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      在毫米級晶圓上,繪制納米級圖案(一)

      作者:SMT設備 瀏覽量: 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 時(shí)間:2022-09-05

      信息摘要:

      三星電子晶圓代工事業(yè)部在國際互連技術(shù)大會(huì )(IITC, International Interconnect Technology Conference)上發(fā)表了一篇主題為“EUV Minimum Pitch Single Patterning(EUV單圖案最小節距)”的論文。我們?yōu)榇颂貏e準備了這篇博文,希望將論文內容和EUV(極紫光外刻)技術(shù)的特點(diǎn)分享給更多人。1. 首先來(lái)介紹光刻工藝提起半導體,

      在毫米級晶圓上,繪制納米級圖案(一)

      三星電子晶圓代工事業(yè)部在國際互連技術(shù)大會(huì )(IITC, International Interconnect Technology Conference)上發(fā)表了一篇主題為“EUV Minimum Pitch Single Patterning(EUV單圖案最小節距)”的論文。我們?yōu)榇颂貏e準備了這篇博文,希望將論文內容和EUV(極紫光外刻)技術(shù)的特點(diǎn)分享給更多人。

      1. 首先來(lái)介紹光刻工藝

      提起半導體,光刻工藝則是其中最受關(guān)注的關(guān)鍵詞之一。EUV,則是用于光刻工藝的一項技術(shù)。我們先來(lái)深度了解一下光刻工藝,從而更好地理解EUV。

      A. 在雕刻前進(jìn)行繪制

      在進(jìn)行切割或雕刻前,我們首先要做的就是繪制圖案。即提前把圖案畫(huà)好,以準確地在想要的部分上切割或雕刻。光刻步驟就類(lèi)似于圖案繪制的過(guò)程。半導體的生產(chǎn),可以理解為堆疊和切割的重復,利用光刻工藝則可以讓我們在想要切割的位置繪制圖案。

      B. 蓋印圖案

      我們在日常生活中通常用筆來(lái)畫(huà)草圖,而通過(guò)光刻工藝的英文名稱(chēng)Photolithography中包含的Photo(照片、圖案)這一詞綴不難看出,光刻工藝多少與照片、圖像有些淵源。如圖[1]操作所示,光刻,是通過(guò)光將圖案印在膠片上。 將想要繪制的圖案制成薄板,使用該薄板讓光或被阻隔或被透射,照射在需要的位置,顯影圖案。我們把這里使用的薄板,稱(chēng)為掩膜(Mask)或光罩(Reticle)。

      在毫米級晶圓上,繪制納米級圖案(一)(圖1)

      圖[1]

      類(lèi)似照相機原理的光刻工藝。為克服尺寸的局限性和確保精確度,薄板上的圖形應比所需照射的圖形尺寸大,中間再通過(guò)透鏡(Lens)聚集光來(lái)縮小尺寸進(jìn)行照射。

      但是,如果把光投射到紙上形成影子,影子的形狀不會(huì )自行永久留在紙上。若要像照片一樣,將照相機鏡頭照進(jìn)來(lái)的光留下,我們則需要膠片將光留影。在光刻工藝中,涂覆的光刻膠(PR, Photo Resist)便起到膠片的作用。光刻膠在光的作用下,會(huì )產(chǎn)生本身特性的變化。如圖[2]所示,將光刻膠涂覆到想要切割的物質(zhì)上后,當光穿過(guò)掩膜照射時(shí),受光的和未受光區域之間,光刻膠會(huì )出現性質(zhì)差異。利用這種差異,在光刻膠的受光或未受光區域中,根據需要保留和移除所需區域,這個(gè)過(guò)程就是顯影(Develop)。換言之,顯影的區域便是掩膜的圖案區域。這一系列過(guò)程被稱(chēng)為成像(Patterning),因為這是將掩膜的圖案(Pattern)顯影在想要切割的物質(zhì)上的過(guò)程。

      在毫米級晶圓上,繪制納米級圖案(一)(圖2)

      圖[2]

      光刻膠有兩種。留下未受光部分,并保留與掩膜遮擋部分相同的形狀時(shí)稱(chēng)為正膠(Positive PR);另一種與其相反,留下受光部分,并保留與掩膜穿透部分相同的形狀時(shí)稱(chēng)為負膠(Negative PR)。

      在成像之后,需要進(jìn)行蝕刻(Etch)工藝來(lái)切割物質(zhì),蝕刻會(huì )在整個(gè)區域一并進(jìn)行,留有光刻膠的部分會(huì )被保留下來(lái),從而得出目標圖案。 至此,我們已經(jīng)了解了光刻工藝的基本作用和原理。如此看來(lái),光刻工藝似乎是通過(guò)掩膜照射光即可完成的簡(jiǎn)單工藝。那么,在半導體行業(yè)中,光刻工藝的發(fā)展卻為何如此受矚目呢?

      2. 為什么要發(fā)展光刻工藝?

      為了讓工藝更加精細化,也就是使用更小的晶體管來(lái)生產(chǎn)半導體,我們需要克服很多因素的局限。其中之一就是光刻工藝。那么,光刻工藝面臨的“攔路虎”到底是什么呢?

      A. 影響成像的光的衍射和干涉

      當光通過(guò)狹窄的縫隙時(shí),會(huì )發(fā)生偏離原來(lái)的行進(jìn)方向,出現擴散的衍射現象,以及兩列光波相遇疊加或抵消的干涉現象,這就是影響成像的最大障礙。

      如圖[3]

      所示,光由于自身具備的衍射特性,在通過(guò)狹窄的縫隙時(shí)無(wú)法直行,而是以該縫隙為中心形成扇形波動(dòng)進(jìn)行擴散。衍射的特點(diǎn)是縫隙越窄或波長(cháng)越長(cháng),擴散的范圍就越大。

      在毫米級晶圓上,繪制納米級圖案(一)(圖3)

      圖[3]

      在以上兩種情況下,衍射現象更明顯,波長(cháng)擴散的范圍也更大。波長(cháng)變長(cháng)的情況為(a)→(b),縫隙寬度變窄的情況為(c)→(d)。

      而圖[4]更為復雜,衍射的光經(jīng)過(guò)兩個(gè)以上的縫隙擴散,并相互產(chǎn)生干涉現象。如圖[4]的(a)所示,如果縫隙的寬度和縫隙的間距相較于波長(cháng)來(lái)說(shuō)足夠寬,就不會(huì )有問(wèn)題,但如果像(b)一樣寬度變窄且縫隙之間的距離更近,就無(wú)法在光刻膠上正確顯影所需的形狀。也就是說(shuō),圖案的線(xiàn)條越細(縫隙窄)、排列越密(縫隙之間的間距越窄),就越難以繪制。

      在毫米級晶圓上,繪制納米級圖案(一)(圖4)

      圖[4]

      通過(guò)較窄的縫隙時(shí),衍射的光的擴散范圍會(huì )更廣,就會(huì )在更大的區域內發(fā)生大量干涉現象,從而光無(wú)法準確到達預期的位置。

      隨著(zhù)工藝技術(shù)的發(fā)展,晶體管的尺寸也越來(lái)越小。因此,光刻工藝中需要繪制的線(xiàn)條寬度越來(lái)越窄,且密度越來(lái)越大。這也就意味著(zhù)光刻工藝的難度越來(lái)越大。 那么,我們是如何攻克光刻工藝所面臨的這些壁壘呢?

      3. 即使迂回曲折,也要準確達到目的地!

      要想克服光刻工藝所面臨的局限性,有很多種方法。讓我們先來(lái)了解一下間接克服光的衍射、干涉相關(guān)問(wèn)題的幾個(gè)例子。

      A. 多重成像技術(shù)(Multi Patterning Technology):如果難以一次繪制完成,就分成兩次繪制!

      在經(jīng)過(guò)狹窄的道路時(shí),您是不是也和別人撞到過(guò)肩膀?但如果大家走路的時(shí)候,距離遠一點(diǎn),就可避免碰撞。對引起光之間相互干涉現象的問(wèn)題,我們采取的解決方法也與此類(lèi)似:即加寬縫隙之間的間隔,減少光與光之間的干涉。如圖[5] (a)所示,對于較窄間距的四個(gè)縫隙,原來(lái)只進(jìn)行一次成像,但現在通過(guò)(b)和(c)將其分為兩次、每次兩個(gè)縫隙來(lái)成像,便擴大了縫隙之間的間距,并減少了干涉。

      在毫米級晶圓上,繪制納米級圖案(一)(圖5)

      圖[5]

      如果將因縫隙過(guò)窄,無(wú)法正常成像的(a)分成(b)和(c)進(jìn)行兩次操作,則縫隙之間間距會(huì )擴大,此時(shí)可以按照所需形狀進(jìn)行成像。

      這種方式被稱(chēng)為多重成像技術(shù),因為它進(jìn)行了多次成像。

      B. 光學(xué)鄰近效應修正(OPC):印小做大;印大做??!

      在射箭打靶時(shí),如果我們瞄準了靶心但箭射偏,我們通常會(huì )根據方向偏離情況,在下一次將箭相應地向相反方向瞄準拉弦,也就是將誤差考慮進(jìn)來(lái),重新計算。與之類(lèi)似,在創(chuàng )建掩膜時(shí)對成像出現的誤差相應調整,就是光學(xué)鄰近效應修正(OPC, Optical Proximity Correction)。如圖[6]的過(guò)程所示,這是從結果中獲得反饋后,故意將掩膜進(jìn)行失真制作的方法。

      在毫米級晶圓上,繪制納米級圖案(一)(圖6)

      圖[6]

      在進(jìn)行光刻(Photo)和蝕刻(Etch)工藝流程時(shí),由于光本身的特性導致成像未能正常完成,從而不同于掩膜的形狀,會(huì )出現部分變厚或變薄,嚴重時(shí)甚至會(huì )消失,或出現與鄰近部分粘連的情況。這一過(guò)程就是參考這種誤差結果,來(lái)失真更改掩膜本身的形狀進(jìn)行操作,從而得到原本想要的形狀。

      4. 為了直接解決問(wèn)題而作出的努力

      此外,我們還通過(guò)各種方法克服光自身特性給光刻工藝帶來(lái)的局限性。但歸根結底,在變小的圖案中,若要解決光的本身特性所帶來(lái)的問(wèn)題,減少光的波長(cháng)才是最根本的方法。(參考圖[3]) 因此,我們也一直在努力減少波長(cháng)。下一期的文章,我們將介紹光刻工藝的發(fā)展所帶來(lái)的波長(cháng)變化過(guò)程,以及最近備受關(guān)注的EUV所具備的特點(diǎn)。

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      TAG標簽: 半導體
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