32nm工藝技術(shù)

1、32nm工藝技術(shù)32nm工藝有哪些引人關(guān)注的工藝？193nm 浸沒式光刻雙重圖形高k電介質(zhì)/金屬柵極超低k電介質(zhì)氣隙技術(shù)高k SOI 等技術(shù)。1.193nm浸沒式光刻浸沒式光刻技術(shù)需要在光刻機投影物鏡最后一個透鏡的下表面與硅片上的光刻膠之間充滿高折射率的液體，如圖所示。傳統(tǒng)光刻和浸沒式光刻的對比示意圖1.193nm浸沒式光刻1.1原理 1.193nm浸沒式光刻1.2浸沒式光刻帶來的主要問題及對策浸沒液體液體浸沒方式大數(shù)值孔徑投影物鏡的設(shè)計偏振光照明液體溫度變化帶來的影響氣泡的消除光刻膠與污染1.2.1浸沒液體（積淀、氣泡、光吸收）當(dāng)今高精度的浸沒式步進掃描投影光刻機對浸沒液體的選擇相當(dāng)苛刻，高

2、折射率和高透射系數(shù)是最基本的要求。一般地，使用水作為193nm光刻的浸沒液體。在曝光過程中，由于水中溶解的物質(zhì)有可能沉積到投影物鏡最后一個透鏡的下表面或者光刻膠上，引起成像缺陷，而水中溶解的氣體也有可能形成氣泡，使光線發(fā)生散射和折射。因此，目前業(yè)界普遍使用價格便宜、簡單易得的去離子和去氣體的純水作為第一代浸沒式光刻機的浸沒液體。 在大多數(shù)波段水的折射率為1.33左右，而在193nm 附近，水的折射率高達(dá)1.437。水在193nm波段的吸收系數(shù)很低，僅為0.035/cm。光刻機的生產(chǎn)率與照明光的透射率成正比，因此為了減小水對光的吸收，水層的厚度不能太大。 另外，還要考慮水層的厚度對掃描速度的影響

3、。在500mm/s 的掃描速度下，水層的厚度應(yīng)該控制在12mm。1.2.2液體浸沒方式(局部浸沒法)浸沒式光刻系統(tǒng)需要在投影物鏡最后一個透鏡的下表面與硅片上的光刻膠之間保持穩(wěn)定的液體流動。液體的流動使得液體均勻化，使液體保持清潔，防止污染物沉積。主要有三種液體浸沒方法：硅片浸沒法工件臺浸沒法局部浸沒法*目前業(yè)界多采用局部浸沒法。 硅片浸沒法示意圖 工件臺浸沒法示意圖 局部浸沒法示意圖 局部浸沒法可以解決硅片浸沒法和工件臺浸沒法存在的一些問題。局部浸沒法中投影物鏡是固定的，最后一個透鏡的下表面始終浸沒在液體中。在步進掃描過程中，硅片的不同部位浸沒在液體中。 在硅片的一側(cè)設(shè)置一個噴嘴，將液體注入到

4、鏡頭下面，在另一側(cè)設(shè)置一個吸嘴將液體吸回，形成液體的流動。這種結(jié)構(gòu)也被稱為噴淋結(jié)構(gòu)。局部浸沒法局部浸沒法的優(yōu)點：1) 工件臺本質(zhì)上與干式系統(tǒng)相同，這樣將節(jié)省研發(fā)成本和 時間； 2) 可以保留干式光刻系統(tǒng)的對準(zhǔn)系統(tǒng)和調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)； 3) 注入的液體容量比較小，可以快速注滿和排空，保持了 較高的生產(chǎn)率。局部浸沒法的缺點： 在對硅片邊緣部分進行曝光時，硅片邊緣的液體容易發(fā)生泄漏，從而導(dǎo)致邊緣曝光場的成像質(zhì)量較差。因此，采取局部浸沒法設(shè)計方案時，應(yīng)當(dāng)采取有效的液體防泄漏措施。1.2.3 大數(shù)值孔徑投影物鏡的設(shè)計（折反式投影物鏡） 提高浸沒式光刻機分辨率的關(guān)鍵是增大投影物鏡的數(shù)值孔徑。隨著光刻分辨率和套

5、刻精度的提高，投影物鏡的像差和雜散光對成像質(zhì)量的影響越來越突出。因此，需要在嚴(yán)格控制像差和雜散光的前提下，設(shè)計大數(shù)值孔徑的浸沒式光刻投影物鏡。 傳統(tǒng)的干式光刻機投影物鏡 Nikon 公司設(shè)計的折反式投影物鏡(a)多軸設(shè)計方案(b)單軸設(shè)計方案 單軸設(shè)計方案結(jié)合了全折射式物鏡和折反式物鏡的優(yōu)點，在具有較好機械穩(wěn)定性的同時，可以獲得更大的數(shù)值孔徑。 為了使數(shù)值孔徑達(dá)到1.3 甚至更高，就要使用非球面反射鏡。非球面反射鏡除了會帶來更多的局部雜散光以外，它在高產(chǎn)率生產(chǎn)過程中會受到不均勻加熱，進而影響成像質(zhì)量。折反式投影物鏡1.2.4.偏振光照明(無損偏振光照明系統(tǒng)) 隨著浸沒技術(shù)的引入，光刻機投影物鏡

6、的數(shù)值孔徑越來越大。考慮大數(shù)值孔徑光刻系統(tǒng)的成像質(zhì)量問題時，照明光的偏振態(tài)已不可忽視。在光刻機照明系統(tǒng)中，照明光經(jīng)過掩模發(fā)生衍射，掩模像是由其中的零級衍射光和一級衍射光在硅片表面發(fā)生干涉形成的。 隨著投影物鏡數(shù)值孔徑的增大，入射光線之間夾角變大，振動方向之間的夾角也隨之增大，造成成像對比度的下降。因此，在大數(shù)值孔徑光刻系統(tǒng)中，應(yīng)該使用成像對比度較高的s偏振光照明。高數(shù)值孔徑下s 偏振光和p 偏振光的成像對比度 激光器輸出的光一般是線偏振光，然而光刻機照明系統(tǒng)中光學(xué)材料的本征雙折射和應(yīng)力雙折射會使光的偏振態(tài)發(fā)生變化，光學(xué)薄膜的偏振特性以及光在界面的反射和折射也會影響光的偏振態(tài)。因此為了實現(xiàn)偏振光

7、照明，需要對整個照明系統(tǒng)進行偏振控制。簡單地在光路中插入偏振器件，會損失大量的激光能量，意味著光刻機生產(chǎn)率的下降。如果通過提高激光器的輸出功率補償光能損失，會使激光器和照明光路元件的壽命下降。 Nikon 公司的無損偏振光照明系統(tǒng)框圖1.2.5.液體溫度變化帶來的影響(熱量累積效應(yīng))浸沒式光刻機在工作過程中，光刻膠、BARC (bottom anti -reflective coating)、硅片都會吸收照明光的能量，并把熱傳導(dǎo)給水，使水的溫度升高。而水本身也會吸收照明光的能量而引起溫度升高。水溫的變化將引起折射率的改變。如果水溫變化不均勻，會導(dǎo)致像面聚焦偏移和球差的改變。在曝光系統(tǒng)中，焦面的

8、偏移可由調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)校正，然而局部的溫度起伏將引起局部的成像質(zhì)量惡化。保持浸沒區(qū)域的水循環(huán)流動是解決水溫變化的有效方法。1.2.6.氣泡的消除(曝光缺陷)氣泡是浸沒式光刻技術(shù)面臨的又一難題。氣泡形成的原因有：1) 溫度和氣壓變化使水中氣體的溶解度降低，原來溶解在水中的部分氣體釋放出來形成氣泡；2) 水的流動帶入周圍的氣體形成氣泡；3)光刻膠釋放出的氣體形成氣泡。不同尺寸的氣泡對光刻機光學(xué)性能的影響是不同的.在設(shè)計液體浸沒系統(tǒng)時，要對噴嘴結(jié)構(gòu)進行改良設(shè)計，防止發(fā)生飛濺，阻止氣泡的帶入。1.2.7光刻膠與污染(污染沉積)在浸沒式光刻系統(tǒng)中，光刻膠與水長時間接觸，人們擔(dān)心光刻膠溶入水中，導(dǎo)致水的污染

9、。污染物可能沉積在透鏡的下表面，水也有可能滲透到光刻膠中，影響到光刻膠的顯影特性。研究發(fā)現(xiàn)，水中溶入光刻膠物質(zhì)后，激光的透射率基本不變。在透鏡下表面未經(jīng)激光照射的區(qū)域發(fā)現(xiàn)了污染沉積，這些沉積物質(zhì)又演變?yōu)槲⒘?，影響光刻成像質(zhì)量。為了解決浸沒式光刻機的污染問題，通常保持純水一定速度的流動更新，降低溶解物質(zhì)的濃度。除此之外，在浸沒式光刻機的周期性維護過程中，應(yīng)該對浸沒區(qū)域進行徹底的清洗。返回2.雙重圖形事實上，大概在130nm節(jié)點就已經(jīng)開始采用兩塊掩膜版制作單層圖形了，只是當(dāng)時一般被稱為補償式相移掩膜技術(shù)（Complementary PSM）。它的原理是將一套高密度的電路圖形分解成兩套分立的、密度低

10、一些的圖形，然后將它們印制到目標(biāo)晶圓上?；静襟E是先印制一半的圖形，顯影后重新旋涂一層光刻膠，再印制另一半的圖形，最后利用硬掩膜或選擇性刻蝕來完成整個光刻過程。主要有兩大優(yōu)勢：提高光學(xué)臨近修正的表現(xiàn)，將一次曝光分二次實現(xiàn)，一次曝光橫向線條，另一次曝光縱向線條，線條末端收縮問題可得到明顯改善；在某種程度上節(jié)省成本，因為二次成像技術(shù)中掩膜版的制造難度會下降很多 就目前的發(fā)展來看，實現(xiàn)雙重圖形的方法大致分為三類：自對準(zhǔn)雙重圖形、二次刻蝕雙重圖形和單刻蝕雙重圖形，如下圖。2.1自對準(zhǔn)型雙重曝光（SADP）目前它還擁有多個不同名字，如側(cè)壁間隔層轉(zhuǎn)印圖形化技術(shù)（sidewall spacer transf

11、er patterning techniques）、節(jié)距降低（pitch reduction）、間隔層掩膜圖形化（spacer mask patterning）或者SA雙重圖形1-3等。它的優(yōu)勢是易于控制套準(zhǔn)精度和線寬尺寸，但是需要花費更多的掩膜版來確定側(cè)壁，以及需要更為復(fù)雜的圖形布局拆分算法。目前Applied Materials和Lam Research兩家公司都提供自對準(zhǔn)型雙重圖形技術(shù)解決方案。SADP有能力實現(xiàn)擁有優(yōu)異線寬和節(jié)距控制效果的高密度平行線條。對于任意給定的可以用光刻方法定義的線條，可以在每個側(cè)邊使用間隔層，當(dāng)去除最初的模板材料后，就能有效實現(xiàn)線條密度的加倍（圖2）。根據(jù)具體

12、工藝流程，可以使用間隔層在正膠模式下定義線條或者在負(fù)膠模式下定義槽結(jié)構(gòu)。2.2 二次刻蝕雙重圖形法與單次刻蝕雙重圖形法第二種實現(xiàn)雙重圖形的辦法是二次刻蝕雙重圖形法（DEDP）。DEDP采用曝光-刻蝕-曝光-刻蝕的雙重圖形方法，需要將32nm的設(shè)計分解為兩組64nm的設(shè)計，而64nm通過目前最先進的單次曝光技術(shù)就可以實現(xiàn)。分解設(shè)計的原理是將兩組亞設(shè)計相重疊，這樣就可以重構(gòu)出初始的設(shè)計。兩組設(shè)計重疊的圖形化可以通過LELE的順序?qū)崿F(xiàn)。該方法的難點在于獲得具有可重復(fù)性的工藝，并需要采用低成本的工藝流程、自動設(shè)計分解、掩膜的設(shè)計和制造，以及套刻的對準(zhǔn)精度。完整的LELE工藝比較耗時并且昂貴。耗時是因為

13、在進行第二次曝光之前需要將第一次曝光的晶圓進行一次刻蝕。昂貴是因為要重復(fù)曝光步驟。如今光刻已經(jīng)是IC制作過程中花費最高的工藝，占整個芯片制造成本的40%。為了解決成本和速度的問題，IMEC以及研發(fā)伙伴測試了多種LELE的替代方案在曝光中取代第一次刻蝕步驟，得到了曝光-工藝-曝光-刻蝕的流程。該流程還是需要兩塊掩膜和兩次曝光步驟，但省去了一次中間刻蝕步驟。因為不需要將晶圓從兩次曝光中中斷，這會加快整個流程（圖3）。LLE的獨特挑戰(zhàn)是使第一次圖形化得到的圖形不受第二次光刻的影響。此外也繼承了LELE的難點：需要對初始的設(shè)計進行分解并制版，設(shè)計需要在較窄的工藝窗口內(nèi)（套刻精度）完成重疊的圖形化，這樣

14、CD、CDU和LWR都需要與32nm圖形相一致。2.3 雙重圖形技術(shù)的困境在雙重曝光工藝操作完成后，需要某種技術(shù)能夠在下一步操作前就可以檢測并確認(rèn)曝光區(qū)域的線寬表現(xiàn)。雙重圖形技術(shù)采用多層工藝，能夠進一步縮小成像圖形的尺寸。為了使這項技術(shù)能夠確實可行，就必須要進一步提高套刻對準(zhǔn)精度。此外，測量技術(shù)還必須具備很好的兼容性。目前令人鼓舞的是，通過努力看起來CD-SEM有可能滿足下幾代半導(dǎo)體技術(shù)的需求。缺陷問題是雙重圖形量測中的另一大硬傷?！霸蛑饕袃蓚€，首先是圖形愈發(fā)精細(xì)，對于缺陷也更加敏感，那么量測設(shè)備的靈敏度也必須隨之提高。另外就是工藝窗口更加狹窄，特定的圖形將會帶來所謂的系統(tǒng)性缺陷，這也要求

15、量測設(shè)備能夠及時將它們檢測出來?！?Eric Bouche說，“另外，套刻精度如何測量也是關(guān)鍵。僅僅保證掩膜版與前層的對準(zhǔn)無誤是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還要確保掩膜版制造的問題不會影響最終的良率。以散射技術(shù)為基礎(chǔ)的CD和形貌測量技術(shù)對于套刻精度至關(guān)重要?！狈祷?.高k電介質(zhì)/金屬柵極高k電介質(zhì)/金屬柵極工藝在45nm工藝節(jié)點就已采用，在45納米制程中，高k電介質(zhì)的等效氧化層厚度為1.0納米。而在32納米制程中，此氧化層的厚度僅為0.9納米，而柵極長度則縮短為30納米。高K介質(zhì)是什么樣的材料？它應(yīng)滿足如下要求：(1) 高介電常數(shù),50 nm CMOS 器件要求k 20；(2) 與Si 有良好的熱穩(wěn)定性；(3

16、) 始終是非晶態(tài)，以減少泄漏電流；(4) 有大的帶隙和高的勢壘高度，以降低隧穿電流；(5) 低缺陷態(tài)密度/ 固定電荷密度，以抑制器件表面遷移率退化；滿足口述條件又能量產(chǎn)的高k 電介質(zhì)是二氧化鉿(HfO2)。一般來講，用于MPU 等高性能電路的高k 電介質(zhì)為鉿氧化物(HFO2，K = 25)；用于低功耗電路的高k 電介質(zhì)為鉿硅酸鹽/ 鉿硅氧氮化物(HfSiO/HfSiON，K =15)。 HfO2 具有較高的介電常數(shù)，但集成較困難，除了在厚度較薄或被恰當(dāng)保護處理外，它在較低溫度(500)會結(jié)晶。 HfSiO可提高材料的熱穩(wěn)定性，但會降低k。 HfSiON 有很好的熱穩(wěn)定性，甚至經(jīng)過1050的源/

17、 漏退火處理后，仍能保持多晶態(tài)，而且可略提高k 和降低柵極漏電流。 目前常常在硅與高k 電介質(zhì)之間引入一層薄的經(jīng)過優(yōu)化的SiON 界面層，以防止載流子遷移率下降。金屬柵的形成金屬柵的形成有3 種方式：(1)金屬插入式多晶硅疊層(MIPS)，首先把金屬插入到多晶硅與高k 電介質(zhì)之間形成柵結(jié)構(gòu)，僅有部分多晶硅被轉(zhuǎn)化為硅化物，在疊層頂部形成NiSi，NiSi 電阻率比以前采用的硅化鈷(CoSi2)和硅化鉭（TiSi2)略低。如三星的制程：先沉積高k 電介質(zhì)HfSiON 或HfO2，然后采用CVD 沉積TaN；再沉積多晶硅，其nFET 驅(qū)動電流620 A/m，PFET 驅(qū)動電流為230A/m；(2) 全硅化物柵(FUSI)；(3) 雙金屬的全金屬替代柵(RPG)，如索尼制程；nFET 采用大馬士革W/TiN/HfSiO2 柵疊層， 其驅(qū)動電流1050A/m，PFET 采用W/TiN/HfSix/HfO2 相疊層，其驅(qū)動電流為710 A/m。4.超低k電介質(zhì)-氣隙技術(shù) 針對32nm