第7章-光學(xué)光刻要點(diǎn)

第7章光學(xué)光刻光刻曝光刻蝕光源曝光方式

7.1光刻概述評(píng)價(jià)光刻工藝可用三項(xiàng)主要的標(biāo)準(zhǔn)：辨別率、對(duì)準(zhǔn)精度和生產(chǎn)效率。涂光刻膠（正）選擇曝光

光刻工藝流程顯影（第1次圖形轉(zhuǎn)移）刻蝕（第2次圖形轉(zhuǎn)移）38)顯影后檢查5)曝光后烘焙6)顯影7)堅(jiān)膜UVLightMask4)對(duì)準(zhǔn)和曝光Resist2)涂膠3)前烘1)氣相成底膜HMDS光刻工藝的８?jìng)€(gè)步驟光源紫外光（UV）深紫外光（DUV）g線：436

nmi線：365

nm

KrF

準(zhǔn)分子激光：248

nmArF

準(zhǔn)分子激光：193

nm極紫外光（EUV），10~15

nmX

射線，0.2~4

nm電子束離子束5VisibleRadiowavesMicro-wavesInfraredGammaraysUVX-raysf(Hz)1010101010101010101046810121416221820(m)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUVl(nm)CommonUVwavelengthsusedinopticallithography.電磁光譜6l(nm)700455060065050045040035030025020015010050紫外光譜可見光汞燈準(zhǔn)分子激光Photolithographylightsourcesghi36540524819313436157126VioletRedBlueGreenYellowOrangeMid-UVEUVDUVVUV紫外光譜可見光譜：波長(zhǎng)在390nm到780nm之間；紫外光譜：波長(zhǎng)在4nm到450nm之間。有掩模方式無(wú)掩模方式（聚焦掃描方式）接觸式非接觸式接近式投影式反射折射全場(chǎng)投影步進(jìn)投影掃描步進(jìn)投影矢量掃描光柵掃描混合掃描曝光方式

7.2衍射當(dāng)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中的全部尺寸，如光源、反射器、透鏡、掩模版上的特征尺寸等，都遠(yuǎn)大于光源波長(zhǎng)時(shí)，可以將光作為在光學(xué)元件間直線運(yùn)動(dòng)的粒子來(lái)處理。但是當(dāng)掩模版上的特征尺寸接近光源的波長(zhǎng)時(shí)，就應(yīng)當(dāng)把光的傳輸作為電磁波來(lái)處理，必需考慮衍射和干涉。由于衍射的作用，掩模版透光區(qū)下方的光強(qiáng)減弱，非透光區(qū)下方的光強(qiáng)增加，從而影響光刻的分辯率。

7.3調(diào)制傳輸函數(shù)和光學(xué)曝光無(wú)衍射效應(yīng)有衍射效應(yīng)光強(qiáng)定義圖形的

調(diào)制傳輸函數(shù)

MTF

為無(wú)衍射效應(yīng)時(shí)，MTF=1；有衍射效應(yīng)時(shí)，MTF<1。光柵的周期（或圖形的尺寸）越小，則

MTF

越小；光的波長(zhǎng)越短，則

MTF

越大。圖形的分辯率還要受光刻膠對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)特性的影響。志向光刻膠：光強(qiáng)不到臨界光強(qiáng)Dcr時(shí)不發(fā)生反應(yīng)，光強(qiáng)超過(guò)Dcr時(shí)完全反應(yīng)，衍射只造成線寬和間距的少量變更。DcrD100D0

實(shí)際光刻膠：光強(qiáng)不到

D0

時(shí)不發(fā)生反應(yīng)，光強(qiáng)介于

D0

和D100

之間時(shí)發(fā)生部分反應(yīng)，光強(qiáng)超過(guò)

D100

時(shí)完全反應(yīng)，使線條邊緣出現(xiàn)模糊區(qū)。在一般的光刻膠中，當(dāng)

MTF

<

0.4

時(shí)，圖形不再能被復(fù)制。

7.4光源系統(tǒng)對(duì)光源系統(tǒng)的要求1、有適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)。波長(zhǎng)越短，曝光的特征尺寸就越?。?、有足夠的能量。能量越大，曝光時(shí)間就越短；3、曝光能量必需勻整地分布在曝光區(qū)。常用的紫外光光源是高壓弧光燈（高壓汞燈）。高壓汞燈有很多尖銳的光譜線，經(jīng)過(guò)濾光后運(yùn)用其中的g線（436nm）或i線（365nm）。高壓汞燈的光譜線120100806040200200 300 400 500 600RelativeIntensity(%)h-line405nmg-line436nmi-line365nmDUV248nmEmissionspectrumofhigh-intensitymercurylamp由于衍射效應(yīng)是光學(xué)曝光技術(shù)中限制辨別率的主要因素，所以要提高辨別率就應(yīng)運(yùn)用波長(zhǎng)更短的光源如深紫外光。實(shí)際運(yùn)用的深紫外光源有KrF準(zhǔn)分子激光（248nm）、ArF準(zhǔn)分子激光（193nm）和F2準(zhǔn)分子激光（157nm）等。深紫外光的曝光方式與紫外光基本相同，但需留意兩點(diǎn)，1、光刻膠2、掩模與透鏡材料248nm波長(zhǎng)的光子能量為4.9eV，193nm波長(zhǎng)的光子能量為6.3eV，而純凈石英的禁帶寬度約為8eV。波長(zhǎng)越短，掩模與透鏡材料對(duì)光能的吸取就嚴(yán)峻，造成曝光效率降低和掩模與透鏡發(fā)熱。各種光學(xué)曝光光源的運(yùn)用狀況1985年以前，幾乎全部光刻機(jī)都接受g線(436nm)光源，當(dāng)時(shí)的最小線寬為1m以上。1985年以后起先出現(xiàn)少量i線(365nm)光刻機(jī)，相應(yīng)的最小線寬為0.5m左右。從1990年起先出現(xiàn)DVU光刻機(jī)，相應(yīng)的最小線寬為0.25m左右。從1992年起i線光刻機(jī)的數(shù)量起先超過(guò)g線光刻機(jī)。截止到1998年，g線、i線和DVU光刻機(jī)的銷售臺(tái)數(shù)比例約為1:4:2。而目前DVU光刻機(jī)的銷售臺(tái)數(shù)已經(jīng)超過(guò)i線光刻機(jī)。7.5接觸式與接近式光刻機(jī)

一、接觸式光刻機(jī)SiU.V.MaskP.R.SiO2優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)潔；理論上MTF可達(dá)到1，因此辨別率比較高，約0.5m。

缺點(diǎn)：掩模版壽命短（10~20

次），硅片上圖形缺陷多，光刻成品率低。

二、接近式光刻機(jī)g=

10

~

50

m

優(yōu)點(diǎn)：掩模壽命長(zhǎng)（可提高

10

倍以上），圖形缺陷少。缺點(diǎn)：衍射效應(yīng)嚴(yán)峻，使辨別率下降。最小可辨別的線寬為式中，k

是與光刻膠處理工藝有關(guān)的常數(shù)，通常接近于1

。7.6投影式光刻機(jī)式中，k1是與光刻膠的光強(qiáng)響應(yīng)特性有關(guān)的常數(shù)，約為

0.75。NA

為鏡頭的

數(shù)值孔徑，投影式光刻機(jī)的辨別率由雷利第一公式給出，即一、辨別率與焦深n為折射率，為半接收角。NA

的典型值是

0.16

到

0.8。增大NA可以提高辨別率，但卻受到焦深的限制。22透鏡俘獲衍射光NAUV012341234透鏡石英鉻衍射圖形掩膜版數(shù)值孔徑(NA)：透鏡收集衍射光的實(shí)力。辨別率與焦深對(duì)波長(zhǎng)和數(shù)值孔徑有相互沖突的要求，須要折中考慮。增加NA線性地提高辨別率，平方關(guān)系地減小焦深，所以一般選取較小的NA。為了提高辨別率，可以縮短波長(zhǎng)。焦深代表當(dāng)硅片沿光路方向移動(dòng)時(shí)能保持良好聚焦的移動(dòng)距離。投影式光刻機(jī)的焦深由雷利其次公式給出，即二、1:1掃描反射投影光刻機(jī)掩模硅片反射凹鏡反射凸鏡光源優(yōu)點(diǎn)1、掩模壽命長(zhǎng)，圖形缺陷少。2、無(wú)色散，可以運(yùn)用連續(xù)波長(zhǎng)光源，無(wú)駐波效應(yīng)。無(wú)折射系統(tǒng)中的象差、彌散等的影響。3、曝光效率較高。缺點(diǎn)數(shù)值孔徑NA太小，是限制辨別率的主要因素。

三、分步重復(fù)縮小投影光刻機(jī)隨著線寬的不斷減小和晶片直徑的增大，辨別率與焦深的沖突、線寬與視場(chǎng)的沖突越來(lái)越嚴(yán)峻。為解決這些問(wèn)題，開發(fā)出了分步重復(fù)縮小投影曝光機(jī)（DirectStepontheWafer，簡(jiǎn)稱DSW，Stepper）。早期接受10:1縮小，現(xiàn)在更常用的是5:1或4:1。光源聚光透鏡投影器掩模硅片UVlightReticlefieldsize20mm×15mm,4dieperfield5:1reductionlensWafer圖形曝光在硅片上是投影掩膜版上視場(chǎng)的1/54mm×3mm,4die每次曝光曲折的步進(jìn)圖形缺點(diǎn)1、曝光效率低；2、設(shè)備困難、昂貴。優(yōu)點(diǎn)1、掩模版壽命長(zhǎng)，圖形缺陷少；2、可以運(yùn)用高數(shù)值孔徑的透鏡來(lái)提高辨別率，通過(guò)分步聚焦來(lái)解決焦深問(wèn)題，可以在大晶片上獲得高辨別率的圖形；3、由于掩模尺寸遠(yuǎn)大于芯片尺寸，使掩模制造簡(jiǎn)潔，可削減掩模上的缺陷對(duì)芯片成品率的影響。當(dāng)芯片的面積接著增大時(shí)，例如4GDRAM的面積已達(dá)到32×32mm2，線寬為0.13m，已達(dá)到視場(chǎng)的極限。于是又出現(xiàn)了步進(jìn)掃描投影曝光機(jī)，當(dāng)然設(shè)備就更加困難和昂貴了。

7.7先進(jìn)掩模概念一、愛護(hù)薄膜分步重復(fù)縮小投影雖然可以削減小缺陷的影響，但大缺陷的影響更嚴(yán)峻，因?yàn)樗梢员粡?fù)制到每一個(gè)小視場(chǎng)中。解決的方法是給步進(jìn)機(jī)的掩模版蒙上一層愛護(hù)薄膜，并使薄膜離開掩模版表面約1cm。這樣可使任何落在薄膜上的顆粒保持在光學(xué)系統(tǒng)的聚焦平面之外。另一種用于接觸式光刻機(jī)的愛護(hù)薄膜干脆涂在掩模版上，它可以使接觸式光刻在保持高辨別率優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，提高掩模版的運(yùn)用壽命，削減芯片上的缺陷。二、抗反射膜光線在掩模版和透鏡表面的部分反射會(huì)使光能受到損失。有些光線經(jīng)多次反射后會(huì)打到硅片上，使圖形質(zhì)量受到影響。為了減小這個(gè)問(wèn)題，一種新掩模技術(shù)接受在掩模版靠近鏡頭的一面加上10%的抗反射劑。由公式可知，由于NA對(duì)焦深的作用更大，所以通常希望接受較小的NA值。一般將NA值取為0.16到0.6。當(dāng)k1為0.75時(shí)，有~上式在一段時(shí)期內(nèi)被認(rèn)為是光學(xué)曝光法的辨別率極限。若要進(jìn)一步減小線寬，只能接受波長(zhǎng)更短的光源，例如X射線。

三、相移掩模技術(shù)

對(duì)光刻膠和鏡頭等的改進(jìn)只能略微減小k1值。而相移掩模技術(shù)等超辨別率技術(shù)的獨(dú)創(chuàng)使k1突破性地下降了一半以上，從而使辨別率極限進(jìn)入了亞波長(zhǎng)范圍，使i線和深紫外光的辨別率分別達(dá)到了0.25m和0.10m以下，同時(shí)也使X射線光刻機(jī)的運(yùn)用比原來(lái)預(yù)期的大大推遲。除了相移掩模技術(shù)外，超辨別率技術(shù)還包括光學(xué)鄰近效應(yīng)修正技術(shù)、雙層及多層光刻膠技術(shù)和浸沒式鏡頭等。相移掩模技術(shù)的關(guān)鍵是在掩模的透光區(qū)相間地涂上相移層，并運(yùn)用相干光源。這使透過(guò)相鄰?fù)腹鈪^(qū)的光線具有相反的相位，從而使其衍射部分因干涉作用而相互抵消。相移掩模技術(shù)對(duì)制版技術(shù)提出了新的要求，如相移材料的選擇、制備與加工，制版軟件中對(duì)相移層圖形的設(shè)計(jì)等。掩模版掩模處的光幅度襯底處的光幅度襯底處的光強(qiáng)度相移掩模一般掩模邊緣相移掩模技術(shù)把掩模設(shè)想為一個(gè)曝光矩陣M，由很多0和1的像素組成，0代表透亮區(qū)，1代表不透亮區(qū)。當(dāng)用這塊掩模對(duì)硅片曝光后，在硅片表面可以得到一個(gè)包含相同數(shù)目像素的圖形矩陣W。在志向狀況下，這兩個(gè)矩陣應(yīng)當(dāng)相同。但是在實(shí)際狀況下，由于曝光工藝會(huì)造成硅片表面圖形的畸變，從而影響圖形矩陣W。可以建立一個(gè)矩陣S來(lái)表示從矩陣M到矩陣W的變更，即W=SM矩陣S中包含了光學(xué)系統(tǒng)的全部信息。志向的S是一個(gè)單位矩陣，但事實(shí)上它包含了反映圖形畸變的非對(duì)角元素。

四、光學(xué)鄰近效應(yīng)修正技術(shù)

所謂光學(xué)鄰近效應(yīng)修正（OPC）就是求出矩陣

S

的逆矩陣

S-1，用來(lái)對(duì)原來(lái)的掩模進(jìn)行修正，得到新掩模的曝光矩陣為

M1=S-1M用新掩模對(duì)硅片曝光后得到的圖形矩陣為

W1=SM1=S

S-1M=M

于是在硅片上得到了與原來(lái)掩模完全相同的圖形。矩陣S-1是很大的，可能包含1010個(gè)以上的像素，但也是一個(gè)很稀疏的矩陣。假如結(jié)合應(yīng)用多層部分吸取材料，可以得到更精細(xì)的OPC掩模版，但價(jià)格也特別昂貴。7.8表面反射和駐波一、表面反射穿過(guò)光刻膠的光會(huì)從硅片表面反射出來(lái)，從而變更光刻膠吸取的光能，特殊是硅片表面的金屬層會(huì)反射較多的光。硅片表面傾斜的臺(tái)階側(cè)面會(huì)將光反射到非曝光區(qū)。解決方法1、變更淀積參數(shù)以限制薄膜的反射率；2、使表面平坦化；3、在光刻膠下加一層抗反射膜

二、駐波

駐波是由入射光和反射光之間的干涉造成的。駐波的波節(jié)與波腹之間的間隔為λ/4n=0.16λ。對(duì)于λ=200~400nm的紫外光，此間隔為32~64nm，小于光刻膠厚度。膠中不同的光強(qiáng)分布，將導(dǎo)致不同的顯影速率，給線寬的限制帶來(lái)困難。7.9對(duì)準(zhǔn)大規(guī)模集成電路制造對(duì)光刻對(duì)準(zhǔn)的規(guī)定是，對(duì)準(zhǔn)誤差應(yīng)當(dāng)不大于特征尺寸的1/4到1/3。為了便于對(duì)準(zhǔn)，在掩模上必需設(shè)置特地的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。通過(guò)比較硅片表面的反射光和透過(guò)掩模返回的光來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)。在步進(jìn)光刻機(jī)上通常有自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。為了提高對(duì)準(zhǔn)效率，可以先作一次人工對(duì)準(zhǔn)。掩模的熱膨脹也會(huì)產(chǎn)生對(duì)準(zhǔn)誤差。為避開8英寸掩模產(chǎn)生0.1m的膨脹，掩模的溫度變更必需限制在0.75C左右。7.10小結(jié)