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《国际半导体技术蓝图》(2005版)光刻部分简析

供稿人:卞志昕  供稿时间:2006-3-3   关键字:半导体  蓝图  光刻  
自20世纪6O年代以来,半导体技术取得了飞速的发展,到现在仍遵循着“摩尔定律”保持强劲的发展态势。“摩尔定律”是Intel公司创始人之一的Goldon Moore于1965年提出的,即每隔约18-24个月,单个芯片上晶体管数目将增加1倍。为了赶上迅速发展的半导体技术,欧洲、日本、韩国、台湾与美国半导体产业协会合作制订了《国际半导体技术蓝图》(ITRS),自2001年起,每隔一年就会有新版出现,而在双年时,则会对蓝图进行修订。
概述
《国际半导体技术蓝图》主要是由欧洲电子器件制造协会(European Electronic Component Manufacturers Association (EECA) )、欧洲半导体工业协会(European Semiconductor Industry Association (ESIA) )、日本电子和信息技术工业协会(Japan Electronics and Information Technology Industries Association (JEITA))、韩国半导体工业协会(Korea Semiconductor Industry Association (KSIA) )、台湾半导体工业协会(Taiwan Semiconductor Industry Association (TSIA))和半导体工业协会(Semiconductor Industry Association (SIA))合作完成。
 
在2005年底新版《国际半导体技术蓝图》的光刻一章中,蓝图将继续克服挑战、改进和扩展孵化光工程光刻技术,同时发展可替代的下一代光刻技术。
 
蓝图认为目前挑战存在于拓展193nm节点光刻技术及发展新型下一代可替代方法上。其中,拓展首先将在以下领域中有所进展:曝光设备、抗蚀材料和加工设备、制模及设备和材料、临界尺寸测试、覆盖控制和缺陷检测度量设备。而制造IC光刻的主要因素取决于临界尺寸(CD)控制、覆盖、缺陷控制和低成本。
 
同时,蓝图的延伸将仍然需要发展下一代光刻技术,例如EUV,无掩模(ML2)、压印光刻。因为下一代光刻将需要发展完全新的架构,因此,将其视为经济生产问题来进行也成为主要挑战之一。
挑战
                                                       表:光刻技术面临的挑战
≥32nm挑战
问题
满足精度增强和后光学掩模制备要求的光学掩模
登记,CD和掩模的缺陷控制
制造掩模的设备体系(写、检测、度量、清洁和修复)
理解掩模极化效应,通过掩模成像地形及优化掩模结构效应的理解来弥补这些效应
消除曝光时累计缺陷和模糊的形成
检测使用193nm辐射和发展方法制造的小于45nm节点图纹的优化掩模重要比率,例如缝合,弥补更小曝光领域的潜在利用
发展无掩模1×模板
成本控制和投资回报率(ROI)
随着时间推移,曝光相关设备的成本与总产量之比保持不变或有所改善
性价比高的精度增强光学掩模和后光学掩模,降低数据体积
曝光工具技术有足够长寿命
同时发展多项技术所需资源
小体积产品的投资回报率(ROI)
对450nm直径硅片的平台、覆盖系统和抗蚀涂层设备的发展
工艺控制
控制栅极CD小于4纳米(精度3σ)的工艺
新的改进的队列和覆盖控制方法,要求独立于光刻技术的选择,达到小于11纳米3σ的覆盖
控制由于度量引起的LER,CD改变,缺陷小于50nm
抗蚀仿真模型的大精度
OPC和OPC确认精度,尤其是在有极化效应情况下
曝光设备中闪光的控制和纠正,特别是对EUV光刻
光刻友好设计和对生产的设计
浸入式光刻
控制由于浸入环境引起的缺陷,包括气泡和污染
抗蚀剂与流体或面漆的相容性,以及面漆的发展
抗蚀剂的折射指数大于1.8
折射指数大于1.65的流体满足粘度、吸收和流体循环要求
折射指数大于1.65的透镜材料满足透镜设计的吸收和双折射要求
EUV光刻
低缺陷掩模空坯,包括缺陷检测小于30nm灵敏度,和空坯修复
中间聚焦的来源能量大于115W,通过增加转换率以及收集光和来源部件的足够寿命卡满足实用要求
抗蚀剂小于3nm 3σ LWR,小于10mJ/cm2灵敏度,小于40nm 1/2倾斜精度
制造小于0.10nm rms外形误差光,和小于10%内闪光
控制光学污染,使寿命大于5年
混合并与光刻相适合
(来源:ITRS 2005版)
 
变化
在之前2003年版本的光刻一章中,可能解决方案表中已有了一些显著的变化,例如把193纳米光刻(非浸入式)扩展到90纳米节点,一并撤消了离子投影光刻和近接X射线光刻。
 
2004年的修订版进一步发展了这个趋势,解决方案有了更显著的变化。一部分变化是由于光刻技术工作组为评价近期的可能解决方案定义了新标准。也就是“当前和今后两个节点的解决方案必须能够至少满足两个地区的领先要求,所有的基础设施包括抗蚀剂和掩模,必须按照节点的时间表来准备。”因此,近接电子光刻技术(PEL)被取消作为45纳米节点后的可能解决方案,电子束投影光刻技术(EPL)被完全取消,原因就是它们都只是作为一个地区的解决方案。在2005年版本中,已不出现这两种方式。
 
在2003年蓝图中增加的一个可能解决方案,浸入式光刻持续保持了快速的发展势头,并获得了产业界继续发展的信心。以前列出的可扩展到45纳米节点的193纳米浸入式光刻,在2005年版本中,已作为22纳米节点的解决方案。同时,157纳米光刻只有结合浸入式技术才有可能存在,而且是作为一种可能性较小的选择。
 
在挑战方面,更加强调了与浸入式光刻和EUV光刻有关的挑战。浸入式的挑战包括需要研发高折射率的抗蚀剂,高折射率的液体和高折射率的光学材料,这样才能把浸入式光刻发展到它的极限。EUV光刻的挑战在于延长光刻成品寿命及其检测技术。
 
此外,在工艺控制方面,针对覆盖控制方法,新版蓝图将原来小于19nm的覆盖进一步减小到小于11nm的覆盖。
 
另外,蓝图中指出蚀后小型MPU栅极长度要求对度量和过程控制也提出了重要挑战。在横切面描述中,蓝图将MPU栅极CD控制需求由±10%增加到±12%。抗蚀剂中由接触点到MPU栅极间的印刷图纹区别也同时增加。
 
由于集成电路生产也同时改进了设计规则,使印刷任务更灵活。蓝图中,在定义这些光刻友好设计规则时,明确了度量将起到关键角色。又因为线边缘和线宽粗糙度(LWR)效果在设备性能中的表现也正逐步增加,所以,需要改进度量工具以精确测试这些变化。高频率的线宽粗糙度会影响搀杂浓度外形,也会影响相互连接线的阻抗。
蓝图进程表
图:光刻技术潜在方案
(来源:ITRS 2005版)
 
由上图可以发现,蓝图已将解决方案集中在浸入式光刻、纳米压印、极紫外光刻(EUV)和ML2上,不过在控制临界尺寸上仍然是个棘手的问题,因此蓝图也特别关注创新技术的研究,期望在未来几年中,能有适合更小尺寸的新技术出现。
 
 
参考文献

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