【光刻】二重曝光加工技术(Double exposure processing technology)825
发表时间:2018-04-16 23:13 从光源到光学系统,到掩模,到光刻胶,到设计技术,所以能够增强分辨率的措施都采用了。图一反应了k1因子自2000年以来下降的过程和今后几年的变化趋势。可以看出,k1因子从2000年初的0.4以上已经降到目前的0.3的水平。中间在2004年有所回升是因为引入了浸没式曝光技术,大数值孔径使对k1因子的要求有所降低。但随着65nm工艺开始进入大生产,k1因子有进一步下降,目前稳定在0.3左右的水平。如果光学曝光仍然沿用193nm波长深紫外光源,则下一步进入45nm工艺要求k1因子继续下降。但k1因子最终将接近它的理论极限,即0.25。实现32nm工艺要求k1因子小于0.25。目前唯一能够突破k1因子理论极限的技术就是二重曝光(double exposure)或二重加工(double processing)技术。 图一:自2000年以来k1因子的变化发展趋势 二重曝光或二重加工是指通过两次曝光或加工来增加图形密度。对光学曝光而言,最难实现的曝光图形是等间距或等周期密集分布图形。这是因为密集曝光图形之间光强分布相互影响,使图形分辨极为困难。所以,同样的图形尺寸,稀疏或孤立图形要比密集图形的光学曝光更容易实现。过去集成电路工艺技术水平都是最小线宽(minimum feature size)衡量,例如谈到0.35nm、0.25nm、或0.18nm工艺是指电路最小线宽尺寸。但最小线宽不能真实反映电路的集成度,也就是说没有反应出线条的密集程度。所以自2001年以来半导体工业界引入了“半周期”(half pitch)的概念。图形的半周期不但包括了线宽,还包括了线条之间的间距。所半周期90nm表示线宽为90nm,线间距也是90nm。对曝光技术而言,实现半周期90nm的图形要比实现90nm单线条困难的多。为了实现密集图形的曝光,可以分两次曝光稀疏图形,让两次曝光的图形重叠,最后合成图形就是原来设计的密集图形。图二比较了二重曝光、二重加工与传统一次曝光工艺的区别。二重曝光比较简单,但由于在同一光刻胶上曝光,两次曝光在光刻胶内的光能量分布会相互影响。因此要求光刻胶是非线性的或无记忆效应的。或将第一次曝光显影后的光刻图形“冻结”(freeze),然后另涂光刻胶进行第二次曝光。二重加工是在第一次曝光后将光刻胶图形转移到刻蚀掩模材料上,然后再次涂胶曝光。两次曝光是相互独立的。无论二重曝光或二重加工,它们共同的挑战是图形的精准对准问题。两次曝光图形的对准需要保持在1.5-3nm精度之内。
图二:传统一次曝光工艺与二重曝光、二重加工比较 二重加工技术可以突破k1因子理论极限,因为对于每个单次加工,其k1因子仍然在理论极限之上。只是在两次加工图形合成后实现更低的k1因子的效果。二重加工可以沿用193nm波长曝光光源,可以用在“干式” 或“湿式”曝光技术中,所有以往开发的分辨率增强技术都可以继续使用,对现有集成电路生产工艺改动最小,因此受到了半导体工业界普遍欢迎。鉴于目前极紫外曝光技术仍未完善,还有许多技术问题仍在解决之中,可能无法在22nm的节点进入集成电路大生产。半导体工业界已将基于193nm波长的二重加工技术为32nm以下集成电路的首选技术。实际上,工业界已经证明二重加工技术可以实现16nm甚至11nm的半周期图形。 需要注意的是,尽管光学曝光技术一直在不懈追求越来越高的分辨率,但在超大规模集成电路制造的20-30道曝光工序中,只有少数的几道用到最高分辨率的曝光技术。表一是各代表集成电路的总曝光层数和不同曝光层的图形尺寸。以1G的DRAM芯片为例,在总数的26层的曝光工艺中,只有5层要求最高的分辨率。因此,混合曝光(mix-and-match lithography),即高级曝光技术与中、低级曝光技术的混合使用,是集成电路曝光技术的主要特点[1]。 表一:不同集成度的DRAM芯片中需要的掩模层数与分辨率要求 参考文献: [1] 崔铮,《微纳米加工技术及其应用》,高等教育出版社,2013.04,65-67; |