光刻是平面型晶体管和集成电路生产中的一个主要工艺。是对半导体晶片表面的掩蔽物(如二氧化硅)进行开孔,以便进行杂质的定域扩散的一种加工技术。光刻技术是指在光照作用下,借助光致抗蚀剂(又名光刻胶)将掩膜版上的图形转移到基片上的技术。其主要过程为:首先紫外光通过掩膜版照射到附有一层光刻胶薄膜的基片表面,引起曝光区域的光刻胶发生化学反应;再通过显影技术溶解去除曝光区域或未曝光区域的光刻胶(前者称正性光刻胶,后者称负性光刻胶),使掩膜版上的图形被复制到光刻胶薄膜上;最后利用刻蚀技术将图形转移到基片上。
两种工艺
常规光刻技术是采用波长为2000~4500埃的紫外光作为图像信息载体,以光致抗蚀剂为中间(图像记录)媒介实现图形的变换、转移和处理,最终把图像信息传递到晶片(主要指硅片)或介质层上的一种工艺。在广义上,它包括光复印和刻蚀工艺两个主要方面。
①光复印工艺:经曝光系统将预制在掩模版上的器件或电路图形按所要求的位置,精确传递到预涂在晶片表面或介质层上的光致抗蚀剂薄层上。
②刻蚀工艺:利用化学或物理方法,将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去,从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。集成电路各功能层是立体重叠的,因而光刻工艺总是多次反复进行。
基本步骤
1.气相成底模
2.旋转烘胶
3.软烘
4.对准和曝光
5.曝光后烘焙(PEB)
6.显影
7.坚膜烘焙
8.显影检查
准分子光刻技术
准分子光刻技术作为当前主流的光刻技术,主要包括:特征尺寸为0.1μm的248nmKrF准分子激光技术;特征尺寸为90nm的193nmArF准分子激光技术;特征尺寸为65nm的193nmArF浸没式技术(Immersion,193i)。其中193nm浸没式光刻技术是所有光刻技术中最为长寿且最富有竞争力的,也是如何进一步发挥其潜力的研究热点。
传统光刻技术光刻胶与曝光镜头之间的介质是空气,而浸没式技术则是将空气 换成液体介质。实际上,由于液体介质的折射率相比空气介质更接近曝光透镜镜片材料的折射率,等效地加大了透镜口径尺寸与数值孔径(NA),同时可以显 著提高焦深(DOF)和曝光工艺的宽容度(EL),浸没式光刻技术正是利 用 这 个原理来提高其分辨率。
世界三大光刻机生产商ASML,Nikon和Cannon的第一代浸没式光刻机样机都 是在原有193nm干式光刻机的基础上改进研制而成,大大降低了研发成本和风险。因为浸没式光刻系统的原理清晰而且配合现有的光刻技术变动不大,193nm ArF准分子激光光刻技术在65nm以下节点半导体量产中已经广泛应用;ArF浸没式光刻技术在45nm节点上是大生产的主流技术。
为把193i技术进一步推进到32和22nm的技术节点上,光刻专家一直在寻找新的技术,在没有更好的新光刻技术出现前,两次曝光技术(或者叫两次成型技术,DPT)成为人们关注的热点。ArF浸没式两次曝光技术已被业界认为是32nm节点最具竞争力的技术;在更低的22nm节点甚至16nm节点技术中,浸没式光刻技术也具有相当大的优势。
浸没式光刻技术所面临的挑战主要有:如何解决曝光中产生的气泡和污染等缺陷的问题;研发和水具有良好的兼容性且折射率大于1.8的光刻胶的问题;研发折射率较大的光学镜头材料和浸没液体材料;以及有效数值孔径NA值的拓展等问题。
针对这些难题挑战,国内外学者以及ASML,Nikon和IBM等公司已 经 做 了 相关研究并提出相应的对策。浸没式光刻机将朝着更高数值孔径发展,以满足更小光刻线宽的要求。
极紫外光刻技术
提高光刻技术分辨率的传统方法是增大镜头的NA或缩短波长,通常首先采用的 方法是缩短波长。早在80年代,极紫外光刻技术就已经开始理论的研究和初步的实验,该技术的光源是波长为11~14nm的极端远紫外光,其原理主要是利用曝光光源极短的波长达到提高光刻技术分辨率的目的。
由于所有的光学材料对该波长的光有强烈的吸收,所以只能采取反射式的光路。EUV系统主要由四部分组成,即反射式投影曝光系统、反射式光刻掩模版、极紫外光源系统和能用于极紫外的光刻涂层。
其主要成像原理是光波波长为10~14nm的极端远紫外光波经过周期性多层膜反射镜投射到反射式掩模版上,通过反射式掩模版反射出的极紫外光波再通过由多面反射镜组成的缩小投影系统,将反射式掩模版上的集成电路几何图形投影成像到硅片表面的光刻胶中,形成集成电路制造所需要的光刻图形。
目前EUV技术采用的曝光波长为13.5nm,由于其具有如此短的波长,所有光刻中不需要再使用光学邻近效应校正(OPC)技术,因而它可以把光刻技术扩展到32nm以下技术节点。
2009年9月Intel第一次向世人展示了22nm工艺晶圆,称继续使用193nm浸没式光刻技术,并规划与EUV及EBL曝光技术相配合,使193nm浸没式光刻技术延伸到15和11nm工艺节点。
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