第三章光刻工艺技术

第三章光刻工艺技术内容摘要：

表面进行宏观检查，然后送去刻蚀。 光刻技术的发展 在摩尔定律的推动下，半导体技术以每 23 年一个新技术代的速度向前发展，半导体产业的不断发展极大地依赖于光刻技术的发展。 以光学成像原理为指导，不断提高光刻分辨率，控制生产成本（ CoO），从而满足产业发展需求为目标，半导体光刻技术历经了巨大的发展。 从初期的 g 线（ 436nm）、 h 线（ 406nm）光刻机到 目前主流的 i 线（ 365nm）、KrF(248 nm)和 ArF(193nm)深紫外（ DUV）光源光刻机，光刻的特征尺寸也经历了从微米、亚微米到纳米的发展。 与此同时，很多分辨率增强技术 (RET)，如相移掩模（ PSM）、离轴照明（ OAI）技术应运而生。 各种良好的 模型 ，如光学临近修正（ OPC），能够提供 可预测性的工艺表现 ，在一定程度上提高了产品的合格率，减少了研发时间，降低了研发费用。 生产导向型设计（ DFM）也为光刻技术的发展提供了新的动力。 如 ArF(193nm)浸没式光刻作为实现 65nm 和 45nm技术的解决方案被 列入 2020 年 ITRS，从而突破了光学光刻的极限。 而 双重图形技术 作为一种 生产导向型 设计，可以在现有基础上使光刻设备的能力得以延伸，结合浸没式光刻或者使用高折射率液体和镜头材料，被认为是实现 45nm和 32nm技术的解决方案写入最新 2020 年 ITRS，如图。 图 2020 年 ITRS 光刻技术解决方案 下面介绍几种先进的光刻技术 及其相关技术 ： PSM 掩模 版 技术 PSM 全称 phaseshifting mask，即 相 移掩膜。 随着光刻技术已经达到光刻工艺的分辨率极限，分辨率增强技术（ RET）已经成为光刻工艺中必不可少的技术。 PSM 就是一种针对因衍射效应而导致光刻分辨率受限的 RET 技术，其原理是利用通过掩膜的相移层与未经相移层的光束间的相位差形成破坏性干涉，使电场振幅和向量 E 为 0，从而使光强度 I=0，即使两相邻图像得以解析。 实际上，各种类型的 PSM 技术都是利用相移材料来增加铬膜图案边界的空间图像对比度，最终改进光刻的分辨率。 如图 示，传统型掩膜中， 掩膜版 上的不透光区域尽管有铬膜遮蔽，但是由于周围区域的光线衍射效应，铬膜边界的图像对比度大大降低。 交变型相移掩膜 (alternating phaseshifting mask, AltPSM)主要是在铬膜图案间加入相移材料，使入射光产生 180 度的相差， 相位差不同的两束光，由于在两个开口处的中间点上互相抵消使光强度变为零，于是在晶圆上描绘出明确的两个图形 ，降低了衍射所引起的干涉效应，从而使铬膜图案边界的对比度提高。 交变型移相掩膜相比传统的掩膜提高了图形的分辨率和对比度，但同时也存在一些问题，如可能使 移 相掩膜的图形被定义在光刻胶上；另外， 移 相掩膜也可能影响光的强度和相位等；而且， 掩膜版 的制备至少需要两步图形步骤，因此也增加了对套准能力的要求。 与 AltPSM 原理相同，还有一种方法叫做无铬相位光刻 CPL（ chromelessphase Lithography），在 CPL 技术里， 掩膜版 上 并不是用铬膜遮蔽光线，而是让相位差不同的两束光相抵消，在实际效果上相当于铬膜遮蔽着光线透过 ，如图 示，该技术利用 0 度和 180 度相位的相互作用来定义图形。 Phase shifter a) 传统型掩膜 b) 交变型 c) 无铬膜型 图 a)传统型 b)交变型和 c)无铬膜型 相 移掩膜 对于孤立的图案或者接触孔，衰减型移相掩膜（ attenuated PSM）是一种比较理想的技术。 这种掩膜使用一 种 半色调（ halftone）的薄膜来取代传统掩膜上的不透明部分，其中半色 调薄膜的透光率不超过 10％，而且它的厚度正好可让光线产生 180 度相移。 部分光线通过衰减相移区域之后光强变弱并产生负的振幅，使得在原来图案的边缘处光强为 0，如此便提高了分辨率，如图。 当然，在改善成像质量的同时，这种相移方法也会有漏光问题。 此外，适用于孤立图形的掩膜还有线边型（ Rim shift）和外架型（ Outrigger）等等，图 列出了这两种掩膜的示意图。 线边型移相掩膜较适用于接触孔，这种掩膜需要关注的主要问题是相移边缘的尺寸以及 side lobe 的光强度等。 而外架型（ Outrigger）又称次解析（ subresolution）辅助缝型。 这种方法需要铬膜和相移层之间有精确的对准，而且要求相移层的边缘置于铬膜上方，由于辅助缝非常细，该方法不易实用化。 OPC 技术 随着光刻因子 k1 的不断降低，由光学临近效应（ Optical Proximity Effect, OPE）所导致的图形间的相互影响越趋明显，如孤立线和密集线之间线宽的偏差（ linewidth bias） 、线末端缩短（ lineend shortening）和 拐角圆滑 （ corner rounding）等表现，如图 所示。 光学临近效应（ OPE）主要是由于成像时透 镜系统对a) 衰减型 b) 线边型 c) 外架型 图 a)衰减型 b)线边型和 c)外架型移相掩膜 高级次衍射光有限的收集能力所导致。 由于临近效应的存在，如果 直接对设计图形进行光罩，硅片上形成的图形会与设计图形有很大的区别。 离轴照明 (OAI)和移相掩膜（ PSM）等技术的应用都各有侧重，如 PSM 技术主要是 针对直线 型 线条 /间距 以及接触孔 之类 等 简单 的规则 图形 ，而 OAI 在密集图形时比较有效。 对于以上光学临近效应所造成的线宽变 化，则需要 预先改变掩模 版 上的图形形状和尺寸， 通过 预 先 补偿线末段缩短、拐角圆滑，并修正边缘布局错误或特征参数偏差 等措施，使得这些改变正好能够补偿曝光系统所造成的临近效应，从而在硅片上得到最初想要的设计，这就是光学临近修正（ Op。