32nm工艺技术.pptx

32nm工艺技术 32nm工艺有哪些引人关注的工艺 193nm浸没式光刻双重图形高k电介质 金属栅极超低k电介质 气隙技术高kSOI等技术 1 193nm浸没式光刻 浸没式光刻技术需要在光刻机投影物镜最后一个透镜的下表面与硅片上的光刻胶之间充满高折射率的液体 如图所示 传统光刻和浸没式光刻的对比示意图 1 193nm浸没式光刻 1 1原理 根据瑞利衍射原理 193nm浸没式光刻机的分辨率为 1 1 sin 1 effsin 1为工艺系数 为曝光光源波长 eff 为有效曝光波长 NA为光学透镜数值孔径 可以看出 浸没式光刻的特征尺寸缩小为传统光刻的1 n 相当于有效曝光波长缩小为原来的1 n 当 193nm n 1 437 水 时 eff 134 3nm 根据ASML资料 对于32nm光刻 要求NA 1 35 1 0 22 1 1 193nm浸没式光刻 1 2浸没式光刻带来的主要问题及对策浸没液体液体浸没方式大数值孔径投影物镜的设计偏振光照明液体温度变化带来的影响气泡的消除光刻胶与污染 2 1浸没液体 积淀 气泡 光吸收 当今高精度的浸没式步进扫描投影光刻机对浸没液体的选择相当苛刻 高折射率和高透射系数是最基本的要求 一般地 使用水作为193nm光刻的浸没液体 在曝光过程中 由于水中溶解的物质有可能沉积到投影物镜最后一个透镜的下表面或者光刻胶上 引起成像缺陷 而水中溶解的气体也有可能形成气泡 使光线发生散射和折射 因此 目前业界普遍使用价格便宜 简单易得的去离子和去气体的纯水作为第一代浸没式光刻机的浸没液体 在大多数波段水的折射率为1 33左右 而在193nm附近 水的折射率高达1 437 水在193nm波段的吸收系数很低 仅为0 035 cm 光刻机的生产率与照明光的透射率成正比 因此为了减小水对光的吸收 水层的厚度不能太大 另外 还要考虑水层的厚度对扫描速度的影响 在500mm s的扫描速度下 水层的厚度应该控制在1 2mm 1 2 2液体浸没方式 局部浸没法 浸没式光刻系统需要在投影物镜最后一个透镜的下表面与硅片上的光刻胶之间保持稳定的液体流动 液体的流动使得液体均匀化 使液体保持清洁 防止污染物沉积 主要有三种液体浸没方法 硅片浸没法工件台浸没法局部浸没法 目前业界多采用局部浸没法 硅片浸没法示意图 工件台浸没法示意图 局部浸没法示意图 局部浸没法可以解决硅片浸没法和工件台浸没法存在的一些问题 局部浸没法中投影物镜是固定的 最后一个透镜的下表面始终浸没在液体中 在步进扫描过程中 硅片的不同部位浸没在液体中 在硅片的一侧设置一个喷嘴 将液体注入到镜头下面 在另一侧设置一个吸嘴将液体吸回 形成液体的流动 这种结构也被称为喷淋结构 局部浸没法 局部浸没法的优点 1 工件台本质上与干式系统相同 这样将节省研发成本和时间 2 可以保留干式光刻系统的对准系统和调焦调平系统 3 注入的液体容量比较小 可以快速注满和排空 保持了较高的生产率 局部浸没法的缺点 在对硅片边缘部分进行曝光时 硅片边缘的液体容易发生泄漏 从而导致边缘曝光场的成像质量较差 因此 采取局部浸没法设计方案时 应当采取有效的液体防泄漏措施 1 2 3大数值孔径投影物镜的设计 折反式投影物镜 提高浸没式光刻机分辨率的关键是增大投影物镜的数值孔径 随着光刻分辨率和套刻精度的提高 投影物镜的像差和杂散光对成像质量的影响越来越突出 因此 需要在严格控制像差和杂散光的前提下 设计大数值孔径的浸没式光刻投影物镜 传统的干式光刻机投影物镜 Nikon公司设计的折反式投影物镜 a 多轴设计方案 b 单轴设计方案 单轴设计方案结合了全折射式物镜和折反式物镜的优点 在具有较好机械稳定性的同时 可以获得更大的数值孔径 为了使数值孔径达到1 3甚至更高 就要使用非球面反射镜 非球面反射镜除了会带来更多的局部杂散光以外 它在高产率生产过程中会受到不均匀加热 进而影响成像质量 折反式投影物镜 1 2 4 偏振光照明 无损偏振光照明系统 随着浸没技术的引入 光刻机投影物镜的数值孔径越来越大 考虑大数值孔径光刻系统的成像质量问题时 照明光的偏振态已不可忽视 在光刻机照明系统中 照明光经过掩模发生衍射 掩模像是由其中的零级衍射光和一级衍射光在硅片表面发生干涉形成的 随着投影物镜数值孔径的增大 入射光线之间夹角变大 振动方向之间的夹角也随之增大 造成成像对比度的下降 因此 在大数值孔径光刻系统中 应该使用成像对比度较高的s偏振光照明 高数值孔径下s偏振光和p偏振光的成像对比度 激光器输出的光一般是线偏振光 然而光刻机照明系统中光学材料的本征双折射和应力双折射会使光的偏振态发生变化 光学薄膜的偏振特性以及光在界面的反射和折射也会影响光的偏振态 因此为了实现偏振光照明 需要对整个照明系统进行偏振控制 简单地在光路中插入偏振器件 会损失大量的激光能量 意味着光刻机生产率的下降 如果通过提高激光器的输出功率补偿光能损失 会使激光器和照明光路元件的寿命下降 Nikon公司的无损偏振光照明系统框图 1 2 5 液体温度变化带来的影响 热量累积效应 浸没式光刻机在工作过程中 光刻胶 BARC bottomanti reflectivecoating 硅片都会吸收照明光的能量 并把热传导给水 使水的温度升高 而水本身也会吸收照明光的能量而引起温度升高 水温的变化将引起折射率的改变 如果水温变化不均匀 会导致像面聚焦偏移和球差的改变 在曝光系统中 焦面的偏移可由调焦调平系统校正 然而局部的温度起伏将引起局部的成像质量恶化 保持浸没区域的水循环流动是解决水温变化的有效方法 1 2 6 气泡的消除 曝光缺陷 气泡是浸没式光刻技术面临的又一难题 气泡形成的原因有 1 温度和气压变化使水中气体的溶解度降低 原来溶解在水中的部分气体释放出来形成气泡 2 水的流动带入周围的气体形成气泡 3 光刻胶释放出的气体形成气泡 不同尺寸的气泡对光刻机光学性能的影响是不同的 在设计液体浸没系统时 要对喷嘴结构进行改良设计 防止发生飞溅 阻止气泡的带入 1 2 7光刻胶与污染 污染沉积 在浸没式光刻系统中 光刻胶与水长时间接触 人们担心光刻胶溶入水中 导致水的污染 污染物可能沉积在透镜的下表面 水也有可能渗透到光刻胶中 影响到光刻胶的显影特性 研究发现 水中溶入光刻胶物质后 激光的透射率基本不变 在透镜下表面未经激光照射的区域发现了污染沉积 这些沉积物质又演变为微粒 影响光刻成像质量 为了解决浸没式光刻机的污染问题 通常保持纯水一定速度的流动更新 降低溶解物质的浓度 除此之外 在浸没式光刻机的周期性维护过程中 应该对浸没区域进行彻底的清洗 返回 2 双重图形 事实上 大概在130nm节点就已经开始采用两块掩膜版制作单层图形了 只是当时一般被称为补偿式相移掩膜技术 ComplementaryPSM 它的原理是将一套高密度的电路图形分解成两套分立的 密度低一些的图形 然后将它们印制到目标晶圆上 基本步骤是先印制一半的图形 显影后重新旋涂一层光刻胶 再印制另一半的图形 最后利用硬掩膜或选择性刻蚀来完成整个光刻过程 主要有两大优势 提高光学临近修正的表现 将一次曝光分二次实现 一次曝光横向线条 另一次曝光纵向线条 线条末端收缩问题可得到明显改善 在某种程度上节省成本 因为二次成像技术中掩膜版的制造难度会下降很多 就目前的发展来看 实现双重图形的方法大致分为三类 自对准双重图形 二次刻蚀双重图形和单刻蚀双重图形 如下图 2 1自对准型双重曝光 SADP 目前它还拥有多个不同名字 如侧壁间隔层转印图形化技术 sidewallspacertransferpatterningtechniques 节距降低 pitchreduction 间隔层掩膜图形化 spacermaskpatterning 或者SA双重图形1 3等 它的优势是易于控制套准精度和线宽尺寸 但是需要花费更多的掩膜版来确定侧壁 以及需要更为复杂的图形布局拆分算法 目前AppliedMaterials和LamResearch两家公司都提供自对准型双重图形技术解决方案 SADP有能力实现拥有优异线宽和节距控制效果的高密度平行线条 对于任意给定的可以用光刻方法定义的线条 可以在每个侧边使用间隔层 当去除最初的模板材料后 就能有效实现线条密度的加倍 图2 根据具体工艺流程 可以使用间隔层在正胶模式下定义线条或者在负胶模式下定义槽结构 2 2二次刻蚀双重图形法与单次刻蚀双重图形法 第二种实现双重图形的办法是二次刻蚀双重图形法 DEDP DEDP采用曝光 刻蚀 曝光 刻蚀的双重图形方法 需要将32nm的设计分解为两组64nm的设计 而64nm通过目前最先进的单次曝光技术就可以实现 分解设计的原理是将两组亚设计相重叠 这样就可以重构出初始的设计 两组设计重叠的图形化可以通过LELE的顺序实现 该方法的难点在于获得具有可重复性的工艺 并需要采用低成本的工艺流程 自动设计分解 掩膜的设计和制造 以及套刻的对准精度 完整的LELE工艺比较耗时并且昂贵 耗时是因为在进行第二次曝光之前需要将第一次曝光的晶圆进行一次刻蚀 昂贵是因为要重复曝光步骤 如今光刻已经是IC制作过程中花费最高的工艺 占整个芯片制造成本的40 为了解决成本和速度的问题 IMEC以及研发伙伴测试了多种LELE的替代方案 在曝光中取代第一次刻蚀步骤 得到了曝光 工艺 曝光 刻蚀的流程 该流程还是需要两块掩膜和两次曝光步骤 但省去了一次中间刻蚀步骤 因为不需要将晶圆从两次曝光中中断 这会加快整个流程 图3 LLE的独特挑战是使第一次图形化得到的图形不受第二次光刻的影响 此外也继承了LELE的难点 需要对初始的设计进行分解并制版 设计需要在较窄的工艺窗口内 套刻精度 完成重叠的图形化 这样CD CDU和LWR都需要与32nm图形相一致 2 3双重图形技术的困境 在双重曝光工艺操作完成后 需要某种技术能够在下一步操作前就可以检测并确认曝光区域的线宽表现 双重图形技术采用多层工艺 能够进一步缩小成像图形的尺寸 为了使这项技术能够确实可行 就必须要进一步提高套刻对准精度 此外 测量技术还必须具备很好的兼容性 目前令人鼓舞的是 通过努力看起来CD SEM有可能满足下几代半导体技术的需求 缺陷问题是双重图形量测中的另一大硬伤 原因主要有两个 首先是图形愈发精细 对于缺陷也更加敏感 那么量测设备的灵敏度也必须随之提高 另外就是工艺窗口更加狭窄 特定的图形将会带来所谓的系统性缺陷 这也要求量测设备能够及时将它们检测出来 EricBouche说 另外 套刻精度如何测量也是关键 仅仅保证掩膜版与前层的对准无误是远远不够的 还要确保掩膜版制造的问题不会影响最终的良率 以散射技术为基础的CD和形貌测量技术对于套刻精度至关重要 返回 3 高k电介质 金属栅极 高k电介质 金属栅极工艺在45nm工艺节点就已采用 在45纳米制程中 高k电介质的等效氧化层厚度为1 0纳米 而在32纳米制程中 此氧化层的厚度仅为0 9纳米 而栅极长度则缩短为30纳米 高K介质是什么样的材料 它应满足如下要求 高介电常数 50nmCMOS器件要求k 20 与Si有良好的热稳定性 始终是非晶态 以减少泄漏电流 有大的带隙和高的势垒高度 以降低隧穿电流 低缺陷态密度 固定电荷密度 以抑制器件表面迁移率退化 满足口述条件又能量产的高k电介质是二氧化铪 HfO2 一般来讲 用于MPU等高性能电路的高k电介质为铪氧化物 HFO2 K 25 用于低功耗电路的高k电介质为铪硅酸盐 铪硅氧氮化物 HfSiO HfSiON K 15 HfO2具有较高的介电常数 但集成较困难 除了在厚度较薄或被恰当保护处理外 它在较低温度 500 会结晶 HfSiO可提高材料的热稳定性 但会降低k HfSiON有很好的热稳定性 甚至经过 1050 的源 漏退火处理后 仍能保持多晶态 而且可略提高k和降低栅极漏电流 目前常常在硅与高k电介质之间引入一层薄的经过优化的SiON界面层 以防止载流子迁移率下降 金属栅的形成 金属栅的形成有3种方式 1 金属插入式多晶硅叠层 MIPS 首先把金属插入到多晶硅与高k电介质之间形成栅结构 仅有部分多晶硅被转化为硅化物 在叠层顶部形成NiSi NiSi电阻率比以前采用的硅化钴 CoSi2 和硅化钽 TiSi2 略低 如三星的制程 先沉积高k电介质HfSiON或HfO2 然后采用CVD沉积TaN 再沉积多晶硅 其nFET驱动电流620 A m PFET驱动电流为230 A m 2 全硅化物栅 FUSI 3 双金属的全金属替代栅 RPG 如索尼制程 nFET采用大马士革W TiN HfSiO2栅叠层 其驱动电流1050 A m PFET采用W TiN HfSix HfO2相叠层 其驱动电流为710 A m 4 超低k电介质 气隙技术 针对32nm节点及更先进的半导体制程节点发展蓝图中 都必须采用超低k电介质来降低相邻金属线之间的寄生电容 特别是在互连层上 IBM公司最近开发出一种所谓的气隙 airgap 技术 可在32纳米芯片的金属线间