電子科大《集成電路工藝》第十四章匯編

1、1第十四章 光刻-對(duì)準(zhǔn)和曝光微固學(xué)院 張金平214.1 引 言本章主要內(nèi)容：光刻工藝的對(duì)準(zhǔn)與曝光光源與光學(xué)效應(yīng)對(duì)準(zhǔn)和曝光設(shè)備本章知識(shí)要點(diǎn)：掌握對(duì)準(zhǔn)與曝光的基本概念；掌握投影掩膜版和套準(zhǔn)的定義；掌握分辨率的意義及其計(jì)算方法；了解對(duì)準(zhǔn)和曝光設(shè)備。38)顯影后檢查5) 曝光后烘焙6)顯影7)堅(jiān)膜UV LightMask4) 對(duì)準(zhǔn)和曝光Resist2) 涂膠3)軟烘1) 氣相成底膜HMDS光刻的八個(gè)步驟14.1 引 言414.1 引 言對(duì)準(zhǔn)和曝光: 把掩膜版上的圖形與涂膠硅片進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)、聚焦而后曝光，把掩膜版上圖形精確地復(fù)制成光刻膠上，并從一點(diǎn)到另一點(diǎn)在硅片上重復(fù)過(guò)程。5Silicon Substrat

2、e P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ SourceN+ DrainP+ SourceP+ DrainBPSGW Contact PlugMetal 1IMD1 W Via PlugMetal 2Passivation Bond PadPoly GateGateOxideSpacer+ VDDOutput- VSS14.2 對(duì) 準(zhǔn)6頂視圖2684153714.2 對(duì) 準(zhǔn)74) Poly gate etch1) STI etch2) P-well implant3) N-well implant8) Metal etch5) N+ S/D implant

3、6) P+ S/D implant7) Oxide contact etch熔融石英+鉻薄膜14.2 對(duì) 準(zhǔn)8 套準(zhǔn)精度 基準(zhǔn)補(bǔ)償 對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記 14.2 對(duì) 準(zhǔn)9 套準(zhǔn)精度對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)把版圖套準(zhǔn)到硅片圖形的能力，也稱做套準(zhǔn)。 基準(zhǔn)補(bǔ)償投影掩膜版與光刻機(jī)機(jī)身上固定的參照標(biāo)記的正確對(duì)準(zhǔn)，承片臺(tái)定位就用相應(yīng)的投影掩膜來(lái)測(cè)量。這個(gè)定位提供了對(duì)準(zhǔn)修正數(shù)據(jù)，軟件將使用這些數(shù)據(jù)補(bǔ)償掩膜版特征的變化。這個(gè)過(guò)程稱基準(zhǔn)補(bǔ)償。 14.2 對(duì) 準(zhǔn)10對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記14.2 對(duì) 準(zhǔn)11分步重復(fù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)14.2 對(duì) 準(zhǔn)12對(duì)準(zhǔn)激光器(633 nm)光纖視頻離軸對(duì)準(zhǔn)部件對(duì)準(zhǔn)BLC基準(zhǔn)離軸對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)激光器 (633 nm)接攝影機(jī)的顯

4、微鏡物鏡投影光學(xué)系統(tǒng)載片臺(tái)對(duì)準(zhǔn)BLC基準(zhǔn)投影掩膜版同軸對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)14.2 對(duì) 準(zhǔn)13-X+X+Y-YDX-DY套準(zhǔn)偏移-X+X+Y-Y硅片圖形版圖完美的套準(zhǔn)精度套準(zhǔn)偏差14.2 對(duì) 準(zhǔn)1414.2 對(duì)準(zhǔn)-對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記投影掩膜版的對(duì)位標(biāo)記(RA) ：在版的左右兩側(cè)， RA與步進(jìn)光刻機(jī)上的基準(zhǔn)標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)。整場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(GA)：第一次曝光時(shí)被光刻在硅片左右兩邊，用于每個(gè)硅片的粗對(duì)準(zhǔn)。精對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(FA)：每個(gè)場(chǎng)曝光時(shí)被光刻步進(jìn)掃描對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記: 步進(jìn)掃描光刻機(jī)可在每個(gè)曝光場(chǎng)放置多個(gè)標(biāo)記，允許每個(gè)曝光場(chǎng)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。改善了套準(zhǔn)精度并減小了套準(zhǔn)容差。15第二層掩膜第一層掩膜第二層掩膜圖形層第一層掩膜圖形層RA：投影掩膜版

5、對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記GA：硅片整場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記FA： 硅片精對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記+RALRAR+ GA+ FAL+ FAR+ GAR+ GAL凹槽，粗對(duì)準(zhǔn)FALFARFAL/R + +FAL/R + 用于第二層掩膜 + 來(lái)自第一層掩膜14.2 對(duì)準(zhǔn)-對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記16l (nm)700455060065050045040035030025020015010050紫外光譜可見(jiàn)光汞燈準(zhǔn)分子激光Photolithography light sourcesghi36540524819313436157126VioletRedBlueGreenYellowOrangeMid-UVEUVDUVVUV紫外光譜可見(jiàn)光譜：波長(zhǎng)在390nm到78

6、0nm之間；紫外光譜：波長(zhǎng)在4nm到450nm之間。14.3 曝光光源曝光光源 汞燈 準(zhǔn)分子激光17120100806040200200300 400 500 600Wavelength (nm)相對(duì)強(qiáng)度 (%)h-line405 nmg-line436 nmi-line365 nmDUV248 nm高強(qiáng)度汞燈的發(fā)射光譜高壓汞燈的發(fā)射光譜14.3 曝光光源18汞燈強(qiáng)度峰14.3 曝光光源19準(zhǔn)分子激光器和汞燈強(qiáng)度對(duì)比圖100806040200相對(duì)強(qiáng)度 (%)KrF 激光280210240260220波長(zhǎng) (nm)汞燈 曝光能量：光的強(qiáng)度乘上曝光時(shí)間 248nm的深紫外發(fā)射是365nm的I線發(fā)射

7、強(qiáng)度的五分之一。14.3 曝光光源20常用的準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子是不穩(wěn)定分子，由隋性氣體原子和鹵素構(gòu)成。14.3 曝光光源21 光的衍射 透鏡的數(shù)值孔徑-NA 光的干涉 光的反射 抗反射層 14.4 光學(xué)效應(yīng) 22從小孔衍射出的光的干涉光直線傳播.光通過(guò)邊緣發(fā)生衍射.光波穿過(guò)狹縫時(shí)產(chǎn)生衍射帶或干涉圖形。 衍射帶14.4.1 光的衍射23衍射光束狹縫平面光波版圖的衍射14.4.1 光的衍射24透鏡俘獲衍射光NAUV012341234透鏡石英鉻衍射圖形掩膜版14.4.2 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑(NA)：透鏡收集衍射光的能力。25曝光透鏡NA針孔掩膜版成像效果衍射光GoodBadPoor數(shù)值孔徑在成像中的作

8、用14.4.2 數(shù)值孔徑26光刻設(shè)備的典型的數(shù)值孔徑14.4.2 數(shù)值孔徑27多晶硅SubstrateSTISTIUV曝光光線掩膜版被曝光的光刻膠未曝光的光刻膠被開(kāi)槽的光刻膠邊緣衍射表面反射光反射引起的光刻膠反射切口 14.4.3 光的反射2814.4.4 光的干涉波的干涉相長(zhǎng)干涉：兩列波相位相同彼此相加；相消干涉：兩列波相位不同彼此相減。29駐波表征入射光波和反射光波之間的干涉，駐波沿著光刻膠厚度引起曝光不均勻駐波的發(fā)生對(duì)深紫外光刻膠更加顯著，因?yàn)楹芏喙杵砻胬缪趸瘜?、氮化硅和多晶?在較短的深紫外波長(zhǎng)反射更加厲害入射波反射波PhotoresistFilmSubstrate入射光和反射光在

9、光刻膠中干涉14.4.4 光的干涉30光刻膠中的駐波效應(yīng) 駐波本質(zhì)上降低了光刻膠成像的分辨率。14.4.4 光的干涉31使用抗反射涂層、著色和濾光片能幫助防止干涉入射波抗反射涂層光刻膠FilmSubstrate14.4.5 抗反射涂層 在光刻膠下面，減少襯底反射的底部抗反射涂層 在光刻膠上面，減少光刻膠表面二次反射的頂部抗反射涂層32通過(guò)底部抗反射涂層的光抑制BARC多晶硅SubstrateSTISTIUV 曝光光線掩膜版被曝光的光刻膠未曝光的光刻膠有機(jī)抗反射涂層通過(guò)吸收光來(lái)減少反射；無(wú)機(jī)抗反射涂層不吸收光，而是通過(guò)特定波長(zhǎng)相移相消起作用。14.4.5 抗反射涂層33底部抗反射涂層（BARC）

10、的光相移相消(A) 入射光PhotoresistBARC (TiN)鋁C和D由于相位差去消(B) 上表面反射(C)(D)14.4.5 抗反射涂層34入射光光刻膠光刻膠襯底反射Substrate入射光光刻膠襯底反射Substrate上抗反射涂層吸收襯底反射頂部抗反射涂層材料不吸收光；通過(guò)光線間的相干相消來(lái)消除反射。14.4.5 抗反射涂層3514.4.6 光刻膠對(duì)入射光的過(guò)多吸收光刻膠 (顯影后)Substrate傾斜斜面 光刻膠的吸收過(guò)多，光刻膠底部接收的光強(qiáng)度就會(huì)比在頂部的少很多； 要獲得垂直側(cè)墻圖形，光刻膠必須只吸收入射輻射的一小部分，一般小于20。36 分辨率 計(jì)算分辨率 焦深 分辨率和

11、焦深的關(guān)系 表面平坦化 14.5 分辨率37隨著特征尺寸減小，要將特征圖形彼此分開(kāi)更困難分辨率：清晰分辨出硅片上間隔很近的特征圖形對(duì)的能力14.5.1 分辨率38透鏡, NAWafer掩膜版發(fā)光裝置, Rk = 0.6R365 nm 0.45 486 nm365 nm 0.60365 nm193 nm 0.45257 nm193 nm 0.60193 nmi-lineDUV k NAR =14.5.2 分辨率的計(jì)算影響分辨光刻膠上幾何圖形的能力的參數(shù)：波長(zhǎng)、數(shù)值孔徑和工藝因子。39+-光刻膠薄膜焦深焦平面透鏡14.5.3 焦深 (DOF)焦深：焦點(diǎn)周圍的一個(gè)范圍，圖像連續(xù)地保持清晰。40變化數(shù)

12、值孔徑時(shí)分辨率隨焦深(景深)的變化 2(NA)2DOF = 光刻膠薄膜焦深焦平面+-透鏡, NAWafer掩膜版照明裝置, DOFR DOF365 nm 0.45 486 nm901 nm365 nm 0.60365 nm507 nm193 nm 0.45257 nm476 nm193 nm 0.60193 nm268 nmi-lineDUV14.5.3 焦深 (DOF)4114.6 光刻設(shè)備42 接觸式曝光機(jī) 接近式曝光機(jī) 掃描投影光刻機(jī) 分步重復(fù)光刻機(jī) 步進(jìn)掃描光刻機(jī) 14.6 光刻設(shè)備43發(fā)光裝置對(duì)準(zhǔn)顯微鏡 (分視場(chǎng))MaskWafer真空吸盤掩膜版臺(tái) (X, Y , Z , q) 承片

13、臺(tái) (X, Y, Z, q) 汞燈14.6.1 接觸/接近式光刻機(jī)系統(tǒng)44接觸式曝光機(jī)缺點(diǎn)： 掩膜版的損壞、污染、缺陷高； 晶片變形影響精度； 優(yōu)點(diǎn)產(chǎn)量高，一次曝光完成；14.6.1 接觸式光刻機(jī)系統(tǒng)45接近式光刻機(jī)上的邊緣衍射和表面反射UVMaskUV 曝光光線Substrate光刻膠衍射和反射光間隙MaskSubstrate14.6.2 接近式光刻機(jī)系統(tǒng)曝光光線通過(guò)掩膜版與光刻膠間隙(2.5-25m)，間隙處發(fā)生衍射和反射，分辨率降低；掩膜版不與光刻膠直接接觸，減少污染和損傷。4614.6.3 掃描投影曝光機(jī)Mask硅片汞燈照明裝置投影光學(xué)組件掃描方向曝光光線(UV狹縫逐漸掃過(guò)整個(gè)掩膜版視

14、場(chǎng)到硅片上)利用反射鏡系統(tǒng)把有1:1圖像的整個(gè)掩膜圖形投影到硅片表面；主要挑戰(zhàn)是制造良好的包括硅片上所有芯片的1倍掩膜版。47UV light投影掩膜版視場(chǎng)尺寸20 mm 15mm,每場(chǎng)4個(gè)芯片5:1 縮小透鏡Wafer圖形曝光在硅片上是投影掩膜版上視場(chǎng)的1/5 4 mm 3 mm, 每次曝光4 die 曲折的步進(jìn)圖形14.6.4 步進(jìn)光刻機(jī)的曝光場(chǎng)掩膜版包含一個(gè)（或多個(gè)）1倍（或幾倍）于實(shí)際圖形的芯片；掩膜版制造更容易和精確；分布重復(fù)曝光，對(duì)硅片的平整度和幾何形狀變化的補(bǔ)償較容易。4814.6.4 分步重復(fù)光刻機(jī)495:1 透鏡UVUV步進(jìn)和掃描像場(chǎng)掃描分步重復(fù)光刻機(jī)像場(chǎng)(單次曝光)4:1

15、透鏡投影掩膜版投影掩膜版掃描掃描WaferWafer步進(jìn)方向14.6.5 步進(jìn)掃描光刻機(jī)的曝光場(chǎng)50照明裝置光束線準(zhǔn)分子激光 (193nm ArF )操作控制臺(tái)4:1 縮小透鏡 NA = 0.45 to 0.6硅片傳輸系統(tǒng)掩膜版臺(tái)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)承片臺(tái)掩膜版庫(kù) (SMIF pod interface)14.6.5 步進(jìn)掃描光刻機(jī)5114.6.5 步進(jìn)掃描光刻機(jī)步進(jìn)掃描光刻機(jī)特點(diǎn)： 曝光場(chǎng)大，掩膜版包含一個(gè)（或多個(gè)）幾倍于實(shí)際圖形的芯片，包含芯片個(gè)數(shù)可比分步重復(fù)光刻機(jī)掩膜版多； 掃描過(guò)程調(diào)焦，對(duì)硅片的平整度和幾何形狀變化的補(bǔ)償較容易； 挑戰(zhàn)：機(jī)械容差偏差控制。對(duì)承載Si片和投影版的臺(tái)子運(yùn)動(dòng)的控制。5

16、214.6.6 掩膜版投影掩膜版與掩膜版的比較53 投影掩膜版材料 投影掩膜版的縮影 投影掩膜版的制造 投影掩膜版的損傷來(lái)源 14.6.6 掩膜版54投影掩膜版的材料：熔融石英，表面覆蓋薄層鉻投影掩膜版的制造：電子束直接寫。電子束被加速并聚焦成形射到涂有電子束光刻膠的投影版，電子束可經(jīng)過(guò)光柵掃描整個(gè)硅片，也可只掃過(guò)光刻區(qū)形成圖形。14.6.6 掩膜版55縮影倍率和曝光場(chǎng)的比較在投影版上的視場(chǎng)投影透鏡硅片上的曝光視場(chǎng)14.6.6 投影掩膜版56Work chamber, load chamber,vibration isolation, ion pump, and vacuum systemWo

17、rk StationTransfer and driveStage position controlHeight deflection and dynamic correctionVacuum control moduleTFE electron source controlElectron beam controlServo controlOperator console9-track magnetic tape driveControl computerSuper flash HTMPrinter/PlotterElectronics ConsoleData direct computer

18、Height detection assemblyWork tableBeam control and deflectionTFE electron beam columnAutomatic loading chamberWork stageDynamic correctionsUtility ConsoleCassette clamping controlTemperature controlCoolant flow controlAir and nitrogen controlWater chillerBacking pumpRoughing pump14.6.7 電子束光刻的原理 57投影掩膜版上的保護(hù)膜保護(hù)膜上的顆粒在光學(xué)焦距范圍之外抗反射涂層保護(hù)膜鉻圖形焦深Mask material投影掩膜版保護(hù)膜框架鉻圖形14.6.8 投影掩膜版的損傷來(lái)源58 相移掩膜技術(shù) (PSM) 光學(xué)臨近修正 (OPC) 離軸照明 偏差 14.6.9 光學(xué)增強(qiáng)技術(shù)59b) 改進(jìn)的掩膜版