文 | 李艳丽，刘显和，伍强
复旦大学微电子学院
光刻技术是半导体集成电路技术发展的主要推动技术，其不断提高的分辨率与图形复制精度成功地将集成电路制造线宽从40多年前的2~3 μm缩小到先进的10~15 nm。在发展过程中，众多先进的技术不断涌现，如投影式光刻、相移掩模版、化学放大型光刻胶、光学邻近效应修正等，及时确保了摩尔法则按时向前推进。
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一览
光刻技术发展历程
早期的光刻技术使用接触-接近式曝光。对于接触式曝光，缺点很明显：由于曝光时掩模版与硅片接触，每次曝光结束后都需要对掩模版进行缺陷检测和清洗，大大降低曝光的产能，缩短掩模版的寿命。接触式曝光同时也会给硅片上的光刻胶带来缺陷，导致良率不高。由于接近式曝光机的空间分辨率极限约为2 μm，如果想要做出更细小的线宽，就不能用这种曝光方式，投影式曝光机便由此应运而生。
最早的投影式扫描曝光机是美国的Perkin-Elmer（珀金·埃尔默）公司于1973年推出的，数值孔径（NA）为0.167。1978年，美国GCA公司推出了NA为0.28的g线步进重复式曝光机（简称步进曝光机）。1980~1985年间，日本尼康、珀金·埃尔默、日本佳能和荷兰阿斯麦（ASML）公司陆续推出了他们的步进曝光机。
由于大视场成像的局限性以及对高分辨率、低像差和低畸变的需求，步进扫描式光刻机（扫描式光刻机）已被引入以取代步进曝光机。1990年，美国的SVG公司收购了珀金·埃尔默， 并推出了第一台分辨率为0.5 μm的扫描式光刻机。1995年，尼康开发了248 nm准分子激光照明扫描式光刻机，分辨率可以达到0.25 μm。
后来，光刻机的波长已扩展到193 nm（SVG 1998年）和193 nm水浸没式版本（ASML 2004年）。193 nm水浸没式光刻机的NA最大为1.35，其分辨率极限为36 nm半周期（Half Pitch，0.5×0.5λ/NA，λ为波长），实际曝光中应用偶极照明可达到的最小分辨率为38 nm半周期。
从分辨率公式中可以看出，如果需要更高的分辨率，则需要进一步缩短光刻机照明系统的波长。2013年，ASML推出了第一款波长为13.5 nm、NA为0.33、分辨率为13 nm半周期的极紫外（EUV）光刻机。
可见，为了达到更高的分辨率，光刻机经历了漫长的发展过程。自20世纪60年代早期起，从基于带有光敏剂的聚乙烯醇肉桂酸酯的负性光刻胶配方，到后来的重氮萘醌-酚醛树脂（DNQ-Novolac）型的i线（365 nm）正性光刻胶配方，光刻胶也经历了一个快速发展的过程。从20世纪90年代中期的0.25 μm节点开始，对更高分辨率的需求推动了化学放大型光刻胶（CAR）的应用，这一类型光刻胶也一直被应用到7 nm甚至5 nm、3 nm等更先进的技术节点中。化学放大型光刻胶的曝光灵敏度更高，一方面可以减小对较难获取的氟化氪（KrF）和氟化氩（ArF）等短波长光源输出能量的依赖，另一方面，可以通过控制曝光后烘焙（PEB）的温度与时间来更加精密地调节成像质量，如对比度、焦深、侧壁轮廓的垂直度，使得光化学反应更加精密可控。
此外，光刻工艺中还在不断地引进其他新技术，以支持光刻技术的持续发展，实现更高的分辨率，如抗反射层（ARC）、离轴照明（OAI）、相移掩模版（PSM）、亚分辨率辅助图形（SRAF）、光学邻近效应修正（OPC）、偏振成像、193 nm水浸没式光刻机、光源-掩模协同优化（SMO）、光可分解碱（PDB）、负显影（NTD）、聚合物键合的光致产酸剂（PBPAG）等技术。
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二看
主要技术节点的工艺细节
本文中的光刻工艺参数、设计规则以及总结的数据均来自自研的光刻仿真软件CF Litho、CF Litho-EUV和作者团队的技术经验积累，部分数据参考了技术发展路线图以及团队的早期工作。
250 nm、180 nm、130 nm、90 nm和65 nm技术节点的光刻工艺（如下表1）
250 nm技术节点。这一节点于20世纪90年代问世，并于1997年左右投入量产。该技术节点中使用了许多新技术，例如深紫外248 nm KrF准分子激光的曝光光源、化学放大型光刻胶、抗反射层和基于规则的光学邻近效应修正，例如在方形的角落添加辅助图形（如装饰线，Serif），尽量减小光刻后方形角落变圆的现象等。
180 nm技术节点。在这一节点中，为提高关键光刻层次的成像对比度或曝光能量宽裕度（EL），引入离轴照明和透射衰减相移掩模（Att PSM）。此外，由于需要进一步优化光刻工艺窗口，连续变角度照明（CVI）已经被开发出来。采用上述三种技术是为了满足更高的关键尺寸均匀性/线宽均匀性（CDU）的要求。
130 nm技术节点。由于光刻胶性能的显著改善，例如降低了化学放大型光刻胶的活化能（Ea）；同时其等效光酸扩散长度（EPDL）也从 130 nm节点的 40~70 nm缩短至20~30 nm，因此KrF光刻机仍然适用于130 nm技术节点。同时，有些芯片制造商还在这一节点引入了基于模型的OPC和SRAF来进一步改进逻辑电路的CDU（硅片范围内）和焦深（DoF）。此外，为实现线条与沟槽1:1的高对比度成像，刻蚀修身（trim etch）工艺也被引入芯片制造工艺流程中。需要注意的是，一般来说，考虑到明场成像与使用透射衰减相移掩模的规律，光刻工艺的线条尺寸会略小于沟槽尺寸；且到底采用多大的线宽偏置，需要综合考虑光刻工艺窗口和刻蚀与光刻之间的线宽偏置。130 nm节点一般也是248 nm光刻机可以做到的最后一个节点，NA最大为0.7。
90 nm技术节点。由于需要更高的分辨率以及更好的硅片范围内的线宽均匀性和曝光场内的线宽均匀性，所以引入193 nm干法光刻机和四极（Quasar）照明光瞳，这种照明光瞳还可以提高DoF。此外，ASML在其扫描光刻机上推出了曝光能量分布测绘（DoMa）功能，在光刻工艺中弥补后续工艺可能造成的线宽不均匀问题。该节点于2002年首次投入量产。同样地，193 nm干法光刻工艺已扩展到65/55 nm节点 ，其中NA已从90 nm节点的0.75增加到0.85~0.93。
由于193 nm干法光刻机的NA已经接近1（0.93），不可能再通过增加NA来进一步提高分辨率，而是需要通过进一步缩短曝光波长来实现。193 nm水浸没式光刻技术被选为65 nm/ 55 nm以下技术节点的主力，曝光波长也因此延伸到 134.657 nm（水的折射率在193. 368 nm约为1.436，所以等效波长约为193.368 nm/1.436≈134.657 nm）左右。
45 nm、28 nm、16 nm/14 nm、7 nm技术节点的光刻工艺
从16/14 nm工艺节点开始，由于NA>1，同时鳍型晶体管（Fin FET）结构造成衬底的不平整度大大增加，会影响整个曝光的焦深。所以，需要采用两层抗反射层（Bilayer），一方面可以抑制更大入射角范围的衬底反射，使得所有图形的反射率都达到很低的水平；同时，也靠下面一层较厚的抗反射层来填平衬底，增加光刻工艺的焦深。当NA超过一定的数值（>0.75）时，横磁波（TM）偏振光的引入会造成对比度显著降低。如果能通过只采用横电波（TE）偏振光照明成像，就能保持较高的成像对比度。
原则上，从65 nm开始就可以运用偏振照明，但是由于更大数值孔径（如0.85~0.93）可以满足65 nm节点，甚至55 nm节点的成像需求，相对复杂的偏振照明就没有被使用。到了水浸没式时期，由于水的折射率为1.436，较大的数值孔径在水里实际的角度比较小，如NA=1.1在水里的实际角度为50°（类似干法NA= 0.77），所以，在45 nm/40 nm技术节点，由于有足够的成像对比度，可以不使用偏振。所以，偏振成像最后从32 nm/28 nm技术节点开始才被用于光刻工艺中。
另外，在7 nm这一技术节点就可以引入极紫外光刻技术，例如中国台积电、韩国三星、美国格罗方德以及Intel等先进的芯片代工厂已经有这方面的技术积累。然而，中国大陆暂时没有极紫外光刻机，芯片代工厂都是用193 nm水浸没式光刻机多次曝光实现7 nm逻辑芯片的光刻工艺流程。这里说的是每种光刻机可以做到的技术节点的极限，以及考虑到作者团队参与的实际7 nm节点的研发也是基于193 nm水浸没式光刻工艺的，所以将7 nm罗列在193 nm水浸没式光刻可以实现的各个技术节点中。
表3展示了从250 nm开始一直到已经量产的5 nm技术节点中关键层次的设计周期，还包含更先进技术节点（如3 nm、2.1 nm、1.5 nm以及1 nm）中关键层次的发展路线图。
从20 nm/16 nm/14 nm节点开始，设计规则的周期已经小于光刻机的分辨率极限，需要开始采用双重或多重曝光技术。同时，还采用了光源掩模协同优化，它可以将给定设计规则的光刻工艺窗口性能提高8%~10%。此外，负显影工艺也已被用于生产线的中段和后段光刻工艺流程中，这可以减少光刻和刻蚀之间的线宽偏置，从而显著提高良率。
从10 nm和7 nm技术节点开始，193 nm水浸没式配合双重或多重曝光工艺（包含自对准）已经在前段（FEOL）的鳍层、金属栅极和后段的金属、通孔层次中使用，以最大化实现套刻偏差的减小和CDU性能的提升。但曝光能量太高，会造成掩模版和镜头发热，造成光刻工艺的套刻偏差变大、镜头寿命缩短以及工艺不稳定等一系列的不良影响。幸运的是，这个问题可以通过使用不透明的硅化钼-玻璃掩模版（OMOG）来解决，但代价是EL会降低15%~20%。更幸运的是，可以通过在光刻胶中添加光可分解碱来减少成像背景，从而提高曝光能量宽裕度（EL）。
从28 nm节点开始，由于需要保持良好的线宽均匀性和成像对比度，从而产生较小的线边粗糙度（LER）/线宽粗糙度（LWR），从而提升器件性能，因此前段开始采用单向设计规则。到了7 nm技术节点，193 nm水浸没式光刻机的潜力已经被充分利用，水浸没式光刻工艺支持了45 nm/40 nm、32 nm/28 nm、20 nm/16 nm/14 nm、10 nm和7 nm这五个主要的技术节点。
从5 nm技术节点开始，到更先进的3 nm、2.1 nm甚至1 nm技术节点，除了前段仍然使用193 nm水浸没式配合自对准双重或四重图形技术（SADP/ SAQP）外，对于前段鳍和栅极沟槽尺寸较小的剪切层以及中-后段的金属、通孔层次，193 nm水浸没式光刻工艺不再适用。这是因为这些层次可能需要6~8次曝光，一方面掩模版数目增多，大大增加了工艺成本，另一方面，太多的曝光次数使得本就不够的套刻精度更加难以控制，同时还伴随着复杂的薄膜和刻蚀工艺。
因此，从5 nm技术节点开始，大多数中-后段层次和前段的鳍和栅极的剪切层次都采用极紫外光刻工艺来实现。由于所有材料都对极紫外光有很强的吸收，所以极紫外光刻工艺的一个特点是不需要抗反射层，但是需要使用底部增感层，使得光刻胶对极紫外光的吸收增加约30%，以减小光子吸收的随机涨落效应。
上述所有光刻工艺是基于作者团队多年的工作经验，以及结合实际产品的设计规则、工况等，通过CF Litho和CF Litho-EUV自研仿真软件总结出来的。目前，国内台积电已经完成了5 nm逻辑技术节点的量产，其他多家先进芯片代工厂已经完成了与 28 nm以及14 nm配套的光刻工艺研发，正在利用193 nm水浸没式多重曝光研发更先进技术节点（10 nm、7 nm）的光刻工艺流程。
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三探
光刻工艺标准
图1 各个技术节点的曝光能量宽裕度（EL）仿真结果。
图2 各个技术节点的掩模误差因子（MEF）仿真结果。
图6 各个技术节点的仿真对焦深度（DoF）结果
从中可以得出如下结论：
本文改写自发表在《激光与光电子学进展》上“先进光刻技术的发展历程与最新进展”一文，在此特别感谢作者李艳丽老师的指导。点击文末“阅读原文”可查阅期刊原论文。
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