微细加工技术

微细加工技术09 机一 09010129 王瑞一. 微细加工技术现状1990年微细加工技术的生产水平是100m到0 卩m。到1994年，16M DRAM 64M DRAM已生产，254M DRAM也将投入生产。1664M DRAM用03m 04 m的微细加工技术。256MDRAM用025m的加工技术。目前，实验室已做出 1000M DRAM的产品。也就是说,01m008m的微细加工技术,不久也将投入 生产。当前微细加工技术的动向是:一方面将生产1664M DRAM的设备，进行改 进，以提高生产率，另一方面是开发新工艺、新设备。微细加工技术的关键是曝光 技术和干蚀技术。我们将以这两方面为重点，介绍微细加工技术的现状和发展动 态。1 1664M DRAM生产技术的改进当前生产16M DRAM的设备，一般都能生产 64M DRAM。它们主要用缩小投影曝光装置，典型的有NSR 2005i10c,Ex10B,NSR4425i。其主要参数，如表1所示。缩小投影曝光装置的特点 上述三种装置，都能生产14-64M DRAM器件，其中NSR-4425i能生产256M DRAM 器件，光刻水平达到025m。这三种设备,校正系统都经过改进，稳定性大大提高。同时，对干涉反射镜曲线, 进行补正。干涉光路进行空调，使精度大大提高。另外，对放大倍率也进行补偿和 修正。使误差控制在10 nm以下。使用准分子激光器，使曝光功率下降，曝光成本下降。NSR-4425i,是一种成本较低而性能优良的设备，由于它采用了混合和匹配 平台，能生产16M、64M、256M DRAM器件。场尺寸达44 mmX 44mm,主流场为22 mm X44 mm,生产256M DRAM器件，月产达2万只。1.1印刷式曝光机1.1.1概要它是一种等倍率曝光机,采用混合和匹配平台，具有“印刷”功能，故而又称 它为超技术步进机。其突出优点是生产性咼而成本低。该类机中的优秀者是224i 型。它使用i线作曝光光线，大口径光学系统，超高精度的平台，曝光光的波长为 355375nm。每小时能生产200 mm片80枚。150 mm片105枚。1.1.2结构和特征该装置的最大特征是采用高性能的1 XHerShel-Wynne-Dyson光学系数。它采 用两个消色透镜两个棱镜一个主透镜,构成光学系统，曝光场较大，故而生产率较 高。曝光时,片上得到的能量较大，故而曝光时间短，由于它采用混合式和匹配式 的平板印刷方法,使生产线成本低而产量高。1.2电子束直接扫描系统电子束直接扫描系统，也叫无掩膜曝光系统。以前就有这种系统，但其产量低， 未能推广，本文介绍的HL-800D电子束直接扫描系统可生产64MDRAM器件,并且产 量也较高，成本较低。1.2.1电子束直接扫描系统的优点电子束直接扫描系统的优点，如表3所示，从表3.看出，它有很多优点，主要是 成本低，开发期短，适应性强特别适合科研单位和小批量生产用。若是每日生产250枚片以下，用电子束直接扫描系统,生产成本较低，它比用掩膜曝光，成本 低得多。电子束直接扫描系统，虽然其电子束偏转范围有限(3 mm5 mm),但其扫描面积 可以“拼”这样，扫描面积就不受限制。该设备，也可生产256MDRAM器件J.3.2HL 800D概况日立公司开发的HE800D系统,其加工水平达0 m0 -3p m,150 mm,生产能力达1020（枚/h）,一次成型扫描法，是通过转写掩膜形成的，如图1所示,通过转写掩膜可一次 形成较为复杂的图形或使扫描线更精度。通过使用补偿法并运用转写掩膜,或可以提高扫描速度，或可以提高扫描线的精细程度, 但其代价是失去了无掩膜的优点（有转写膜）。用转写掩膜,该装置可达到005p m的直线尺 寸，精度可达到015p m,甚至有人说,这类设备将来可生产1GDRAM器件。1.3干蚀技术在微细加工中，尤其是达到025p m水平的精细加工中，干蚀技术就显得很 重要,现在微细加工对干蚀的要求如下：a）片面积大,均匀性要好；b）无机械损伤；c）有高的选择比；d）高的纵深比；e）离子控制性要好；f）处理速度快。要达到上述六项要求，用以前的腐蚀方法是不行的,新开发的ECR*,能很好的 满足上述要求。ECR的特点:等离子密度大，电子动能大，干蚀质量高，速度快。搭载有ECR的 干蚀装置APEX7000/PINADE8000具有极好的干蚀性能：1）对氧化膜的干蚀，选择比达到50100而且 尺寸误差极小。2）对铝（Al）加工:选择比达到3以上，并能完全防止腐蚀。以上设备腐蚀的结 果，如图2所示。从图2看出：这种装置的干蚀效果，是极好的。 TiN/Al-Si-Cu/TiN/Ti的蚀刻实例（蚀刻速度：0755nm/min,均一性±38%, 选择比相对PR39）电子束激励的等离子发生装置，是另一种较好的干蚀装置。它是电子和电场 作用,来产生高密度的等离子装置，其特点是：1）电子能量分布，加速均可控制；2）采用差动排气方式，氧、氯等还原气体从侧面导入，故而阴极寿命长。3）能产生高密度的等离子。这种装置的原理图，如图3所示。图中的反磁场线圈，生产尖峰磁场。在片子 附近，产生磁场扩散区。由等离子室射入的电子束,沿磁力线迅速扩散,形成均匀 的等离子区（可形成200 mm以上的等离子注）。等离子室中间的永磁体，使电子分 散，多极磁场,使电子和离子复合率降低。该装置的干蚀性能较好，均匀性高，腐蚀速度快。它对光刻胶的腐蚀,选择比 大于40。对氧化膜的选择比大于150。对GaAs的腐蚀速度快，均匀性也好，选择 比高,并有保角性。另外，最近还出现了多通道干蚀装置。这类装置是一种投资少、效益高的干 蚀装置。这类装置，也是干蚀装置发展的一个重要方面。二. 微细加工技术发展研究微细加工技术是集成电路（lC）工业的基础，是半导体器件研究的必要手段。 其中的lC以动态随机存储器（ORAM）为代表，具有肉眼无法看见的记忆功能结构, 而半导体器件以小尺寸器件为主。为了制备大规模集成电路（VL引）、超大规模 集成电路（ULSI）和量子器件，微细加工技术正由微米、亚微米、亚半微米一直向 纳米级和量子化方向发展。除了 1C技术外，液晶显示器（LCO）技术、微机械技术 和光电子技术的发展同样离不开微细加工技术水平的提高。人们越来越感到以微 细加工技术为支柱的微电子技术正在成为一个国家综合国力的重要体现，成为国 际竞争的焦点。因此许多发达国家目前都加大了在微细加工技术研究方面的投资 强度，以期取得微细加工技术领域的领先地位。微细加工技术包括曝光技术（即光刻技术）、刻蚀技术、浅结掺杂技术、超薄 膜形成技术等。其中的曝光技术是微细加工技术的核心。2.1国外微细加工技术在Ic方面的成就国外微细加工技术在IC工业方面取得了很大的成就。表1是ORAM发展所 要求达到的光刻技术水平和近年来ORAM的发展趋势。需要特别提到的是，1991 年，日本日立公司研制成功64MORAM，其加工线宽为0.3微米，芯片面积为 9.74X20.28平方毫米，集成度为1.21火1护个元器件；1992年，日本富士通公 司推出256MORAM，加工线宽为0.2微米，芯片面积为16火25平方毫米，集成 度为5.6x1 了个元器件。由表5不难看到，国外在微细加工技术研究方面取得的 进展是很快的，以致于每隔几年就能推出一代产品。以下是生产256MORAM所需 达到的微细加工技术水平:光刻0.25微米（套刻精度士 0.08微米，线宽控制0.04 微米），无机且能真空处理的全干刻蚀剂技术，0.1微米以下浅结技术，低温工 艺仁平坦化，全干法加工、刻蚀、清洗，CVO铝和铜金属化，全自动化。2.2国外微细加工技术在半导体器件研究方面的成就国外微细加工技术在半导体器件研究方面也取得了很大的成就。1993 年，日本东芝公司的研究开发中心研制成功门长度仅为0.04微米的n沟道 MOSFE 丁，并且可在室温下工作。德仪（TI）公司在工993年也研制成功晶体 管特征尺寸为0.02微米的集成电路，在该特征尺寸下，电子已经停止了粒 子活动，开始转化为类似波的活动。目煎国外研制的日EM下器件的最小栅 长仅为25纳米。另外，国外也利用高水平的微细加工技术制作出了与电子 相干长度相当的纳米结构（包括量子线、量子点阵、量子点接触等），并对其 物理过程进行了广泛的研究，提出了电子波器件的可能性。美国物理评论 杂志指出，以量子效应为基础的电子波器件有可能成为ULsl技术的基础， 并将导致未来电子学发展的一场新革命。国外在lC工业和半导体器件研究方面所取得的成就无一不得益于微细 加工技术的发展。可以说，国外的微细加工技术正在朝着物理加工极限发展。三. 光刻技术的发展光刻技术是微细加工技术的核心。考核光刻技术的质量指标主要有分辨 率、焦深、生产效率等。对于未来可能应用于IC工业的光刻技术，目前争 论较多的是光学光刻和X射线光刻。根据瑞利公式，投影光学系统的分辨率R-kl入/NO,其中入为曝光波长， NO为镜头的数值孔径，k，为条件系数。不难看出，提高光刻分辨率的途径 有三:一是增大N。，二是缩小入，三是提咼k;。80年代中期，人们曾把增大 闪。作为提高分辨率的主要途径，但为了满足芯片面积日益增大的要求和提 高生产效率，必须在增大NO的同时又加大视场面积和降低畸变，这就使光 学设计越来越难。于是人们开始转向缩小曝光的波长，但是根据焦深公式：00 一 kZ入/N02，增大NO和缩小入又不可避免地导致焦深的急剧减小。这似乎表明，光学光刻快要走到了尽头。然而，马克赖文森于1982年提出了移相曝光技术，也就是通过改变 辐射光相位的方法使曝光图形的分辨率和焦深得以提高。它包括移相掩模曝 光技术、片子移相曝光技术、改进照明光源的移相照明技术等。光学光刻有 了一种“柳暗花明又一村”的感觉。目前tC工业生产中的16M0RAM采用的 是i线以一 365纳米）紫外曝光，旧M和日立公司目前正在考虑采用i线结 合移相曝光技术或者激光曝光技术（入=248纳米）来生产64MDRAM，1992年日 立公司推出的256MORAM所采用的光刻技术也是光学曝光技术。最近，日本 科学家宣称，采用移相曝光技术可以使加工线宽达到0.15微米。但是必须 看到，所谓的移相曝光技术其实已经超出了普通光学曝光的范畴，其掩模的 制作难度很大，制作成本也很高。而且，要生产IGORAM（特征尺寸0.18微米） 及IG以后的ORAM时，光学光刻很难有所作为。这时，人们认为X射线光刻 会显示出其巨大的优越性。X射线光刻最初是旧M公司的史密斯（日.1.Smith）于1972年提出的，后 来许多国家都投人巨资进行研究。毫无疑问，同步辐射X线光源是最好的X 射线光源，它具有光强强度高（达到100mw/cmZ以上，比普通的X光管高两 个量级）、准直性好、光强均匀等优点，所以目前研究最多的是同步辐射X 线光刻。同步辐射X线光刻具有分辨率高（最近法国微结构国家实验室CNRS 已用同步辐射x线光刻技术曝出线宽为5o纳米，间隔为100纳米的周期性 重复图形）、工艺宽容度大、生产效率高、单片芯片的生产成本低（相对于光 学光刻）等优点。它包括同步辐射X线光源、掩模、光刻胶、对准装置四大 部分。其中的掩模制作是同步辐射X线光刻的关键，目前各国都普遍采用电 子束光刻的办法制作母掩模的图形，然后用X线曝光的方法拷贝母掩模，可 以大大地降低掩模的制作成本。X射线光刻自从问世以来进展一直比较缓慢（相对于光学光刻而言），但 是1988年以后国外关于这方面的报道陡然增多，表明X射线光刻技术已取 得较大的突破。以下是近几年来国外采用X射线光刻技术在储存器研制方面 取得的进