193nm光刻技术延伸面临的选择

尽管以前没有考虑过次波长光刻，但是现在人们逐渐接受了这样一个事实：采用任何波长的光源都可以得到分辨率为三分之一波长的特征图形。因此，将193nm光刻设备用于65nm工艺时代必定是可行的（）。

为130nm工艺制作的193nm扫描光刻机二进制掩模版。相位移和其它提高分辨率的技术至少可以将193nm光刻带入65nm工艺时代。

尽管半导体业界已经有一些继续拓展193nm（ArF）光刻的方法，但是到底采用哪种技术以及193nm光刻还能走多远仍然是人们争论的话题。目前，延伸193nm光刻应用范围的方法包括一系列提高分辨率的技术（resolution enhancement techniques，RETs），例如强烈相位移、辅助结构和特殊光源技术以及本年度热门的话题--浸入式光刻（）。

浸入式光刻技术很可能将193nm光刻延伸到至少45nm工艺时代。图为实验用浸入式光刻系统，其中投影棱镜和晶片之间充满了水。

掩模版制造商Photronics公司的科学家Chris Progler认为，芯片制造商可以将193nm光刻延伸至多远部分取决于他们能够采用的基本设计规则（design rule）要求有多严格。很少有公司会真正进行器件的全面微缩，他们只会在真正需要的地方采用193nm光刻技术制作65nm及以下器件。

Progler预计65nm工艺时代会出现一套新的基本设计规则。通过数值孔径（NA）的继续提高或者浸入式光刻技术的应用，其中许多规则还能用于45nm工艺。“然而，进入45nm以下工艺时，我想原来有关工艺时代的观念将开始逐渐变化。说实话，我认为那时将不太可能维持象IRTS预计的那样两到三年进入下一工艺时代的想法。之前我已经强调过这一观点很多次了，我相信一定会这样的。”所有基本设计规则仍然保持70%微缩程度是不切实际的，他补充道。

每次出现新的工艺变化时，半导体业界都会面临相当多的选择—该采用什么技术从一个工艺时代进入到下一个工艺时代。我们要尽可能地缩小选择范围。我们必须做出决定，从众多备选方案中做出的选择。就象Dupont Photomasks Inc.应用总监Craig West所说的那样，“当你展望未来时，你会发现在通向未来的道路上有很多岔路口。”例如，是该发展193nm湿法光刻还是157nm干法光刻呢？另一个例子是157nm湿法光刻和EUV光刻之间的艰难选择。这些发展方向的终结果是迫使我们在提高掩模版复杂度和缩短波长之间做出选择。

West说：“实际上，2003年已经基本明确定了未来几个工艺时代的发展方向。与缩短波长相关的一些选择方案被排除了。65nm工艺肯定可以通过193nm干法光刻实现；如果采用浸入式光刻技术，看起来也很容易达到45nm工艺水平。”

甚至有人相信浸入技术还可以使193nm光刻走得更远。Photronics技术副总裁Steve Carison说：“45nm只是其中的一个工艺时代，193nm光刻可以继续走下去。”

相位移掩模版
相位移掩模版（Phase-shift masks，PSMs）是拓展193nm光刻能力的关键。“相位移已经成为存储器和逻辑器件制造的主流技术。PSMs是提高光刻分辨率的技术。”West说，“许多层的图形分布很容易与相位移掩模版的要求相吻合，特别是接触窗口和微通孔层的孔洞图形。”

PSMs的继续发展将依赖于更强的相位移和更复杂的特征结构。目前基本的是6%嵌入式PSMs。要想使相位移技术能够达到下一代技术水平的要求，可供选择的掩模版类型主要有三种：补偿式相位移、二次曝光和可以进行低k1成像的曝光技术。

West说，补偿式相位移是目前为人所熟知的相位移技术，其中主掩模版起到强烈相位移的作用，第二块掩模版起到补偿功能。“现在的基本硬件设施显然已经采用并掌控了大部分补偿式相位移掩模版。该方法的缺点是必须使用两块掩模版。”晶片加工的每一层都需要经过两次图形转移，除了延长曝光时间外，还会引起套刻偏差问题。

Progler说，补偿式PSMs具有很强的挑战性，但是大多数人都认为它是有发展潜力的相位移技术。“然而，两块掩膜版明显增加了其运行成本。”
二次曝光技术也使用了两块掩模版，但是该方法与补偿式曝光完全不同。Progler介绍说，补偿式相位移中的第二块掩膜版相对来说要简单得多，它只用于块掩膜版曝光后进行相应的补偿；但是二次曝光相位移技术的两块掩模版看起来很相似，而且都比补偿技术中的主掩模版简单。

第三种方法则采用无铬掩模版光刻技术，这是一种只采用一块掩模版、曝光的技术（）。该技术依赖于结构非常复杂的掩模版，其掩模版通常需要多次刻写才能完成。但是，其优点是只需曝光。United Microelectronics Corp.（UMC）去年12月初宣布，他们已经成功地采用无铬PSMs为客户生产出90nm工艺功能芯片。该公司称他们将为65nm及以下工艺评估该技术和其它RETs技术的可行性。

. 无铬相位移掩模版，蚀刻石英结构宽165nm（掩模版尺寸）。该设计还在一些石英上残留了部分铬，尺寸为350x270nm。

无铬相位移光刻（Chromeless Phase Lithography，CPL）技术来自ASML MaskTools公司，该技术正受到越来越多的关注。“CPL的好处是只需一块掩模版（上面具有许多比所需分辨率还小的复杂图形），因此关键层图形转移速度更快，不需要补偿式设计那样采用经过分解、多次曝光的方法。”West说。“该技术在软件解决方案和扫描光刻设备效率之间找到了很好的平衡点。其中大部分关键的掩模版制作技术已用于实际生产，与石英蚀刻概念相关的技术则正在加紧开发中。无论采用哪种类型的掩模版，相位移技术一定是提高光刻分辨率的优先选择。”

CPL定义图形时采用无铬特征图形，掩模版透过率几乎为100%，相位移程度为180°。其中，相位移是通过在标准铬/石英衬底上进行石英蚀刻实现的。根据Photronics公司Carison的观点，CPL除了具有补偿式相位移技术的所有优点外，还有只需一块掩膜版的好处。“实际上，它是更能拓展光刻能力的方法。”

ASML MaskTools总裁兼CEO Dinesh Bettadapur说，“也许二次曝光技术的分辨率要稍微高点。但是从全盘考虑CPL具有更高的价值。”根据Carison的说法，二次曝光和CPL极限分辨率的差距只有几个百分点，只有在特定的图形上才能显现出来。

还有一个非常引人注目的方法是仍然采用目前的6%嵌入PSM，只是提高了其透过率。“我们称之为可变透过率，因为我们仍然在努力寻找透过率。”Progler举例说，也许有些掩模版具有40%的透过率，而其它掩模版却只有9%。“在某种程度上，透过率取决于各光刻层的类型。”

Progler解释说，提高透过率本质上是使铬“漏过”更多的光，相应的掩模版具有更强的相位移效果。相位移是透过掩模版暗区和亮区的光线互相干涉造成的。但是，透过率并不是越高越好。“透过率太高时，有些地方会变得很难处理。”

其它手段
除了相位移之外，还有其它一些提高分辨率的技术。“许多新出现的方法采用了图形分解的概念：采用偶极子光源对X、Y轴图形进行选择性的转移。”West说。“次分辨率辅助特征图形（subresolution assist features，SRAFs）的使用是光刻研究人员在设法获得可变图形密度和间距的同时努力扩大有限工艺窗口（特别是逻辑产品）的有效方法。”

West指出，以上诸多技术的结合才能真正解决先进工艺技术的需求。“为了得到效果，必须同时使用很多方法。例如，补偿式PSMs完全取决于OPC（光学近似性校正），而OPC又推动了SRAFs在嵌入式PSMs中的应用。”

West说，PSMs技术的基础是可以将设计从原来的平面形式快速转变成相位移形式。“以上任何策略的关键是设计。当我们回顾历史时，我们会发现相位移掩模版技术的推动力之一就是设计，而不是掩模版制造能力。”

EDA软件工具经过不断发展已经基本成熟了，IC设计者和软件开发者开始加强与掩模版制造商以及光刻机制造商之间的密切合作。十二月，Photronics和ASML MaskTools宣布结成策略联盟，共同为CPL技术开发可用于生产的掩模版制作基本硬件。Photronics将帮助ASML MaskTools开发经过优化的CPL制作工艺流程过程。反过来，ASML MaskTools将为Photronics提供与掩模版制作、晶片图形转移以及软件应用相关的CPL开发权利。

浸入式光刻
没有人会说浸入式光刻是一件简单的事。但是，与可供选择的其它方如157nm光刻相比较，大多数人会认为浸入式光刻是非常值得试一试的。MIT林肯实验室亚微米技术小组组长Mordy Rothschild说，“在别无选择的情况下，你只能去尝试那些看起来几乎不可能实现的事情”。林肯实验室的该研究小组是早开展193nm和157nm光刻技术研究的，两、三年前他们开始研究以上两种波长下的浸入式光刻技术。

尽管人们对浸入式光刻还有一些疑虑，例如气泡或水/光刻胶可能互相反应等，浸入式光刻看起来已是大势所趋。该技术在的投影棱镜和晶片之间充入了一种液体，193nm时很可能是水。由于水的折射指数比空气高（1.44:1），因此可以增加投影棱镜数值孔径NA，相当于将193nm波长缩短到134nm，从而提高了分辨率。

往光刻系统中加水有好几种方法：喷淋式设计，将水喷在晶片上然后设法带走；浴缸式设计，将晶片完全浸入“浴缸”，“浴缸”可以随着晶片平台移动；游泳池式设计，将整个操作平台都放置在水中。现在，半导体业界倾向于采用喷淋式设计。实际上，Nikon和ASML的设计都是该方法的变形。这两家公司都公布了与TEL合作开发浸入式光刻技术的协议，TEL将为他们提供独特的液体传送技术。

. 用于浸入式光刻的喷淋系统，它从晶片一侧喷淋液体，然后从另一侧将液体吸走。

Nikon的设计概念如所示。Nikon Precision公司主任工程师Gene Fuller介绍说：“大致说来，该方法在晶片一侧设置了一个喷嘴，将水喷到棱镜下面，然后从另一侧将水吸走。”尽管还会涉及更多的技术细节，但是现在设备开发商都守口如瓶，没有向外界透露更多信息。但是，Fuller说，“对任何人来说，它都不会是看起来很奇怪或不寻常的东西。”

尽管浴缸式设计可以使晶片边缘更加容易曝光，但它给操作平台增加了太多重量，结果对生产速度产生了不利的影响。“仅仅增加1-2升水就会损失生产效率。”ASML市场总监Boudewijn Sluijk说。“因此，我们现在采用的是喷淋头概念。”他补充说，该方法仍然可以使晶片边缘曝光。“有挑战性的问题是如何控制棱镜下面水的分布。”

然而，水中可能含有气泡是浸入式光刻关心的一个主要问题，气泡会对成像品质造成严重的威胁。Rothschild介绍说，气泡主要有两到三种来源。正常情况下，水中含有一些空气，这些空气分子可能会形成气泡。简单的办法就是对水进行除气处理，目前市场上已经有这样的商业化系统可供选择了。

Rothschild说：“即使这样还是有一些问题。水和晶片接触时会发生什么现象呢？”当水充满图形中间的一些间隙时，由于这些地方原来是空气，因此有可能使空气通过界面进入水溶液。“我想，为了确保不会发生这种现象还需要做许多工作。”

另外一个与水相关的问题是水对接触的材料（光学系统的一个棱镜和光刻胶）造成的影响。很多研究小组一直在研究当水与光刻胶接触时会发生什么现象，其中包括对污染问题的担心。Rothschild说，粗略看来两者之间没有太多反应。“对于光刻胶来说，目前关心的问题可能要稍微少点，因为光刻与水的接触时间不是太长。”

相反，棱镜却要与持续的水流相接触。水流可能会对棱镜造成损伤。“氯化钙并不是水溶性材料，但是随着时间的延长，它对水还是足够敏感的，特别是当你用激光对棱镜进行辐照时。”Rothschild说。“甚至在几个小时之内，氯化钙就会变得粗糙不平。”为了解决这个问题，有好几个研究机构正在研究采用保护层的解决办法。

研究人员正在继续努力，使半导体业界确信浸入式光刻看起来已经没有任何障碍了。但是，这里所说的“障碍”是指违反能量守恒原理。Fuller指出：“真正的问题是那些还没有解决的细枝末节以及资金还没有到位。”

Rothschild说：“实际情况是目前还没有真正可以工作的浸入式步进和扫描系统。”目前仅有的少量测试系统使用的都是静态的水。随着可实际运行浸入式步机和扫描系统的推出，研究人员一定可以找到更多答案。

改进与革新
尽管还存在一些可能的未知情况，浸入式光刻已经深深吸引了半导体业界。其主要吸引力之一是该系统可以建立在现有平台和基本硬件基础上。West说，“浸入式光刻的显著优点是能够保持材料延续性，包括嵌入材料及其柔软的表层等。光刻胶只需进一步改进而不是发现新材料。浸入式光刻可以保持基本硬件结构完全不变。”

就系统本身而言，必须将晶片处理系统改成能够添加液体，软件也需要进行改编。但是，系统大部分组成基本保持不变，包括大部分光学系统和掩模版平台。设备制造商提供的台评估系统看起来几乎与的干法光刻设备一模一样。Fuller说：“三大公司都采用了同样的理念在进行开发，而且都是在现有基础上建立了浸入式光刻设备。”其中，Nikon的台浸入式光刻设备是建立在其NSR-S307E基础上的。这是一套ArF光刻系统，NA为0.85。Nikon近才推出了该系统，并且已经成功制造了样机。

去年夏天，三大主要设备供应商（Nikon，ASML，Canon）声称他们将在2003年12月或2004年1月之前决定是否进行浸入式光刻设备的生产。12月初，Nikon和ASML宣布他们都将生产浸入式光刻机，并公布了推出预生产和生产系统的时间表。

Nikon希望能够在今年下半年完成基于S307E的工程评估模型，同时预计2005年将推出预生产模型。预生产模型将建立在S307E下一代产品的基础上，NA为0.92。该公司将从2006年开始销售生产设备，NA大于1.0。

ASML说他们希望能在今年第三季度推出台预生产浸入式光刻设备。它将建立在该公司刚刚推出的Twinscan XT:1250的基础上，NA为0.85。同时，ASML宣布它已经接到了来自台机电（TSMC）的份XT:1250i定单。

1月下旬，IMEC宣布它将加强与ASML在浸入式光刻上的合作，预计今年第四季度安装ASML公司的XT:1250i。同时，IMEC说它将在继续157nm光刻业界联盟计划（industrial affiliation program，IIAP）的同时，发动193nm浸入式光刻业界联盟计划。

Fuller指出，浸入式光刻的呼声之所以这么高，一个重要原因是因为它能够在相当短的时间内投入生产。他说，历史上在新技术或新波长真正用于大规模生产之前，对设备进行全面测试就需要五到六年。“浸入式光刻的实现要比六年快得多。假设2004年是我们真正完成早期模型设备的年，那么多三年之内我们就可以将其用于实际生产了。”

设备供应商首先在现有NA为0.85的系统上进行了改进。他们并没有将目标立即指向提高分辨率，而是利用了浸入式光刻焦深（depth of focus，DOF）更大的优点，降低了对k1的要求，因此也就不再需要非常复杂的掩模版了。显示的是ASML早期浸入式光刻结果，该系统明显提高了DOF。

浸入式光刻系统的NA值与干法光刻系统一样时（本例NA为0.75）并不能提高分辨率，但是却明显提高了焦深，降低了对k1的要求。

Fuller说，“实际上，有段时间内TSMC对这一点非常感兴趣，而不是将NA提高到1.3。”作为代工公司，很多设计产量很低，因此TSMC毫无疑问地会感受到掩模版复杂度提高导致成本飞涨所带来的巨大压力。所以，TSMC一直是浸入式光刻技术的积极倡导者和拥护者。

Progler说，对于掩模版制造商和芯片制造商来说，浸入式光刻是很好的发展趋势。“我们不想使所有掩模版都复杂到难以制作。”他还指出，为了保持半导体工业向前发展，我们应该合理地交叉使用简单和复杂的掩模版。“我想，能够持续合理的交叉应用是件非常好的事情。但是如果没有浸入式光刻，这种趋势就很难继续进行下去。”

，尽管我们可以制作非常复杂的掩模版，但是的IC制造商一定会尽可能采用常用技术。他们一定会采用浸入式光刻，发展到一定程度后再继续使用其它RETs技术。，就象193nm干法光刻那样，强烈相位移又会成为拓展193nm浸入式光刻的有效方法。