相移掩膜技術(shù)的原理、應(yīng)用與進展

相移掩膜技術(shù)的原理、應(yīng)用與進展相移掩膜技術(shù)的原理、應(yīng)用與進展相移掩膜技術(shù)的原理、應(yīng)用與進展xxx公司相移掩膜技術(shù)的原理、應(yīng)用與進展文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計，管理制度相移掩膜技術(shù)的原理、應(yīng)用與進展概述隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、設(shè)備和產(chǎn)品的不斷發(fā)展，要求愈來愈高的光刻分辨率，使用更大的芯片和硅片尺寸。過去為了提高光刻分辨率，大多著眼于縮短曝光波長和提高光刻物鏡的數(shù)值孔徑，根據(jù)如下公式:分辨率：R=K1λ／NA（1）焦深：DOF=K2λ／NA2（2）式中λ為曝光波長，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)。對于典型光刻系統(tǒng)Kl=，KZ=。從式(l)和(2)顯而易見，縮短波長雖然提高了分辨率，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，實用光刻焦深往往有個最低限度(如士，如小于此限度則難以實用，在這種情況下侈談分辨率已毫無意義。當(dāng)焦深在確定實際分辨率中起主要作用時，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、減小幾不可能進一步改善實際分辨率。而且，波長縮短也是有限的，因為深紫外光源無論從可靠性、穩(wěn)定性、可得性、維護和經(jīng)濟性以及光學(xué)材料的種類諸方面均不如現(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，價格昂貴；ArF(193nm)準(zhǔn)分子激光器，長期輻照會改變光學(xué)材料性能，深紫外光學(xué)材料目前只有石英玻璃、CaF，和MgFZ幾種，且加工困難，價格昂貴。NA增大，同樣給光學(xué)設(shè)計和加工造成困難。所以在80年代中期，普遍認(rèn)為光刻技術(shù)的極限約，再細(xì)就只有依賴于X射線和電子束了。1982年IBM研究實驗室的MarLevenson，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，相移掩模研究成為熱門課題，與其它光刻技術(shù)的發(fā)展一道，人們正把光刻技術(shù)極限推進到。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度由掩模上各個透光孔衍射的波的組合確定。圖形特征尺寸、離焦量對象襯比、光強度、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，硅片表面上相鄰圖形象之間因相消干涉使暗區(qū)光強減弱，由能量守恒定律知，勢必使圖形亮區(qū)象增強；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，換句話說，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)生振幅通過零點，使象強度分布襯比(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線光刻機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=，λ=248nm，分辨率可達；NA=，λ=365nm，實際分辨率可達。相移掩模方法有可能克服線/間隔圖形傳統(tǒng)光刻方法的局限性。相移掩模類型多，分類方法也不同，但基本原理都是相鄰?fù)腹鈭D形透過的光振幅相位相反產(chǎn)生相消干涉、振幅零點和(或)頻譜分布壓窄，從而改善襯比、分辨率和象質(zhì)。三、相移掩模的應(yīng)用與進展隨著移相掩模技術(shù)的發(fā)展,涌現(xiàn)出眾多的種類,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)；邊緣增強型相移掩模,包括亞分辨率相移掩模和自對準(zhǔn)相移掩模；無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。尤其以交替型和全透明移相掩模對分辨率改善最顯著,為實現(xiàn)亞波長光刻創(chuàng)造了有利條件。全透明移相掩模的特點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)衍射場的干涉效應(yīng)產(chǎn)生一個形如“刀刃”光強分布,并在移相器所有邊界線上形成光強為零的暗區(qū),具有微細(xì)線條一分為二的分裂效果,使成像分辨率提高近1倍。隨著移相器線寬縮小,則兩個暗區(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)這個原理,設(shè)計密集亞分辨率全透明移相圖形,即可實現(xiàn)一種非常有用的無鉻掩蔽功能。從而只用一種透明材料即可制作移相掩模,簡化了制造工藝,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193nm光源的光學(xué)光刻推進到45nm工藝節(jié)點上,再加上浸沒透鏡曝光技術(shù)和兩次曝光技術(shù)的應(yīng)用已使193nm光源的光學(xué)光刻進一步推進到32nm工藝節(jié)點,甚至有可能在22nm工藝節(jié)點得到應(yīng)用。最近幾年由于集成電路發(fā)展對半亞微米和深亞微米光刻技術(shù)的強烈要求，以及相移掩模技術(shù)獲得重大的突破，達到了實用化的水平，進而開發(fā)出了多種設(shè)計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μm-65nm光刻時相移掩模（PSM）能滿足相關(guān)工藝的要求。據(jù)VLSI研究資料顯示，在一段時期國際上掩模產(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)和改進光致抗蝕劑的性能以滿足分辨率提高的要求外,主要在更短波長的準(zhǔn)分子激光曝光技術(shù)的開發(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展,使光學(xué)系統(tǒng)的分辨能力達到小于光源波長的亞波長甚至小于1/4波長,其中曝光光源的波長從g線(436nm)和i線(365nm)的汞燈光源發(fā)展到深紫外(DUV)的KrF(248nm),進而達到作為當(dāng)前主流光刻技術(shù)的ArF(193nm)光源。Intel公司于2003年5月23日宣布放棄VUV的F2(157nm)和Ar2(126nm)光刻機的開發(fā),決定盡可能充分地用好193nm技術(shù)資源,讓它多延長幾代技術(shù)節(jié)點,并且取得了滿意的回報,主要歸功于移相掩模技術(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,特別是近年來浸沒透鏡曝光技術(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um左右推進到亞30nm。光學(xué)光刻技術(shù)的主導(dǎo)地位能延續(xù)到什么時候,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、增強光刻掩模技術(shù)的成本和應(yīng)用于相應(yīng)波長光致抗蝕劑性能等能否有進一步的突破。光學(xué)曝光技術(shù)的潛力,無論從理論還是實踐上看都令人驚嘆,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技術(shù)起到重要作用,