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孔德生 童志义 |
（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京东燕郊101601） |
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1 引言
30多年来，作为集成电路制造主流曝光技术的光学投影光刻技术，始终以摩尔定律的不断向前推进而孜孜不懈地努力着。根据瑞利衍射定理R=k1λ/NA，通过曝光波长的不断缩小和数值孔径的不断增大以及各种分辨率增强技术的不断探索，将K1因子逐步降低，现已迎来了65nm珍珠岩助滤剂半导体制造量产时代。在45nm器件的生产中，可选择的光刻方法有k1为0.30的大数值孔径ArF干法光刻和k1为0.35的大数值孔径ArF浸液式光刻。前者的技术路线主要是基于对光学临近效应校正（OPC）和移相掩模（PSM）的提高来缩小k1因子。后者要求更为特殊的分辨率增强技术且在应用范围中有一定的限制。它的技术路线则主要是基于折射率（n）的增
大来实现光学系统分辨率的提高。由于镜头的NA=nsinθ，（去离子水作为浸液液体时，n=1.44，sinθ=0.90）浸液式光刻的效应是双重的：
（1）它允许拥有更高的NA甚至大于1.0的镜头设计，因此使得分辨率得到改进。
（2）对于给定的NA，它提高了焦深（DOF）。
仅仅从上面的论述和简单的数学关系，人们似乎可以乐观地预言，浸液式ArF光刻的潜力，可以实现45nm→32nm乃至22nm技术节点。量产45nm芯片的光刻工艺有2种，即：193 nm ArF干法光刻工艺和193 nm ArF湿法光刻工艺。前者的支持者是英特尔公司，它已采用193 nm ArF干法光刻工艺推出45nm 153Mb SRAM隔磁片，并准备2007年下半年量产。而后者的支持者则是IBM、TI、台积电、AMD和比利时IMEC微电子中心等。
2 193nm浸液式光刻技术
浸液式光刻通过高折射率的液体充入透镜底部和片子之间的空间使光学系统的数值孔径得以显著的增大。在193nm曝光系统中，水（折射率为1.44）被选作最佳的浸入液体。从而使193mn分辨率R=k1λ/NA达到k1·193/1.44=132mn。如果液体不是水，或者是其他液体，
但折射率比1.44高时，则实际分辨率可以非常方便地再次提高，也这是浸液式光刻技术能很快普及的原因。
2005年ArF浸液式光刻技术进入了实质性的应用阶段，对集成电路技术的发展起到了至关重要的作用，为集成电路技术向65nm以下线宽的加工和生产铺平了道路，虽然在其它相关的集成电路制造技术并未全面达到45nm这一水平，但光刻技术的突破，意味着技术前行的最大障碍已经克服，业界已经在2005到了在下一代光刻技术研发成功之前有效的技术实现途径。因此，可以说，浸液式光刻技术的进展对集成电路制造技术的发展起到了巨大的推动作用。 尼康公司于2005年6月底发布了其先进的光刻系统"NSR-S690B"，该系统的NA突破了1.0大关，达到1.07，可以实现55nm工艺的量产和45nm水平研发的光刻需求。时隔不到一月，ASML公司于7月初发布了NA高达1.2的浸液式光刻"XT：1700i"，可支持45nm的光刻。
2.1 工艺应用
在这场首次将浸液式光刻技术用于大生产的竞赛中，2004年12月TSMC和IBM分别宣布成功利用193nm浸液式光刻技术生产出全功能的芯片。IBM制造出了基于功率器件结构的90n
m微处理器的关键层，而TSMC则制造出了90nm SRAM芯片的关键层。
IBM使用2004年夏天安装在Albany NanoTech的ASML TwinScan AT：1150i浸液扫描式光刻机（数值孔径0.75）进行了实验。从IBM位于East Fishkill，N.Y.的工厂运送一个含有25片φ300mm硅片的生产试样到Albany进行实验。利用浸液式系统制造90nm铜工艺技术的一层互联层，随后试样被运回IBM的工厂采用193nm干法光刻技术，完成全部生产制造工艺。
TSMC也是使用ASML的TwinScan AT：1150i浸液式光刻机，在ASML的研究实验室曝光和显影芯片多晶硅层，TSMC压微米图形部资深主管Burn Lin介绍说。使用干法和湿法扫描式曝光机生产的产品良率，器件特性和缺陷密度是可比的，根据TSMC的数据，使用浸液扫描式曝光机得到的与产品良率息息相关的焦深几乎是使用干法扫描式曝光机的2倍。TSMC在2005年San Jose SPIE光刻会议上做了详细的报告。
TSMC在2005年SPIE的报告中介绍了在TSMC的制造工厂里安装ASML的第二代浸液式曝光设备XT：1250i（数值孔径0.85），并介绍了使用这台设备进行65nm工艺的研发情况。Lin说："在生产环境中有这样一台设备能切实地帮助我们弄清楚许多问题。
在2006年的SPIE Microlithography会议上，光刻领域的技术专家们共聚一堂并发表了他们的最新研究成果。毫无疑问本次会议将会产生更多的新闻和技术热点，而近来公布的一些关于前沿浸液式光刻技术和极紫外光刻技术（EUV）的新闻以及研究成果已经受到了广泛的关注和极大的重视。
Nikon宣布它已在2006年1月份推出了第一台量产ArF浸液式扫描光刻设备NSR-S609B。这台设备的数值孔径达到1.07，采购方是一家主要的半导体生产商。这台设备将用于55nm节点的内存产品的量产并用于研发下一代45nm节点的关键技术。
Nikon独创的局部填充技术消除了浸液式光刻设备产生的缺陷，解决了气泡、水迹以及硅片背部污染等问题。而且这项技术也防止了浸液液体的蒸发，有助于改善与浸液技术相关的套刻问题。
Nikon在它的NSR-S609B光刻设备中引入了先进的Tandem平台，双平台设计的Tandem平台具备不同功能，它优化了浸液式光刻设备的整体性能。其中曝光平台可以实现高速曝光和移动：对准平台在每次硅片交换的间隙对准设备，保持其优异的性能，使用Tandem平台，设备的套刻精度可以降低到7nm，而且重复对准、测试有助于消除波动和漂移，使设
备始终保持稳定的性能。
在今年的SPIE Microlithography2006研讨会上台积电（TSMC）发表了浸液式曝光技术制造的测试芯片，同时指出透过该公司专有的技术，浸液式曝光显影成功产出多批测试芯片，解决了使用液体介质所导致气泡、水印、微粒子掉入与所引起的影像缺陷或抗蚀剂残留的问题。单晶片上的芯片缺陷最低仅有3个，达到几乎零缺陷密度的目标（设备见图1），突破了目前采用193nm浸液式曝光机的限制，并计划在45nm工艺中采用浸液式曝光技术进行量产。浸液式曝光技术是迈入更先进的下一代半导体工艺技术的一个关键，因为其它曝光技术是否能经济地进入量产阶段，仍有相当大的不确定性。
德州仪器（TI）也发布了45nm半导体制造工艺的细节，该工艺采用湿法光刻技术，可使每个硅片的芯片产出数量提高1倍，从而提高了工艺性能并降低了功耗。通过采用多种专有技术，TI将集成数百万晶体管的片土系统处理器的功能提升到新的水平，使性能提高30%，并同时降低40%的功耗。
德州仪器（TI）也发布了45nm半导体制造工艺的细节，该工艺采用湿法光刻技术，可使每个硅片的芯片产出数量提高1倍，从而提高了工艺性能并降低了功耗，通过采用多种专有技术，TI将集成数百万晶体管的片上系统处理器的功能提升到新的水平，使性能提高30％，并同时降低40％的功耗。
Intel高级研究员Mark Bohr日前宣布，Intel采用45nm应变硅平面晶体管工艺技术制作了业内第一块全功能SRAM芯片，并在成型的关键层采用193nm干法光刻工艺。目标是于2007年采用该技术在φ300mm晶圆上开始制造芯片。 在这次会议上，IBM宣布，通过与美国JSR Micro公司合作，利用汽车智能防盗系统ArF浸液式曝光完成了线宽与线间隔为29.9nm的图像成像，见图2。这是将JSR公司的高折射率液体与采用IBM高折射率光学元件的双光束干涉曝光设备"NEMO"相结合后实现的。此次的结果预示着有望将采用高折射率材料的劲液曝光技术
扩展到32nm工艺以后。JSR曾表示可使用折射率为1.64的液体，实现32nm的线宽与线间隔。此次就结合使用的这种液体和IBM开发的折射率为1.67的棱镜。据称，光刻胶的折射率约为1.7。为了进一步提高成像性能，今后将瞄准1.9的折射率进行技术开发。
在SPIE专题报告中，IMEC的Kurt Ronse报告了他们在防止气泡形成上取得的成功，和在克服其它的特征缺陷类型，如水印、沾污和由液体在硅片边缘产生微粒方面所取得的进展。表达了浸液式光刻技术不久将用于生产的信心。同时他补充："浸液式光刻技术用于生产的缺陷问题的解决将指日可待。"
2.2 设备公司动向
2.2.1 ASML公司d403
在2005年7月的"SEMICON WEST 2005"展会上，ASML公司推出了第四代Arf浸液式曝光机隧道隔音降噪施工"XT：1700i"。该机在传统"TWINSCAN"平台上，能够同时进行干式和湿式曝光。此外，首次在曝光机中采用折反式光学系统（在部分投影光路中引入反射光路），从而使投影光学系统中镜片的使用量减少了数码贴膜40%，而镜头的NA却提高到1.2，见图3。
ASML的Peter Jenkins在2006年1月声明，已经向Albany nanotech、IMEC和TSMC提供了
多台NA=1.2的ArF浸液式光刻机XT：1700i，XT：1700i物镜中采用了折反射式设计，ASML的Twinscan XT：1700i是市场唯一能支撑45nm技术的设备，并计划于2007年向用户提供用于生产线上的45nm浸液式ArF光刻设备。
在所有的浸液式工艺中均采用了封水喷嘴。在镜头的间隙中利用封水喷嘴将水封闭，从而保证水滴不会残留在圆片上适用于具有亲水性和疏水性的表层材料与抗蚀剂。1号机已于今年一季度交付用户，在2005年年底已接到3台订单。包括第4代产品在内，ASML公司已经向用户交付了7台浸液式ArF曝光机。
2.2.2 尼康公司
尼康公司在2005年6月推出了ArF曝光机"NSR-S609B"NA达到1.07。通过采用高NA投影透镜和独特的局部浸液喷嘴，分辨率可达55nm以下。此外，通过选择无照度损失、且可令成像对比度提高20%的偏光照明"POLANO"，可实现50nm以下的分辨率。而且，通过新开发的由曝光台与预对准台组成的"Tandem平台"，在更换晶片时无需停止纯水供应，从而可最大程度地提高生产效率。
尼康公司计划2006年下半年开始投入生产对应于45nm工艺、NA为1.3以上的新一代ArF浸液式曝光机。对应于32nm工艺的曝光，需要进一步研究更高折射率的液体和透镜材料。
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