相移掩膜技术的原理、应用与进展

1、相移掩膜技术的原理、应用与进展1、 概述随着大规模集成电路技术、设备和产品的不断发展，要求愈来愈高的光刻分辨率，使用更大的芯片和硅片尺寸。过去为了提高光刻分辨率，大多着眼于缩短曝光波长和提高光刻物镜的数值孔径，根据如下公式:分辨率： R=K1NA （1） 焦深： DOF=K2NA2 （2）式中为曝光波长，NA为光刻系统数值孔径，Kl和KZ为与抗蚀剂和工艺有关的常数。对于典型光刻系统Kl=0.7-1.0，KZ=0.4-0.5。从式(l)和(2)显而易见，缩短波长虽然提高了分辨率，但减小了焦深；增大NA可增大分辨率，但同样使焦深缩短。焦深是光刻中的重要因素，由于硅片的不平度、抗蚀剂厚度不均匀性以及

2、系统的调焦、调平等限制，实用光刻焦深往往有个最低限度(如士0.5um)，如小于此限度则难以实用，在这种情况下侈谈分辨率已毫无意义。当焦深在确定实际分辨率中起主要作用时，瑞利判据就不再适用。所以在传统掩模光刻技术中，继续增大NA、减小几不可能进一步改善实际分辨率。而且，波长缩短也是有限的，因为深紫外光源无论从可靠性、稳定性、可得性、维护和经济性以及光学材料的种类诸方面均不如现有的光源。新的光源，如KrF(248nm)准分子激光器，要求频带压窄，价格昂贵；ArF(193nm)准分子激光器，长期辐照会改变光学材料性能，深紫外光学材料目前只有石英玻璃、CaF，和MgFZ几种，且加工困难，价格昂贵。NA

3、增大，同样给光学设计和加工造成困难。所以在80年代中期，普遍认为光刻技术的极限约0.5um，再细就只有依赖于X射线和电子束了。 1982年IBM研究实验室的Mar Levenson，等人发表了有关相移掩模技术理论的论文，1990年以来，相移掩模研究成为热门课题，与其它光刻技术的发展一道，人们正把光刻技术极限推进到0.1um。预科PSM技术有可能用于超大、特大和巨大规模集成电路时代。二、相移掩模的原理 光刻技术的基本思想是硅片表面上象光强度由掩模上各个透光孔衍射的波的组合确定。图形特征尺寸、离焦量对象衬比、光强度、分辨率和象质有重要的影响。图形刻划的主要判据是图形的衬比。 Levenson等人，

4、提出的PSM方法可使衬比改善，分辨率比传统方法改善40%一100%。其原理是使透过掩模图形上相邻透光孔的光束之间产生180度相位差，因而使特征图形周期小时，硅片表面上相邻图形象之间因相消干涉使暗区光强减弱，由能量守恒定律知，势必使图形亮区象增强；而且相邻透光区之间的相位相反，改变了掩模图形的空间频谱分布，消去了直流分量，压窄了频带，换句话说，使用相同的光刻系统，PSM(Levenson型)可使掩模图形的空间频率增加一倍时光刻系统仍能分辨，即分辨率提高一倍。由于反相，产生振幅通过零点，使象强度分布衬比(度)提高，改善了分辨率、边缘陡度和曝光量宽容度。光刻分辨率取决于照明系统的部分相干性、掩模图形

5、空间频率和衬比及成象系统的数值孔径等。相移掩模技术的应用有可能用传统的光刻技术和i线光刻机在最佳照明下刻划出尺寸为传统方法之半的图形，而且具有更大的焦深和曝光量范围。例如使用PSM，在NA=0.5，=248nm，分辨率可达0.15um；NA=0.6，=365nm，实际分辨率可达0.2um。相移掩模方法有可能克服线/间隔图形传统光刻方法的局限性。相移掩模类型多，分类方法也不同，但基本原理都是相邻透光图形透过的光振幅相位相反产生相消干涉、振幅零点和(或)频谱分布压窄，从而改善衬比、分辨率和象质。三、相移掩模的应用与进展随着移相掩模技术的发展,涌现出众多的种类, 大体上可分为交替式移相掩膜技术、衰减

6、式移相掩模技术；边缘增强型相移掩模, 包括亚分辨率相移掩模和自对准相移掩模；无铬全透明移相掩模及复合移相方式( 交替移相+ 全透明移相+ 衰减移相+ 二元铬掩模) 几类。尤其以交替型和全透明移相掩模对分辨率改善最显著, 为实现亚波长光刻创造了有利条件。全透明移相掩模的特点是利用大于某宽度的透明移相器图形边缘光相位突然发生180度变化, 在移相器边缘两侧衍射场的干涉效应产生一个形如“刀刃”光强分布, 并在移相器所有边界线上形成光强为零的暗区, 具有微细线条一分为二的分裂效果, 使成像分辨率提高近1 倍。随着移相器线宽缩小, 则两个暗区靠拢合并成为宽暗区, 从而又具有亚分辨率图形结构遮光效应, 根

7、据这个原理, 设计密集亚分辨率全透明移相图形, 即可实现一种非常有用的无铬掩蔽功能。从而只用一种透明材料即可制作移相掩模, 简化了制造工艺, 因而构成和现有成熟的光掩模制作工艺具有很好的工艺兼容性。采用移相掩模技术和光学邻近效应校正技术相结合可以使193 nm光源的光学光刻推进到45 nm 工艺节点上,再加上浸没透镜曝光技术和两次曝光技术的应用已使193 nm 光源的光学光刻进一步推进到32 nm 工艺节点, 甚至有可能在22 nm 工艺节点得到应用。最近几年由于集成电路发展对半亚微米和深亚微米光刻技术的强烈要求，以及相移掩模技术获得重大的突破，达到了实用化的水平，进而开发出了多种设计和制作相

8、移掩模的工艺技术，出现了各具特色和优点的相移掩模工艺方法和产品。在近几年200mm 和300mm 晶圆生产中大量采用相移掩模（PSM）技术，在0.18m-65nm光刻时相移掩模（PSM）能满足相关工艺的要求。据VLSI 研究资料显示，在一段时期国际上掩模产品主要在180nm至65nm之间。目前大生产中主要采用光学光刻技术为主体的工艺技术体系, 随着加工精度不断提高, 促使这些技术不断发展, 除了提高投影镜头的数值孔径( NA ) 和改进光致抗蚀剂的性能以满足分辨率提高的要求外, 主要在更短波长的准分子激光曝光技术的开发和光的波前工程的应用相结合上不断有突破性的进展, 使光学系统的分辨能力达到小

9、于光源波长的亚波长甚至小于1/ 4 波长, 其中曝光光源的波长从g 线( 436 nm) 和i 线( 365 nm) 的汞灯光源发展到深紫外( DU V) 的KrF ( 248 nm) , 进而达到作为当前主流光刻技术的ArF ( 193 nm) 光源。Intel 公司于2003 年5 月23 日宣布放弃VUV的F2 ( 157 nm) 和Ar2 ( 126 nm) 光刻机的开发,决定尽可能充分地用好193 nm 技术资源, 让它多延长几代技术节点, 并且取得了满意的回报, 主要归功于移相掩模技术( PSM) 、光学邻近效应校正技术( OPC) 、离轴照明移相光源( OAI) 、空间滤波和表面

10、成像等波前工程技术的应用, 充分挖掘了光学光刻系统的潜力, 特别是近年来浸没透镜曝光技术上的重大突破, 使80 年代人们普遍认为的光学光刻技术的分辨率极限0.5 um 左右推进到亚30 nm。光学光刻技术的主导地位能延续到什么时候, 最终还是取决于后续的光刻技术应用于工业生产的成本, 包括光刻设备的成本、增强光刻掩模技术的成本和应用于相应波长光致抗蚀剂性能等能否有进一步的突破。光学曝光技术的潜力, 无论从理论还是实践上看都令人惊叹, 不能不刮目相看。其中利用控制光学曝光过程中的光位相参数, 产生光的干涉效应,部分抵消了限制光学系统分辨率的衍射效应的波前面工程为代表的分辨率增强技术起到重要作用, 包括: 移相掩