專利名稱：光刻編程集成電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及集成電路領域，更確切地說，光刻編程集成電路(litho-programmableintegrated circuit，簡稱為LPIC)。
背景技術：
1.半定制集成電路半定制集成電路(semi-custom integrated circuit，簡稱為SCIC)中，用戶只參與有限數目布線層，尤其是后端(back-end)布線層的設計。SCIC的制造廠家預先制造了大量半成品硅片(母片)。在這些母片上只完成了晶體管圖形，而未完成布線層(互聯線)。設計者可以根據用戶各自的需求，基于已定型的晶體管圖形，完成這些晶體管之間的互聯線(如通道孔、接觸孔和金屬互聯線)。在SCIC中，有兩個重要概念一為SCIC產品，另一為SCIC族(family)。一SCIC族一般包括多個SCIC產品。每個SCIC產品中所有芯片都具有相同的晶體管和互聯線圖形；在一SCIC族中，不同SCIC產品的互聯線圖形不同。在一SCIC族中，被所有SCIC芯片共同使用的集成電路薄膜被稱作該SCIC族的通用膜；在該族中可由用戶定義的集成電路薄膜被稱作專用膜。SCIC在集成電路中有廣泛應用。在存儲器領域里，SCIC的一個重要代表是只讀存儲器(ROM)；在邏輯電路領域里，SCIC的一個重要代表是可編程門陣列(PGA)。
只讀存儲器(ROM)的一個典型例子是三維只讀存儲器(3D-ROM)。在3D-ROM中，只讀存儲元布置在三維空間。美國專利5,835,396提供了一個基本結構。如
圖1所示，該3D-ROM含有至少一存儲層100。該存儲層中有多個地址選擇線(101...)和存儲元(121...)。半導體襯底000中的晶體管可用作3D-ROM的周邊電路，也可用作微處理器、RAM、解密引擎等。層間連接通道孔(101a...)為存儲層和周邊電路提供電連接。
如圖2A所示，每一3D-ROM存儲層100含有5層膜層間通道孔膜V1 310(101a、201a1)、數據線膜M2 320(101)、3D-ROM膜ROM1 330(134)、層內通道孔膜V2 340(201a2)和選址線膜M3 350(111-113)。3D-ROM中所存的數字信息由存儲元中層內通道孔的存在與否來決定。在存儲元121中存在一層內通道孔，則該存儲元代表邏輯“1”；而存儲元123則代表邏輯“0”。相應地，3D-ROM的層內通道孔也被稱為信息通道孔(info-via)。3D-ROM的信息通道孔膜V2 340是其唯一的專用膜，而別的薄膜(如數據線膜、選址線膜)均為通用膜。
圖2A、圖2B表示一3D-ROM族中的兩個不同3D-ROM產品。在圖2A的第一3D-ROM產品中，存儲元121-123代表邏輯“1”、“1”、“0”；在圖2B的第二3D-ROM產品中，存儲元121-123代表“1”、“0”、“1”。為了加工完成這些不同的3D-ROM產品，如使用現有技術，則需用兩個常規信息通道孔掩模版140A、140A′(見圖3A、圖3B)。圖3A中的信息通道孔掩模版140A與圖2A中的3D-ROM結構對應；圖3B中的信息通道孔掩模版140A′與圖2B中的3D-ROM結構對應。在每個信息通道孔掩模版上，與每條選址線101和數據線111-113相對應的交叉處具有一信息開口(info-opening)131-133，或131′-133′。這些開口的明(如132、131′)和暗(如133、132′)直接控制存儲元中存儲的信息明的開口對應于邏輯“1”；暗的開口對應于邏輯“0”。在圖3A和以后的圖例中，用不同的斜線填充來區分掩模版上的信息開口及其鄰近區域。在實際的掩模版上，暗的信息通道孔及其鄰近區域均被同種吸光材料(如鉻)覆蓋，它們之間并無差別。
在圖2A-圖3B中，信息通道孔的大小為該技術的最小尺寸。這種信息通道孔被稱作1F信息通道孔。根據在2002年2月5日由同一發明人遞交的中國專利申請CN 02113333.6，信息通道孔可以大到2倍于該技術的最小尺寸(在某些情形下，甚至可以接近3倍于該技術的最小尺寸)。相應地，它們被稱作2F信息通道孔。2F信息通道孔只需要較為便宜的掩模版，并易于制造。
一個重要的邏輯SCIC是可編程門陣列(PGA)。PGA的功能由最后幾道工藝步驟來設置。圖4A-圖4C描述一PGA族中的三個不同PGA產品。每個PGA產品含有多個邏輯模塊131、132、141、142。每個邏輯模塊131含有I/O端口131io。這些I/O端口與豎直連線151相連。在邏輯模塊之間有多條水平連線171、172。在豎直連線151、152、161、162和水平連線171、172的每個交叉處有一設置通道孔191-194(config-via)。這些設置通道孔控制水平連線和豎直連線之間的電連接在“OFF”狀態(圖中由空心圓圈表示)，水平和豎直連線之間無電連接；在“ON”狀態(圖中由實心圓圈表示)，水平和豎直連線之間有電連接。通過選擇性地打開不同的設置通道孔可以在邏輯模塊之間形成不同的電連接。因此，該PGA族可以完成多種功能。
圖4A表示該PGA族中的第一PGA產品。設置通道孔191、194處于“ON”狀態，而別的所有設置通道孔均處于“OFF”狀態。相應地，邏輯模塊131和142相連(通過豎直連線151、水平連線172和豎直連線162)。圖4B表示該PGA族的第二種PGA產品。設置通道孔191、192處于“ON”狀態，而別的設置通道孔均處于“OFF”狀態。因此，邏輯模塊131與邏輯模塊141相連。圖4C表示該PGA族中的第三PGA產品。水平連線172在位置301處被分割為兩段172′和172″。該分割方案有兩個優點第一，減少了水平連線172′上的寄生電容負載，因而能提高電路速度；第二，未使用的水平連線段172″可以用來設置別的電路，因此可以增加設計的靈活性。PGA族的專用膜可以有兩層金屬膜M3 350和設置通道孔膜V2 340(圖5A-圖5C)。
為了加工完成這些不同的PGA產品，如使用現有技術，則需用兩個常規設置通道孔掩模版140B、140B′(見圖6A-圖6B)和兩個常規金屬互聯線掩模版140C、140C′(見圖7A-圖7B)。圖6A中的設置通道孔掩模版140B與圖4A中的PGA結構對應；圖6B中的設置通道孔掩模版140B′與圖4B-圖4C中的PGA結構對應。在設置通道孔掩模版上，與每條水平連線172和垂直連線151相對應的交叉處具有一設置開口(config-opening)201-204。這些開口的明(如201、202′)和暗(如202、203′)直接控制水平和垂直連線的聯結明的開口表示聯結；暗的開口表示未聯結。在圖6A-圖6B中，設置通道孔的尺寸為1F設置通道孔。與3D-ROM類似，也可以使用2F設置通道孔。另一方面，圖7A中的金屬互聯線掩模版140C上的金屬圖形181、182與圖4A-圖4B中的PGA結構對應；圖7B中的金屬互聯線掩模版140C′上的金屬圖形181、182′、182″與圖4C中的PGA結構對應。注意到，在金屬圖形182′、182″中有一金屬線缺口(metal-gap)311。該金屬線缺口使水平連線斷開成兩段。2.半定制集成電路的成本每個SCIC芯片的成本包含以下部分非經常性支出、加工成本和掩模版成本。掩模版成本又分為通用掩模版成本和專用掩模版成本。其中，加工成本對于每個芯片基本相同，非經常性支出和通用掩模版成本可以分攤到該SCIC族的所有芯片上。如使用現有技術，專用掩模版只能用在某一SCIC產品中。相應地，專用掩模版成本則只能分攤到該SCIC產品的芯片中。寫成公式SCIC芯片成本＝加工成本+{非經常性支出+通用掩模版成本}/該SCIC族的產量++專用掩模版成本/該SCIC產品的產量 [1]每個產品都有一整體收入期望值(overall expected revenue，簡稱為OER)。SCIC產品的OER可以表示為OER＝芯片價格×該SCIC產品的產量＞芯片成本×該SCIC產品的產量＞專用掩模版成本 [2]因此可以將專用掩模版成本看作該SCIC產品OER的臨界值。很明顯，一個SCIC產品的OER至少要高于該產品使用的專用掩模版成本，否則將該產品投放市場會失去商業意義。隨著集成電路技術的發展，掩模版的成本越來越高。對于0.18μm的技術，一張通道孔掩模版成本可以上萬美元。當一SCIC產品只是中小批量生產，則必須相應地提高芯片價格。
誠然，相對于一般ASIC電路來說，SCIC中的大多數掩模版可以通用到整個SCIC族中。這樣能降低成本并縮短生產周期(turn-around time)。但每個SCIC產品中的專用膜需要使用專用掩模版，這些專用掩模版導致SCIC具有較高價格、較長生產周期以及用戶的設計變動不易實現等缺點。本發明提供了一光刻編程集成電路(LPIC)來解決這些問題。
發明目的本發明的主要目的是提供一光刻編程集成電路(LPIC)，該LPIC產品即使在中低批量生產時仍具有低成本。
本發明的另一目的是提供一LPIC，該LPIC具有較短的生產周期。
本發明的另一目的是提供一LPIC，用戶能對其制造進行直接、遠程、實時地控制。
根據以上目的，本發明提供一種新的集成電路—光刻編程集成電路(LPIC)。
發明的總結本發明提供一光刻編程集成電路(LPIC)。它使用可編程掩模版來設置其后端布線層圖形。可編程掩模版是“軟”掩模版，即用戶可以隨時調整其開口處的透明度。相對而言，現有SCIC技術中使用的掩模版是“硬”掩模版，即它一旦出廠，則用戶很難改變其上圖形。在實際使用中，通過可編程掩模版可將用戶的設置數據賦值到LPIC的專用膜中。該賦值過程將“軟件固化”，即把用戶數據等軟件“永遠”地置放在如3D-ROM等載體中。這里特別需要指出的是，將設置數據從用戶傳輸到加工廠的過程可以通過因特網來實現。這樣，用戶有可能對正在加工廠中加工的硅片進行直接、遠程、實時地進行個性化。
可編程掩模版可以應用在一LPIC族中的所有LPIC產品中，甚至還可以應用在別的SCIC族中。一LPIC，即使其功能結構與基于現有技術的SCIC雷同，它的芯片成本僅為LPIC芯片成本＝加工成本+{非經常性支出+通用掩模版成本}/該LPIC族的產量++可編程掩模版成本/該LPIC族的產量 [3]比較式[1]和[3]，可以看出它們的差別在于LPIC最后一項的分母是LPIC族的產量，而非LPIC產品的產量。一般說來，LPIC族的產量遠大于單個LPIC產品的產量。因此，LPIC的成本較低。相應地，本發明的一個主要權利要求通過成本差來區分LPIC和基于現有技術的SCIC。SCIC的OER不可能低于其專用膜所需掩模版的成本，而LPIC可以。LPIC的其他優點包括較短的生產周期和用戶的可設置性。
LPIC中的可編程掩模版特別適合用于控制集成電路薄膜的開口(opening)圖形。這類可編程掩模版稱為開口可編程掩模版(opening-programmable mask，簡稱為OPM掩模版)。開口的例子包括ROM中的信息通道孔(info-via)、PGA中的設置通道孔(config-via)和金屬線缺口(metal-gap)。這些開口在掩模版上處于預設的位置并具有預設的大小，其唯一的可變量是它的透明度。可以利用電信號分別對OPM掩模版上每個開口的透明度進行控制，即允許光線(或X光、電子束、離子束等)通過開口，或不允許。很明顯，1F開口和2F開口(包括2F信息通道孔和2F設置通道孔)均具有可編程性。2F OPM掩模版的實現會更容易一些。在存儲器領域中，LPIC的一個例子為通道孔可編程ROM(via-programmable ROM，簡稱為VPROM，包括接觸孔編程)；在邏輯電路領域中，LPIC的一個例子為開口可編程PGA(opening-programmable PGA，簡稱為OPPGA，包括通道孔編程和金屬線缺口編程)。
一般說來，有兩種辦法來實現OPM掩模版一種基于液晶，即液晶OPM掩模版(liquid-crystal OPM，簡稱為LC-OPM掩模版)；另一種基于MEMS技術，即MEMS-OPM掩模版(這里MEMS指微電子機械系統)。LC-OPM掩模版的結構與工作原理和液晶顯示器類似，此處不在贅述。MEMS-OPM掩模版基于新興的MEMS技術。在每個開口的位置上都有一個移動元。當移動元從開口處移開，光線可以通過開口，則為“ON”狀態；當移動元覆蓋開口并阻攔(或反射)光線，則為“OFF”狀態。MEMS技術的成熟可以保證在襯底上同時形成上億個移動元。幾種典型的移動元包括平移移動元(滑塊)、平面內轉動移動元(轉子)、平面外轉動移動元(鉸鏈)、卷簾式、數字微鏡/光閥、半導體激光等。另一方面，根據光刻系統的設計，OPM掩模版也可以分為透射型、反射型和發射型。
附圖的簡要說明圖1是一3D-ROM的透視圖。
圖2A-圖2B表示二不同3D-ROM產品的截面圖。
圖3A-圖3B是該二3D-ROM產品使用的信息開口掩模版。
圖4A-圖4C表示三不同PGA產品的設置。
圖5A-圖5C是該三PGA產品的截面圖。
圖6A-圖6B是該三PGA產品使用的設置開口掩模版。
圖7A-圖7B是該三PGA產品使用的金屬布線層掩模版。
圖8A-圖8B描述一開口可編程掩模版(OPM)。
圖9表示一將設置數據從用戶傳輸到加工廠的過程。
圖10表示光刻編程系統的層次結構。
圖11A-圖11C是光刻編程系統的三個特例—透射型、反射型、發射型光刻編程系統。
圖12A-圖12B是一光調制層和開口定義層的頂視圖。
圖13A-圖13D是光調制層和開口定義層幾個實施例的截面圖。
圖14表示一多次曝光設置，它可以用來實現金屬互聯線中的可編程金屬線缺口。
圖15A-圖15B是該多次曝光設置使用的金屬互聯線掩模版和開口可編程掩模版。
圖16A是經過第一次曝光后光刻膠的受光情形；圖16B是經過第二次曝光后光刻膠的受光情形。
圖17A表示光調制元的主要結構圖；圖17B表示光調制元的電路圖。
圖18A-圖18B分別表示一處于“ON”和“OFF”狀態的第一種光調制元—平移光調制元(T-LMC)。
圖19A-圖19C表示第一種T-LMC的第一特例。
圖20A-圖20C表示第一種T-LMC的第一特例的工藝流程圖。
圖21A-圖21C表示第一種T-LMC的另外幾種特例。
圖22A-圖22C是第一種T-LMC的電路符號和幾種周邊電路。
圖23A-圖23B表示第二種T-LMC的另外幾種特例。
圖24A-圖24C是該種T-LMC的電路符號和幾種周邊電路。
圖25A-圖25D是第三種T-LMC的一特例。
圖26A-圖26D是該T-LMC特例的工藝流程圖。
圖27A-圖27B分別表示一處于“ON”和“OFF”狀態的第二種光調制元—平面內轉動光調制元(IPR-LMC)。
圖28A-圖28C表示第一種IPR-LMC的一特例。
圖29A-圖29D表示第二種IPR-LMC的一特例。
圖30A-圖30C是第一種IPR-LMC的工藝流程圖。
圖31A-圖31E描述第三種光調制元—平面外轉動光調制元(OPR-LMC)的幾種狀態。
圖32A-圖32C表示第一OPR-LMC的一特例。
圖33是第一OPR-LMC的第一工藝流程圖。
圖34A-圖34B描述第二OPR-LMC的一特例。
圖35A-圖35C描述第四種光調制元—卷簾式光調制元的幾種狀態。
圖36A-圖36C是其電路符號及幾種周邊電路。
圖37A-圖37C描述第五種光調制元—液晶光調制元及其電路符號。
圖38A-圖38C描述第六種光調制元—反射型光調制元。
圖39A-圖39C描述第七種光調制元—發射型光調制元及其電路符號。
實現本發明的最佳方式1.光刻編程系統圖8A-圖8B描述一開口可編程掩模版(opening-programmable mask，簡稱為OPM)。圖8A是其頂視圖，圖8B是其沿AA′的截面圖。它可以用來實現圖3A-圖3B中的信息通道孔和圖6A-圖6B中的設置通道孔。在此OPM掩模版上有多個可編程開口241-243。這些可編程開口在掩模版上位于固定位置(如處于選址線和數據線的交叉處)且具有一固定大小(如通道孔的大小)。它們的尺寸大小為Do，間隔為So，周期(pitch)為Po。此特例中，每個可編程開口241-243處有一移動元241c-243c。該移動元241c-243c可以位于兩個位置a、覆蓋可編程開口243；b、遠離可編程開口241。在位置a時，光線不能透過，因此可編程開口243處于“OFF”狀態；在位置b時，光線可以透過，因此可編程開口241處于“ON”狀態。外界電信號被用來控制每個移動元的位置。很明顯，圖8A中的特例可以用來形成圖3A中的信息通道孔圖形。這里應注意到，雖然圖3B中的信息通道孔圖形與圖3A中的信息通道孔圖形不同，但它不難用同一OPM掩模版來實現。因為同一塊OPM掩模版可以通用在一LPIC族中的所有LPIC產品中，故LPIC的芯片成本大為降低。
上述OPM掩模版是光刻編程系統的一核心部分。圖9-圖13D對光刻編程系統的結構和運行作一概述。
圖9表示一用戶10將設置數據16傳輸到加工廠12的流程。用戶10首先產生一設置數據文件16。該設置數據16可以是加密的，也可以是原文。它可以通過媒介14，如因特網或物理媒介(如硬盤、光盤等)，送到加工廠12。加工廠12用該設置數據16來控制光刻編程系統28。光刻編程系統28將設置數據16賦置到ROM或PGA的通道孔圖形和金屬線缺口圖形，從而實現對用戶數據的“軟件固化”。這里特別需要指出的是，將設置數據16從用戶10傳輸到加工廠12的過程可以通過因特網來實現。這樣，用戶10有可能對正在加工廠12中加工的硅片進行直接、遠程、實時地進行個性化。
圖10表示一光刻編程系統28的層次結構。其核心部分是一光刻編程裝置29(圖11A-圖11C)。光刻編程裝置29一般即開口可編程掩膜版30。在另外一些情形下，光刻編程裝置29可以含有多個開口可編程掩膜版(OPM)30。開口可編程掩膜版30可對光刻光強進行調制。每個開口可編程掩膜版30一般具有開口定義層32和光調制層34(圖12A-圖13D)。開口定義層32定義在硅片上最終曝光的開口圖形。光調制層34則控制通過該開口的曝光光強(“ON”或“OFF”)。光調制層34含有多個光調制元40。每個光調制元40控制一個開口的曝光光強(圖17A-圖39B)。
圖11A-圖11C是光刻編程系統的三個特例—透射型、反射型、發射型光刻編程系統。圖11A是一透射型光刻編程系統28。它含有光源20、透射型光刻編程裝置29t和光具組24。來自光源20的曝光光線在通過透射型光刻編程裝置29t后，其明暗度由設置數據16控制。它再經過光具組24透射到硅片22上。圖11A-圖11C的光刻編程系統也可使用X光、電子束、離子束。在這些情形下，光具組24是其它相應的調束裝置。圖11B是一反射型光刻編程系統28。它特別適合于使用短波長光線的曝光系統。來自光源20的曝光光線在通過反射型光刻編程裝置29r后，其明暗度由設置數據16控制。它再經過光具組24投射到硅片22上。圖11C是發射型光刻編程系統28。它具有一含有多個發光源的發射型光刻編程裝置29e。其發光源的亮度由設置數據16控制。這類似于在電子束掃描曝光系統中使用的多個電子槍。
圖11A-圖11C中的光刻編程裝置29t、29r、29e含有一塊或多塊OPM掩膜版。每個OPM掩膜版含有開口定義層32和光調制層34。它們的頂視圖在圖12A-圖12B中表示，截面圖在圖13A-圖13D中表示。
圖12A是一光調制層34的頂視圖。該光調制層34含有設置數據總線16、一單獨的光調制元40sa、一2×2的光調制元矩陣40aa-40bb和它們的選址電路18(如行解碼器、列解碼器等)。光調制元是光調制層34的基本組成單元。在此實施例中，光調制元(如50ab)使用移動元(如50ab′)來調制光強。它也可以使用液晶型的光調制元。每個光調制元(如40sa)區域包括開口窗戶區域(如50sa)和周邊電路區域(如60sa)。它由至少一條選擇線(如42s)和至少一條數據線(如44s)來控制。類似于半導體存儲陣列，使用一光調制元矩陣可以減少該矩陣中光調制元所需的I/O數目。在圖12A中，光調制元50aa、50bb、50sa處于“ON”狀態；50ab和50ba處于“OFF”狀態。圖12B是一開口定義層32的頂視圖。與常規開口掩模版類似，其上可以覆蓋鉻且含有多個透明開口70aa-70sa。唯一的差別是，常規開口掩模版只是選擇性地在一些可開口的位置形成開口，而開口定義層32在每個可開口的位置均有開口。每個開口(如70aa)與一光調制元的開口窗戶(如50aa)處于對準狀態并最好能夠被它包含。對使用較短波長的光刻技術來說，開口70aa-70sa可以使用光學接近式修正(optical proximity correction，簡稱為OPC)和移相掩模版(phase-shift mask，簡稱為PSM)等技術。
圖13A-圖13D是開口定義層和光調制層幾個實施例的截面圖。與圖8B中開口定義層32和光調制層34合并在一起的實施例不同，這些實施例中的開口定義層和光調制層是兩層不同的物理膜。圖13A-圖13B的實施例最好用在透射型OPM掩模版中。在圖13A中，開口定義層32和光調制層34位于同一石英襯底36的兩面。光調制層34含有兩個開口窗戶34a和34b。開口窗戶34a被移動元34m覆蓋因而光線被阻斷，該可編程開口處于“OFF”狀態；開口窗戶34b處的移動元34m被移開而使光線能夠通過，該可編程開口處于“ON”狀態。開口定義層32位于石英襯底36的另一面，它含有一層鉻膜32c和兩個透明開口32v。開口32v最好能被開口窗戶34a、34b包含。圖13B的實施例與圖13A的實施例稍有不同。開口定義層32和光調制層34分別位于兩個不同的石英襯底36a、36b上。圖13C的實施例可以用在反射型或發射型OPM掩模版中。對反射型來說，開口定義層32在開口處有一反射膜32r(如相互交叉的硅鉬層interdigitated silicon-molydenum layer)，在開口周圍區域32a則是吸光材料。光調制層34位于一薄膜36m上。移動元34m含有吸光材料。為減少在使用短波長曝光光線時薄膜36m對光線的吸收，最好能將移動元34m下的薄膜36m刻蝕掉。對發射型來說，發光層32在每個開口位置32r發光，光調制層34通過移動元34m有選擇性地阻擋光的通過。圖13D的實施例可以用在反射型OPM掩模版中。與圖13C的實施例相比，開口定義層32和光調制層34的位置互換。移動元34m含有一反射膜。在圖13B-圖13D的實施例中，開口定義層32和光調制層34處于不同載體上。它們可以被獨立設計、生產且在曝光過程中可以有更好的散熱特性。2.金屬線缺口圖形的形成用光刻編程來實現金屬線缺口圖形不同于用光刻編程來實現通道孔。它需要至少兩次曝光和兩張掩模版一是常規的金屬互聯線掩模版；一是本發明提出的金屬線缺口OPM掩模版。圖14-圖16B描述通過光刻編程來實現圖5C中的金屬線缺口圖形。
圖14描述一多次曝光設備56，它可以用來實現金屬互聯線中的可編程金屬線缺口。其操作可結合圖15A-圖16B來說明。該多次曝光設備56含有兩個并列式布置的次曝光系統5、6。次曝光系統5包括一光源20A和一金屬互聯線掩模版250m；次曝光系統6包括一光源20B和一金屬線缺口OPM掩模版250mc。這兩個次曝光系統5，6共用一個底座(chuck)00c。硅片22先在次曝光系統5處曝光，緊接著它在底座00c上向前移動，并在次曝光系統6處曝光。通過對金屬互聯線掩模版250m和金屬線缺口OPM掩模版250mc兩者相對位置的仔細設計，不難達到以下目標如果硅片22在次曝光系統5中與金屬互聯線掩模版250m對準的話，則當它移到次曝光系統6時，它應與金屬線缺口OPM掩模版250mc自然對準，不需要再作套刻對準。該設備是一“無縫”多次曝光設備，其生產率(throughput)不受多次曝光的影響。當然，金屬線缺口圖形也可以通過常規曝光系統來實現。使用常規曝光系統需要進行多次曝光、多次套刻對準、最后一次性顯影。
圖15A-圖15B是該多次曝光設置56使用的金屬互聯線掩模版和開口可編程掩模版。金屬互聯線掩模版250m是一常規的金屬互聯線掩模版，金屬線缺口OPM掩模版250mc含有可編程開口311-314。可編程開口311處于“ON”狀態，而別的可編程開口均處于“OFF”狀態。可以結合多次曝光設備56的設計使這些可編程開口(如311)所產生的圖形正好位于金屬互聯線圖形(如182)的上方，它們的寬度與金屬互聯線的寬度相同或稍大。圖16A是經過第一次曝光后光刻膠的受光情形。無斜線的區域表示光刻膠受到曝光，有斜線的區域表示光刻膠沒有受到曝光。在第一次曝光后，只有對應于金屬互聯線的光刻膠區域171p、172p未受到曝光。接著進行第二次曝光。圖16B是經過第二次曝光后光刻膠的受光情形。因為在金屬線缺口OPM掩模版250mc上只有311處才有透明開口，該曝光過程將金屬互聯線圖形172p上未受到曝光的區域301p曝光。經過顯影等步驟后，金屬互聯線的光刻膠172p被切割為兩段172p′、172p″。該光刻膠圖形對應于圖5C中的金屬互聯線設置。如可編程開口311處于“OFF”狀態，則金屬互聯線的光刻膠圖形仍為連續。它對應于圖5A-圖5B中的金屬互聯線設置。3.光調制元圖17A-圖17B描述單位光調制元40。圖17A是其頂視圖，圖17B是其電路框圖。光調制元40含有一開口窗戶50、周邊電路60、控制線42、數據線44。開口窗戶50與開口定義層上的開口70對準。控制線42選中光調制元40而數據線44上的設置數據通過周邊電路60來控制開口窗戶50的狀態(“ON”或“OFF”)。圖18A和以后各圖描述各種不同的光調制元(light-modulating cell，簡稱為LMC)。A.滑塊圖18A-圖26D描述第一種光調制元—平移光調制元(translational light-modulating cell，簡稱為T-LMC)。T-LMC的核心部分是一平移移動元—滑塊51a。在圖18A中，滑塊51a處于“OFF”狀態，即覆蓋開口70；在圖18B中，滑塊51a處于“ON”狀態，即遠離開口70。它的四個角分別標志為WXYZ，它們的相對位置在移動過程中不變。
圖19A-圖22C表示第一種T-LMC。它含有一懸浮滑塊且其驅動力為電容性的。該種T-LMC的第一實施例由圖19A-圖19C表示。圖19A是其頂視圖。除滑塊51a外，它還含有二滑軌對(flange)51p1a/51m1a和51p1b/51m1b。這兩滑軌對覆蓋滑塊51a的外邊緣。在“OFF”狀態，滑塊51a滑到第一滑軌對51p1a/51m1a的位置；在“ON”狀態，滑塊51a滑到第二滑軌對51p1b/51m1b的位置。在“OFF”狀態時沿BB′、CC′的截面圖由圖19B、圖19C表示。滑塊51a只能在襯底36表面上沿著y方向移動，其沿著x方向的運動受到滑軌對51p1a/51m1a、51p1b/51m1b的限制。滑軌對51p1a/51m1a、51p1b/51m1b的內表面覆蓋有一層絕緣介質51b，它可防止滑塊51a和滑軌對之間產生電接觸。
圖20A-圖20C是該實施例的工藝流程圖。首先，在襯底36上形成第一犧牲膜51s1和滑塊膜51a。然后將它們刻蝕形成第一滑塊堆51t1(圖20A)。滑塊膜51a可以含有多晶硅或金屬(如鋁)。如使用多晶硅，犧牲膜51s1可由SiO2組成；如使用金屬，犧牲膜51s1可由高分子化合物(如光刻膠)組成。接著在該滑塊堆51t1上形成第二犧牲膜51s2，并將其平面化和光刻以形成滑塊堆51t2。該第二犧牲膜51s2可以含有與第一犧牲膜51s1相同的材料(圖20B)。之后，淀積并刻蝕絕緣介質51b和滑軌膜51a，以形成滑軌對51p1a/51m1a(圖20C)。最后，在酸或等離子體環境下去掉犧牲膜51s1和51s2。這樣，滑塊51a與別的薄膜分離并能自由運動。
圖21A-圖21C是第一種T-LMC的其它幾個實施例。在圖21A中，在滑軌對51p1a/51m1a的豎墻上形成一絕緣隔膜51c。它能夠進一步提高滑塊對和滑塊之間的電絕緣。在圖21B中，滑塊51a的下表面有多個突起51d。它們可以減少滑塊51a與襯底36之間的摩擦。其工藝流程是在淀積滑塊膜51a之前，先將部分第一犧牲膜51s1各向同性地刻蝕掉以形成多個小坑。圖21C的實施例使用了梳式驅動(comb-drive)。在滑塊51a上有二齒形電極51f1a、51f1b。它們可以增強加滑塊51a受到的容性驅動力。這樣可以縮短滑塊51a的移動時間以提高光刻系統的生產率。很明顯，圖21B中的突起和圖21C中的梳式驅動結合起來可以進一步提高生產率。
圖22A是圖19A-圖19C、圖21A-圖21C中T-LMC實施例的電路符號。每個滑軌對形成一驅動電容滑軌對51p1a/51m1a組成第一驅動電容50c1a；滑軌對51p1b/51m1b組成第二驅動電容50c1b。滑塊51a由懸浮電極51a表示。在使用過程中，對其中的一驅動電容(如50c1a)進行充電，同時對另一驅動電容(如50c1b)進行放電，則滑塊51a被驅動至充電電容(如50c1a)處。圖22B為它的一周邊電路。它使用DRAM類的電路并含有一開關61s和一反相器6li。當選址線42上的電壓升高時，開關61s接通，相應的設置數據被送到第一電容50c1a，再經反相后送到第二電容50c1b。如果設置數據為邏輯“0”，則第一驅動電容50c1a被放電，第二驅動電容50c1b被充電，滑塊51a被驅動至第二電容50c1b處，則T-LMC處于“ON”狀態。如果設置數據為邏輯為邏輯“1”，則滑塊51a被驅動至第一電容50c1a處，則T-LMC處于“OFF”狀態。圖22C是另一周邊電路。它使用SRAM類的電路且含有兩個開關61s1、61s2和反相器對6li1a、6li1b。其操作類似于圖22B。圖22C中的實施例是一靜態周邊電路。使用這種靜態周邊電路時不用擔心漏電流對電容電荷存儲壽命的影響，因而在大中批量生產時(即對同一開口設置圖形需長時間地曝光)，不需要對光調制層進行刷新(refresh)。
圖23A-圖24C表示第二種T-LMC。該種T-LMC含有一懸浮滑塊，其驅動力包括電容性力和彈性力。圖23A是其第一實施例。其“OFF”狀態的驅動力由電容51p2/51m2提供。其“ON”狀態的驅動力是由一彈簧51sp產生的彈性力。該彈簧51sp的一端與滑塊51a相連；另一端通過錨(anchor)51sa與襯底相連。當驅動電容被放電后，彈簧51sp的彈性力將滑塊51a從開口70處拖開。圖23B是該種T-LMC的第二實施例。在該實施例中，梳式驅動被用來增加電容性的驅動力。
圖24A表示圖23A-圖23B中T-LMC實施例的電路符號。它可由一驅動電容50c2來代表。圖24B是一DRAM類的周邊電路。當開關61s接通時，設置數據被送至驅動電容50c2。如設置數據為邏輯“0”，則驅動電容50c2被放電，滑塊51a被彈簧51sp從開口70處拖開；如設置位為邏輯“1”，則滑塊51a被拖到開口70上。圖24C是一SRAM類的周邊電路。同樣地，使用該類周邊電路在大中批量生產LPIC時，不需要對光調制層進行刷新。
圖25A-圖25D描述第三種T-LMC。與前兩種T-LMC不同，該T-LMC的滑塊與一外界電信號相接。它的驅動力是電容性的。圖25A是一實施例的頂視圖。它含有一滑軌對51e和兩個相對的電極51p3、51m3。滑軌對51e將滑塊51a的運動限制在y方向并對其提供電連接。圖25B是該實施例沿DD′的截面圖。基座51g對滑塊51a提供機械支持和電連接。為了減少摩擦，在滑塊的下表面也可以使用如圖21B中的突起。與別的T-LMC結構比較，該T-LMC中滑軌對51e的內表面不需要有絕緣介質。圖25C表示該實施例的電路符號。它由兩個串聯的電容51c3a、51c3b組成，中間的端口對應于滑塊51a。圖25D是一DRAM類的周邊電路，兩個端口51p3和51m3分別接至VDD和GND。中間端口51a上的電壓由設置數據線44控制。類似地，也可以使用SRAM類的周邊電路。圖26A-圖26D是圖25A-圖25B中T-LMC實施例的一工藝流程。與第一種的工藝流程(圖20A-圖20C)比較，在淀積第一犧牲膜51s1之前需形成基座51g，同時不需要在滑軌對51e下淀積絕緣介質。B.轉子圖27A-圖30C描述第二種光調制元—平面內轉動光調制元(in-plane rotationallight-modulating cell，簡稱為IPR-LMC)。IPR-LMC的核心元件是一平面內轉動移動元—轉子52a。如圖27A-圖27B所示，轉子52a沿一軸52b轉動。它的四個角被標為STUV。在圖27A中轉子52a處于“OFF”狀態，即它覆蓋開口70；在圖27B中，轉子52a處于“ON”狀態，即它從開口70處移走。在轉動過程中，轉子52a的四個角STUV在xy平面沿軸52b轉動了大約90°。
圖28A-圖28C表示第一種IPR-LMC。它含有一懸浮轉子，且其驅動力是電容性的。圖28A是該種IPR-LMC實施例的頂視圖。轉子52a被軸52b錨定在襯底36上，其兩邊有兩個指形電極52f1a、52f1b。它們可用作電容50c4a、50c4b(分別由兩個電極對52p1a/52m1a、52p1b/52m1b組成)中的懸浮電極。圖28B是懸浮轉子52a與軸52b沿EE′截面圖。滑軌52c可以限制轉子52a在z方向上運動，其內表面上覆蓋的絕緣介質52d將轉子52a和轉軸52b相互絕緣。圖28C表示該實施例的電路符號。當第一電容50c4a上有一電壓而第二電容50c4b上無電壓時，轉子52a被驅動至第一電容50c4a處并覆蓋開口70，IPR-LMC處于“OFF”狀態；當第一電容50c4a上無電壓而第二電容50c4b上有電壓時，轉子52a被驅動至第二電容50c4b并從開口70處移開，IPR-LMC處于“ON”狀態。
圖29A-圖31C描述第二種IPR-LMC。在此種IPR-LMC中，轉子與一外界電信號相連接，其驅動力為電容性的。圖29A表示其第一實施例的頂視圖，圖29B表示它的截面圖。電極52p2、52m2具有直線形狀。它們被包含在絕緣介質52d中。該絕緣介質52d能在轉子52a與電極52p2、52m2接觸時避免發生短接。圖29C表示該種IPR-LMC的第二實施例。其指形電極52f2a、52f2b與爪狀電極52p2、52m2形成兩個電容50c5a、50c5b。這些電容能為轉子52a提供更大的驅動力。圖29D中表示該種IPR-LMC的一電路符號。該實施例的周邊電路與第三種T-LMC的類似。
圖30A-圖30C描述了圖29A-圖29B中IPR-LMC實施例的工藝流程。首先在襯底36上形成第一犧牲膜52s1和轉子膜52a，接著在形成的轉子膜堆52t上進行一選擇性過度刻蝕。該過度刻蝕只刻蝕犧牲膜52s1，而不刻蝕轉子膜52a。它在轉子膜52a下形成一溝槽(under-cut)(圖30A)。之后在此結構周圍淀積第二犧牲膜52s2，并將其刻蝕且暴露一部分襯底36(圖30B)。接著形成滑軌膜52c和電極52m2。為了避免在電極52m2和轉子52a之間發生短接，在電極52m2的邊墻上形成絕緣間隔52d(圖30C)。C.鉸鏈圖31A-圖35B描述第三種光調制元—平面外轉動光調制元(out-of-plane rotationallight-modulating cell，簡稱為OPR-LMC)。如圖31A-圖31E所示，OPR-LMC的核心元件是一平面外轉動移動元—鉸鏈53a。鉸鏈53a繞一轉軸53h轉動。一卡釘(staple)53b將該轉軸53h的運動限制為轉動。該鉸鏈53a的四個角分別被標為OPQR。在“OFF”狀態，鉸鏈53a位于襯底上并覆蓋開口70(圖31A-圖31B)。在“ON”狀態，鉸鏈53a從開口70處移開。它可以處于兩種位置a.它從其“OFF”狀態在xz平面上繞轉軸53h轉90°(圖31C)；b.它從其“OFF”狀態在xz平面上繞轉軸53h轉180°，角QR從角OP的右邊轉到左邊(圖31D-圖31E)。
圖32A-圖32C為OPR-LMC的第一實施例。圖32A是其頂視圖，圖32B是沿II′的截面圖。在該實施例中，鉸鏈53a從其“OFF”狀態到“ON”狀態時繞轉軸53h轉90°。鉸鏈53a和卡釘53b均位于基座53c上。該基座53c同時為鉸鏈53a提供電連接。在鉸鏈53a兩側有兩電極53p1、53m1。電極53p1除了可以為鉸鏈53a提供驅動力外，還可限制鉸鏈53a轉動的角度。它含有一桿53ps和一臂53ar。臂53ar四周包有絕緣間隔53d。這樣可以防止電極53p1和鉸鏈53a接觸時發生電短接。圖32C表示該實施例的一電路符號。它含有兩個共享一電極53a的電容53c6a和53c6b。該實施例的周邊電路與第三種T-LMC的類似。
該實施例的工藝流程與第三種T-LMC類似。圖33描述一附加步驟。在形成卡釘膜53b之后再形成第三犧牲膜53s3，接著在其中形成一通道孔并填充導電材料。經過另一圖形轉換形成電極53p1，最后將所有的犧牲膜去掉。這樣將鉸鏈與別的薄膜分離并能自由轉動。
圖34A-圖34B描述OPR-LMC的第二實施例。圖34A是它的頂視圖，圖34B是它沿JJ′的截面圖。在此實施例中，鉸鏈53a從“OFF”狀態到“ON”狀態時繞轉軸53h轉動180°。它的電極53p2、53m2有更對稱的結構。其電路符號和周邊電路類似于第一實施例。D.卷簾式光調制元圖35A-圖35C表示第四種光調制元—卷簾式光調制元(roller-shade light-modulatingcell，簡稱為RS-LMC)。在“OFF”狀態，卷簾54a覆蓋開口70并通過一凹槽54f固定在襯底36上(圖35A)。在卷簾54a的上表面有一電阻54r。卷簾54a含有至少兩層具有不同的熱膨脹系數的薄膜54b和54c(圖35B)。當卷簾54a被電阻54r加熱后，由于兩層膜54b和54c之間熱膨脹系數的差別，卷簾54a被卷起，RS-LMC處于“ON”狀態(圖35C)。
圖36A表示卷簾54a的一電路符號。它是一有兩端口54p、54m的電阻54r。在“OFF”狀態時，最好要在電阻54r中始終流過一直流電流。相應地，RSB-LMC的周邊電路與基于電容性驅動力的LMC不同。圖36B表示其周邊電路的第一實施例。與圖24B中DRAM類周邊電路相比較，它增加了一個PMOS 64s2。該PMOS 64s2用來控制流過電阻54r的直流電流。當開關64s1被打開后，設置數據被加到PMOS 62s2的柵上。如果設置數據是邏輯“1”，則PMOS 64s2被斷開，沒有直流電流流過電阻54r。卷簾54a沒有變形并覆蓋開口70，RSB-LMC處于“OFF”狀態。如果設置數據是邏輯“0”，PMOS 64s2被導通，電阻54r上流過一直流電。卷簾54a相應地被加熱卷起并暴露開口70，RSB-LMC處于“ON”狀態。圖36C描述周邊電路的第二實施例。它使用了含有一懸浮柵的EPROM 64S3。懸浮柵上的電荷控制EPROM 64s3的閥電壓。該實施例的設置需要兩步。第一步為EPROM 64s3的編程。該編程數據由設置數據線44提供。最好在編程時避免使用電阻54r。可以在電阻54r旁加一支路開關64s4。該支路開關64s4在編程步驟中導通，而在讀情形下斷開。除此以外，還可以在電阻54r上串聯另一開關64s5。該開關64s5在編程步驟中處于斷開狀態，而在讀情形下導通。第二步為讀EPROM 64s3的數據。如果EPROM 64s3的閾值電壓足夠高的話，在選址線42上的讀電壓不能使其導通，因此電阻54r上無電流流過。如果EPROM64s3閾值電壓足夠低，則其能夠導通。相應地，電阻54r上有電流流過并將卷簾54a卷起。E.液晶類光調制元圖37A-圖37C描述第五種光調制元—液晶光調制元(liquid-crystal light-modulating cell，簡稱為LC-LMC)。圖37A為其頂視圖，圖37B為其截面圖。LC-LMC與液晶顯示器極為類似。對那些熟悉本專業的人士來說，液晶的透光率可以通過其兩邊電極55p、55m上的電壓來控制。LC-LMC含有一開關65s和一液晶窗戶55a。液晶窗戶55a含有兩個石英板55e、55f，兩電極55p、55m，兩層對準膜55b、55d和一液晶膜55c。對于透射型LC-LMC來說，在液晶的兩邊還有兩偏振片。LC-LMC也可以使用反射型液晶。反射型液晶的材料和工藝在業界已被廣為知曉。LC-LMC的電路符號為一電容55c7(圖37C)。它可以使用如圖22B-圖22C或圖24B-圖24C中的DRAM類或SRAM類的周邊電路。同樣地，使用SRAM類的靜態周邊電路不需要刷新。
現在所知的液晶材料，對于波長為0.3μm以下的光，其透射或反射效果不太理想。但這并不意味著LC-LMC不能用在線寬為0.3μm以下的集成電路技術。根據中國專利申請CN 02113333.6，LPIC中使用的可編程開口的尺寸可以是該技術最小尺寸的兩倍(在某些情形下，甚至可以接近3倍于該技術的最小尺寸)。如對0.25μm的集成電路技術來說，可以使用0.5μm的開口。也就是說，OPM掩模版仍可以使用LC-LMC。F.其它光調制元圖38A-圖38C表示反射型光調制元(reflective light-modulating cell，簡稱為R-LMC)。它含有一反射體56a。該反射體56a與四個彈簧臂56sp相連。這四個彈簧臂56sp通過錨56sa固定在襯底36上。圖38B-圖38C是兩個實施例沿LL′的截面圖。第一實施例(圖38B)使用一數字微鏡(digital micro mirror)56a1。通過調節兩電極56p、56m上的電壓，反射體56a可以產生不同角度的傾斜。如未傾斜，入射光會被直接反射回去；如有傾斜，入射光會反射到另一方向。第二實施例(圖38C)使用一數字光閥(digital light valve)56a2。反射體56a是一薄膜。部分入射光被反射體56a反射，另一部分透過反射體56a并被襯底36或底電極56b反射。當底電極56b上加一電壓時，反射體56a被吸引靠近襯底36而改變兩個反射光的相位差。相應地，可以形成不同的反射光強。
圖39A-圖39C表示發射型光調制元(emissive light-modulating cell，簡稱為E-LMC)。圖39A表示其頂視圖，圖39B表示其沿MM′的截面圖。E-LMC的核心元件是一半導體激光元57a，如豎腔表面發射激光(vertical-cavity surface emitting laser，簡稱為VCSEL)。VCSEL 57a含有兩個相對的電極57p、57m，兩個相對的布拉格反射體57e、57f和p-i-n激光介質57b-57d。VCSEL 57a可以與用作周邊電路的薄膜晶體管集成。VCSEL和薄膜晶體管的制造為業內人士所熟知。圖39C中表示VCESL的一等效電路。它是一二極管，其周邊電路與圖36B-圖36C中的周邊電路類似。
雖然以上說明書具體描述了本發明的一些實例，熟悉本專業的技術人員應該了解，在不遠離本發明的精神和范圍的前提下，可以對本發明的形式和細節進行改動。如在上述實施例中，設置數據為邏輯“0”時，光調制元處于“ON”狀態。可以改變邏輯定義，使設置數據為邏輯“1”時，光調制元處于“ON”狀態。這并不妨礙它們應用本發明的精神。因此，除了根據附加的權利要求書的精神，本發明不應受到任何限制。
權利要求
1.一光刻編程集成電路(LPIC)族，其特征在于含有第一LPIC產品，該第一LPIC產品具有第一整體收入期望值，并含有至少一層第一薄膜；第二LPIC產品，該第二LPIC產品具有第二整體收入期望值，并含有第二薄膜，該第二薄膜與第一薄膜對應但具有不同圖形；形成該第一和第二薄膜圖形的常規掩模版有一掩模版市價，該掩模版市價大于第一和第二整體收入期望值中的較小值。
2.一光刻編程集成電路(LPIC)，其特征在于其制造步驟使用至少一可編程掩模版(30)，該可編程掩模版(30)含有一開口定義層(32)和一光調制層(34)。
3.根據權利要求2所述的LPIC，其特征在于所述光調制層(34)含有多個光調制元(40)，所述光調制元(40)包括液晶類(55a)和MEMS類。
4.一光刻編程集成電路(LPIC)，其特征在于其制造步驟使用一可編程掩模版(30)，該可編程掩模版(30)具有至少一個光調制元(40)，該光調制元(40)在該LPIC的一層薄膜上形成一開口圖形，該開口圖形的尺寸大于該開口處互聯線的線寬。
5.一光刻編程集成電路(LPIC)，其特征在于其制造步驟使用一可編程掩模版(30)，該可編程掩模版(30)具有至少一個光調制元(40)，該光調制元的周邊電路是一靜態周邊電路(60a2)。
6.一光刻編程集成電路(LPIC)，其特征在于其制造步驟使用一可編程掩模版(30)，該可編程掩模版(30)具有至少一個光調制元(40)，該光調制元含有一MEMS結構。
7.根據權利要求6所述的LPIC，其特征還在于所述MEMS結構包括滑塊(51a)、轉子(52a)、鉸鏈(53a)、卷簾式(54a)、反射型(56a)、發射型(57a)。
8.根據權利要求6所述的LPIC，其特征還在于所述MEMS結構處于電懸浮或者與一外界信號相接。
9.一光刻編程集成電路(LPIC)，其特征在于其互聯線的制造步驟含有至少第一和第二曝光，該第一曝光使用一常規互聯線掩模版(250m)，該第二曝光使用一開口可編程掩模版(250mc)，該第一和第二曝光之間無顯影步驟。
10.根據權利要求9所述的LPIC，其特征還在于該第一和第二曝光由一多次曝光設備(56)完成，該第一和第二曝光之間無套刻對準步驟。
全文摘要
本發明提出一光刻編程集成電路(LPIC)。制造LPIC的核心設備是開口可編程掩模版(OPM)。OPM掩模版一般含有開口定義層和光調制層。光調制層中的光調制元可以使用液晶或MEMS結構。OPM掩模版可以根據設置數據來控制LPIC中通道孔和金屬線缺口的有無。LPIC與現有技術相比，尤其在中小批量生產時，具有較低成本、較短生產周期并給用戶提供極大的設計自由度。
文檔編號H01L21/82GK1444266SQ02106379
公開日2003年9月24日 申請日期2002年3月4日 優先權日2002年3月4日
發明者張國飆 申請人:張國飆