —)-GG -H 陈大鹏，叶甜春，李兵，等
E 第 A@ 期
陈大鹏等： 同步辐射光刻技术研究进展
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彭良强! 伊福庭! 韩! 勇! 张菊芳
（ 中国科学院高能物理研究所! 北京! $%%%@< ）
摘要! 光刻技术是推动集成电路制造业不断向前发展的关键技术， A 射线光刻技术是下一代光刻 技术的一种， 具有产业化的应用前景。掩模技术是 A 射线光刻技术的难点， 本文报告了国内利用 同步辐射源的 A 射线掩模和光刻技术研究的最新进展。 关键词! 光刻，A 射线光刻，下一代光刻，掩模 中图分类号! 1*B%#
作为同步辐射 ! 射线光刻用的掩模， 其基本要求是：! 掩模衬基不仅要具有对 ! 射线和 可见光的良好透过性，而且还要具有高的杨氏模量， 以保证足够的强度及机械稳定性，不易 破碎， 应力低， 掩模的形变小。吸收体应具有高的 ! 射线吸收系数和足够的厚度，以确保良好 的曝光掩蔽性能。"具有深亚微米尺度的吸收体图形应有足够高宽比以保证掩模的高分辨率 和反差 （ 一般大于 45 ） 的要求。#低缺陷或无缺陷。$有高的掩模尺寸的精度和稳定性。 目前国际上研究应用的薄膜衬基材料主要有多晶硅、 氮化硅、 碳化硅等。 但 ".6 ! 膜在制备过程中会产生非常大的张应力， 且张应 其中 ".6 ! 膜是最常用的掩模材料，
F 第 IJ 期
陈大鹏等： 同步辐射光刻技术研究进展
ห้องสมุดไป่ตู้
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刻掩模。我们采用该掩模制造技术， 利用 !"#$ 提供的同步辐射光源， 研制成功截止频率在 %&’() 的 *(+,- 单管和电路， 如图 . 所示。
图 !" 含纳米硅镶嵌结构的 "/0 ! 膜 #$%& ! "/1/234 4543 6 2789:51 ;<=;>>;> /4 "/0 ! ?/1<
［ 7］ 力随膜厚的增加增长很快 ， 一般认为采用低压化学气相沉积 （ 89:;<） 很难得到 =55>& 以上 ［ =］ 超过 =55>& 就会龟裂、 脱落 ， 极难得到大面积的无支撑膜材料， 已往的研究表明： 的 ".6 ! 膜，
通过适当的工艺控制， 9?:;< 有可能获得较低应力的 ".6 ! 膜 （ 45 @ 9+ ） ， 而 89:;< 的应力则高
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［ D］ 上百纳米不等， 对膜的内应力及相关力学性能有很大的影响 。图 7 （ F） 中所示照片是我们研
制的纳米硅镶嵌富硅型 ".6 ! 膜的透射电镜照片， 具备该种微观结构的 ".6 ! 膜能大大降低常规 89:;< 方法制备的 ".= 6C 膜的内应力，提高背腐蚀开窗的成膜率，该膜具有低应力高强度透 光率高的特点， 已成功的大量应用于制造 G2H+ 毫米波电路用 ! 射线光刻掩模。 吸收体材料除广泛使用的金之外，还有钨、 钽、 钨 ) 钛等，吸收体层常采用常规的蒸发、 射频溅射或电镀等方法形成。深亚微米 ! 射线吸收体图形的加工，一般由电子束扫描光刻和 干法刻蚀， 精细电镀等图形转换技术来实现。材料的选择和工艺的优化，将会提高 ! 射线掩 模的质量。 图 = 万方数据 是在纳米硅镶嵌富硅型 ".6 ! 膜基础上研制的用于制造 G2H+ 毫米波电路的 ! 射线光
第一作者： 陈大鹏， 男， $<=> 年 $% 月出生， $<<> 年于中国科学技术大学获博士学位， 副研， 研究方向为材料及微细加工 技术 收稿日期： "%%" ? %> ? $% 万方数据
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核I I 技I I 术
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图 !" ! 射线光刻掩模结构图 #$%& ! "#$%&% ’( ! ) *+, -./$’0*+1$, &+23
［ C］ 的多 45 A —45 B 9+ ， 对于许多需要应用 ".6 ! 膜厚超过 =55>& 的场合来说， 如何通过控制 ".6 !
膜的生长工艺过程， 降低 ".6 ! 膜在生长过程中产生的应力，以获得大面积的无支撑膜材料， 就成了 ".6 ! 膜制备中的主要问题。 分析了富硅型 我们利用不同条件下生长的 ".6 ! 膜的应力测试结果和透射电镜观测结果， 对富硅型 ".6 ! 膜的 89:;< 生长工艺进行 ".6 ! 膜的微观结构及其膜内应力之间的相互影响， 优化， 大大降低了膜的张应力， 无支撑成膜面积可达 D5&& E D5&&。进一步的研究发现， 膜内 部存在一种尺度在纳米级的微观结构， 正是该类微观结构影响着 ".6 ! 膜的宏观力学性能； 并 该镶嵌 首次确认在高温 89:;< 条件下所制备的 ".6 ! 膜为含纳米相硅颗粒的镶嵌型复合膜， 微结构存在部分晶化， 能谱分析证明其主要成分为硅， 尺寸分布视生长条件不同从十数纳米到
$! A 射线光刻技术的核心— — —掩模技术
掩模制造技术几乎是所有后光学光刻技术的核心技术， 同时也是 A 射线光刻开发中最为 困难的部分。A 射线光刻掩模一般是由低原子序数的薄膜和附着在薄膜上的 A 射线吸收体 材料组成，薄膜厚 " !C 左右。有大面积曝光场区的透明薄膜衬基的制备和高精度、 高密度的 深亚微米 A 射线吸收体图形的制作是 A 射线掩模制作技术的难点。 图 $ 为 A 射线光刻掩模结构图。
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核H H 技H H 术
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率高，容易实现纳米级光刻。 另外 !"# 穿透力强， 焦深大，光刻时， 易于获得剖面陡直的线条，使其在应用剥离工艺的 高频高 速 半 导 体 器 件，如 赝 质 结 高 电 子 迁 移 率 晶 体 管 $%&’( 的 制 造 中 独 具 优 势，由 于
［ )* ］ $%&’( 导电电子和电离杂质在空间上分离， 所以其频率特性和噪声特性都大为改善 。因
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! 射线光刻技术作为下一代光刻技术的后选者之一， 具有分辨率高， 工艺宽容度大等特 点， 就其技术的发展成熟成度而言， 也领先于其它后光学光刻技术， 其在化合物半导体电路制 造领域和微纳米加工技术领域中的应用具有无可比拟的优势。我国的 ! 射线光刻技术研究 在国家攻关、 国防预研、 攀登计划等项目的支持下， 经过十多年的研究积累， 已经开始突破单项 技术研究阶段而正在形成体系， 技术水平已有了长足的进步。已经建立起一套较为完整的研 究与技术开发体系， 并初步具备了为毫米波元器件研制工作及相关的 ’&’/ 技术和微纳米加 工提供 *I ) —*I G !2 光刻技术支持的能力。 参H 考H 文H 献
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深亚微米尺寸的光刻图形形成工艺和线宽的控制技术是 @ 射线曝光技术中的基础工艺， 也是该技术实用化的基础。它涉及光源、 掩模、 抗蚀剂以及曝光装置的对准、 套刻精度等多种 因素。 @#G万方数据 由于使用极短波长的 @ 射线，基本避免了衍射效应带来的线宽限制，因而光刻分辨
光刻技术一直是集成电路制造的核心技术， 同时也是推动集成电路制造业不断向前发展
［ $］ 的关键技术。光刻技术发展的目标是使集成电路的特征线宽不断减小 ： 特征线条尺寸的缩
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陈大鹏等： 同步辐射光刻技术研究进展
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掩模制造技术几乎是所有后光学光刻技术的核心技术， 同时也是 A 射线光刻开发中最为 困难的部分。A 射线光刻掩模一般是由低原子序数的薄膜和附着在薄膜上的 A 射线吸收体 材料组成，薄膜厚 " !C 左右。有大面积曝光场区的透明薄膜衬基的制备和高精度、 高密度的 深亚微米 A 射线吸收体图形的制作是 A 射线掩模制作技术的难点。 图 $ 为 A 射线光刻掩模结构图。
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率高，容易实现纳米级光刻。 另外 !"# 穿透力强， 焦深大，光刻时， 易于获得剖面陡直的线条，使其在应用剥离工艺的 高频高 速 半 导 体 器 件，如 赝 质 结 高 电 子 迁 移 率 晶 体 管 $%&’( 的 制 造 中 独 具 优 势，由 于
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