相移掩膜技術(shù)的原理、應(yīng)用與進(jìn)展

1、.相移掩膜技術(shù)的原理、應(yīng)用與進(jìn)展一、概述隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、 設(shè)備和產(chǎn)品的不斷發(fā)展， 要求愈來(lái)愈高的光刻分辨率，使用更大的芯片和硅片尺寸。過(guò)去為了提高光刻分辨率，大多著眼于縮短曝光波長(zhǎng)和提高光刻物鏡的數(shù)值孔徑，根據(jù)如下公式:分辨率：R=K1 NA（1）焦深：DOF=K2 NA 2（ 2）式中 為 曝光波長(zhǎng)， NA為光刻系統(tǒng)數(shù)值孔徑， Kl 和 KZ為與抗蝕劑和工藝有關(guān)的常數(shù)。對(duì)于典型光刻系統(tǒng)Kl=0.7-1.0，KZ=0.4-0.5 。從式 (l) 和(2) 顯而易見(jiàn)，縮短波長(zhǎng)雖然提高了分辨率， 但減小了焦深； 增大 NA 可增大分辨率，但同樣使焦深縮短。焦深是光刻中的重要因素，由于硅片的

2、不平度、抗蝕劑厚度不均勻性以及系統(tǒng)的調(diào)焦、 調(diào)平等限制， 實(shí)用光刻焦深往往有個(gè)最低限度 ( 如士 0.5um) ，如小于此限度則難以實(shí)用，在這種情況下侈談分辨率已毫無(wú)意義。當(dāng)焦深在確定實(shí)際分辨率中起主要作用時(shí)， 瑞利判據(jù)就不再適用。所以在傳統(tǒng)掩模光刻技術(shù)中，繼續(xù)增大 NA、減小幾不可能進(jìn)一步改善實(shí)際分辨率。而且，波長(zhǎng)縮短也是有限的，因?yàn)樯钭贤夤庠礋o(wú)論從可靠性、穩(wěn)定性、可得性、維護(hù)和經(jīng)濟(jì)性以及光學(xué)材料的種類(lèi)諸方面均不如現(xiàn)有的光源。 新的光源，如KrF(248nm)準(zhǔn)分子激光器，要求頻帶壓窄，價(jià)格昂貴； ArF(193nm)準(zhǔn)分子激光器，長(zhǎng)期輻照會(huì)改變光學(xué)材料性能， 深紫外光學(xué)材料目前只有石英玻璃

3、、 CaF，和 MgFZ 幾種，且加工困難，價(jià)格昂貴。 NA 增大，同樣給光學(xué)設(shè)計(jì)和加工造成困難。所以在 80 年代中期，普遍認(rèn)為光刻技術(shù)的極限約 0.5um，再細(xì)就只有依賴(lài)于 X 射線(xiàn)和電子束了。1982 年 IBM 研究實(shí)驗(yàn)室的 Mar Levenson ，等人發(fā)表了有關(guān)相移掩模技術(shù)理論的論文， 1990 年以來(lái)，相移掩模研究成為熱門(mén)課題，與其它光刻技術(shù)的發(fā)展一道，人們正把光刻技術(shù)極限推進(jìn)到 0.1um。預(yù)科 PSM技術(shù)有可能用于超大、特大和巨大規(guī)模集成電路時(shí)代。二、相移掩模的原理.光刻技術(shù)的基本思想是硅片表面上象光強(qiáng)度由掩模上各個(gè)透光孔衍射的波的組合確定。圖形特征尺寸、離焦量對(duì)象襯比、光

4、強(qiáng)度、分辨率和象質(zhì)有重要的影響。圖形刻劃的主要判據(jù)是圖形的襯比。Levenson 等人，提出的 PSM方法可使襯比改善，分辨率比傳統(tǒng)方法改善40%一 100%。其原理是使透過(guò)掩模圖形上相鄰?fù)腹饪椎墓馐g產(chǎn)生 180 度相位差，因而使特征圖形周期小時(shí)， 硅片表面上相鄰圖形象之間因相消干涉使暗區(qū)光強(qiáng)減弱，由能量守恒定律知， 勢(shì)必使圖形亮區(qū)象增強(qiáng)； 而且相鄰?fù)腹鈪^(qū)之間的相位相反，改變了掩模圖形的空間頻譜分布， 消去了直流分量， 壓窄了頻帶，換句話(huà)說(shuō)，使用相同的光刻系統(tǒng)， PSM(Levenson型 ) 可使掩模圖形的空間頻率增加一倍時(shí)光刻系統(tǒng)仍能分辨，即分辨率提高一倍。由于反相，產(chǎn)生振幅通過(guò)零點(diǎn)，

5、使象強(qiáng)度分布襯比 ( 度 ) 提高，改善了分辨率、邊緣陡度和曝光量寬容度。光刻分辨率取決于照明系統(tǒng)的部分相干性、掩模圖形空間頻率和襯比及成象系統(tǒng)的數(shù)值孔徑等。 相移掩模技術(shù)的應(yīng)用有可能用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)和 i 線(xiàn)光刻機(jī)在最佳照明下刻劃出尺寸為傳統(tǒng)方法之半的圖形， 而且具有更大的焦深和曝光量范圍。例如使用 PSM，在 NA=0.5，=248nm，分辨率可達(dá) 0.15um；NA=0.6， =365nm，實(shí)際分辨率可達(dá) 0.2um。相移掩模方法有可能克服線(xiàn) / 間隔圖形傳統(tǒng)光刻方法的局限性。相移掩模類(lèi)型多， 分類(lèi)方法也不同， 但基本原理都是相鄰?fù)腹鈭D形透過(guò)的光振幅相位相反產(chǎn)生相消干涉、 振幅零點(diǎn)和 (

6、 或 ) 頻譜分布?jí)赫?從而改善襯比、 分辨率和象質(zhì)。三、相移掩模的應(yīng)用與進(jìn)展隨著移相掩模技術(shù)的發(fā)展 , 涌現(xiàn)出眾多的種類(lèi) , 大體上可分為交替式移相掩膜技術(shù)、衰減式移相掩模技術(shù)； 邊緣增強(qiáng)型相移掩模 , 包括亞分辨率相移掩模和自對(duì)準(zhǔn)相移掩模；無(wú)鉻全透明移相掩模及復(fù)合移相方式 ( 交替移相 + 全透明移相+ 衰減移相 + 二元鉻掩模 ) 幾類(lèi)。尤其以交替型和全透明移相掩模對(duì)分辨率改善最顯著 , 為實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)光刻創(chuàng)造了有利條件。 全透明移相掩模的特點(diǎn)是利用大于某寬度的透明移相器圖形邊緣光相位突然發(fā)生 180 度變化 , 在移相器邊緣兩側(cè)衍射場(chǎng)的干涉效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)形如 “刀刃”光強(qiáng)分布 , 并在移

7、相器所有邊界線(xiàn)上形成光強(qiáng)為零的暗區(qū) , 具有微細(xì)線(xiàn)條一分為二的分裂效果 , 使成像分辨率提高近.1 倍。隨著移相器線(xiàn)寬縮小 , 則兩個(gè)暗區(qū)靠攏合并成為寬暗區(qū) , 從而又具有亞分辨率圖形結(jié)構(gòu)遮光效應(yīng) , 根據(jù)這個(gè)原理 , 設(shè)計(jì)密集亞分辨率全透明移相圖形 , 即可實(shí)現(xiàn)一種非常有用的無(wú)鉻掩蔽功能。 從而只用一種透明材料即可制作移相掩模 ,簡(jiǎn)化了制造工藝 ,因而構(gòu)成和現(xiàn)有成熟的光掩模制作工藝具有很好的工藝兼容性。采用移相掩模技術(shù)和光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù)相結(jié)合可以使193 nm 光源的光學(xué)光刻推進(jìn)到45 nm 工藝節(jié)點(diǎn)上 , 再加上浸沒(méi)透鏡曝光技術(shù)和兩次曝光技術(shù)的應(yīng)用已使 193 nm 光源的光學(xué)光刻進(jìn)一

8、步推進(jìn)到32 nm 工藝節(jié)點(diǎn) ,甚至有可能在 22 nm 工藝節(jié)點(diǎn)得到應(yīng)用。最近幾年由于集成電路發(fā)展對(duì)半亞微米和深亞微米光刻技術(shù)的強(qiáng)烈要求，以及相移掩模技術(shù)獲得重大的突破，達(dá)到了實(shí)用化的水平， 進(jìn)而開(kāi)發(fā)出了多種設(shè)計(jì)和制作相移掩模的工藝技術(shù)，出現(xiàn)了各具特色和優(yōu)點(diǎn)的相移掩模工藝方法和產(chǎn)品。在近幾年200mm和 300mm晶圓生產(chǎn)中大量采用相移掩模（PSM）技術(shù)，在0.18 m-65nm光刻時(shí)相移掩模（ PSM）能滿(mǎn)足相關(guān)工藝的要求。據(jù)VLSI 研究資料顯示，在一段時(shí)期國(guó)際上掩模產(chǎn)品主要在180nm至 65nm之間。目前大生產(chǎn)中主要采用光學(xué)光刻技術(shù)為主體的工藝技術(shù)體系,隨著加工精度不斷提高 ,促使這

9、些技術(shù)不斷發(fā)展 ,除了提高投影鏡頭的數(shù)值孔徑( NA )和改進(jìn)光致抗蝕劑的性能以滿(mǎn)足分辨率提高的要求外,主要在更短波長(zhǎng)的準(zhǔn)分子激光曝光技術(shù)的開(kāi)發(fā)和光的波前工程的應(yīng)用相結(jié)合上不斷有突破性的進(jìn)展,使光學(xué)系統(tǒng)的分辨能力達(dá)到小于光源波長(zhǎng)的亞波長(zhǎng)甚至小于1/ 4 波長(zhǎng) ,其中曝光光源的波長(zhǎng)從g 線(xiàn)( 436 nm)和 i線(xiàn)( 365 nm)的汞燈光源發(fā)展到深紫外( DUV) 的 KrF ( 248 nm) ,進(jìn)而達(dá)到作為當(dāng)前主流光刻技術(shù)的ArF ( 193 nm) 光源。Intel公司于 2003 年 5 月 23 日宣布放棄 VUV的 F2 ( 157 nm)和 Ar2 ( 126nm) 光刻機(jī)的開(kāi)發(fā)

10、 , 決定盡可能充分地用好193 nm 技術(shù)資源 ,讓它多延長(zhǎng)幾代技術(shù)節(jié)點(diǎn) , 并且取得了滿(mǎn)意的回報(bào) , 主要?dú)w功于移相掩模技術(shù) ( PSM) 、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù) ( OPC) 、離軸照明移相光源 ( OAI) 、空間濾波和表面成像等波前工程技術(shù)的應(yīng)用 , 充分挖掘了光學(xué)光刻系統(tǒng)的潛力 , 特別是近年來(lái)浸沒(méi)透鏡曝光技術(shù)上的重大突破 , 使 80 年代人們普遍認(rèn)為的光學(xué)光刻技術(shù)的分辨率極限 0.5 um 左右推進(jìn)到亞30 nm。光學(xué)光刻技術(shù)的主導(dǎo)地位能延續(xù)到什么時(shí)候,最終還是取決于后續(xù)的光刻技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的成本,包括光刻設(shè)備的成本、.增強(qiáng)光刻掩模技術(shù)的成本和應(yīng)用于相應(yīng)波長(zhǎng)光致抗蝕劑性能等能否有進(jìn)一步的突破。光學(xué)曝光技術(shù)的潛力 , 無(wú)論從理論還是實(shí)踐上看都令人驚嘆 , 不能不刮目相看。其中利用控制光學(xué)曝光過(guò)程中的光位相參數(shù) , 產(chǎn)生光的干涉效應(yīng) , 部分抵消了限制光學(xué)系統(tǒng)分辨率的衍射效應(yīng)的波前面工程為代表的分辨率增強(qiáng)技術(shù)起到重要作用 , 包括 : 移相掩模技