半導(dǎo)體制造工藝_04光刻(上)綜述

1、半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )1光刻的作用和目的光刻的作用和目的圖形的產(chǎn)生和布局圖形的產(chǎn)生和布局半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )2 光刻的定義光刻的定義 光刻是一種光刻是一種圖形復(fù)印圖形復(fù)印和和化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕相結(jié)合的精相結(jié)合的精密表面加工技術(shù)。用密表面加工技術(shù)。用照相復(fù)印的方法將掩模版上的圖照相復(fù)印的方法將掩模版上的圖案轉(zhuǎn)移到硅片表面的光刻膠上案轉(zhuǎn)移到硅片表面的光刻膠上，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的有選擇，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的有選擇刻蝕或注入摻雜刻蝕或注入摻雜 光刻的目的光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金光刻的目的就是在二氧化硅或金屬薄膜上面刻蝕出與掩膜版

2、完全對應(yīng)的幾何圖屬薄膜上面刻蝕出與掩膜版完全對應(yīng)的幾何圖形，形，把掩模版上的圖形轉(zhuǎn)換成晶圓上的器件結(jié)把掩模版上的圖形轉(zhuǎn)換成晶圓上的器件結(jié)構(gòu)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)從而實(shí)現(xiàn)選擇性擴(kuò)散選擇性擴(kuò)散和和金屬薄膜布線金屬薄膜布線的目的的目的。半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )3 集成電路的集成電路的特征尺寸特征尺寸是否能夠進(jìn)一是否能夠進(jìn)一步減小，也與步減小，也與光刻技術(shù)光刻技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展有的進(jìn)一步發(fā)展有密切的關(guān)系。密切的關(guān)系。 通常人們用特征尺寸來評價(jià)一個(gè)集通常人們用特征尺寸來評價(jià)一個(gè)集成電路生產(chǎn)線的技術(shù)水平成電路生產(chǎn)線的技術(shù)水平。 所謂特征尺寸（所謂特征尺寸（CDCD：character

3、istic dimensioncharacteristic dimension）是指設(shè)計(jì)的多晶硅柵長，它標(biāo)志了器件工藝的總是指設(shè)計(jì)的多晶硅柵長，它標(biāo)志了器件工藝的總體水平，是設(shè)計(jì)規(guī)則的主要部分。體水平，是設(shè)計(jì)規(guī)則的主要部分。通常我們所說的通常我們所說的0.13 m,0.09 m工藝就是工藝就是 指的光刻技術(shù)所能達(dá)到最小線條的工藝。指的光刻技術(shù)所能達(dá)到最小線條的工藝。半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )4光刻的要求光刻的要求 對光刻的基本要求：對光刻的基本要求： （1）高分辨率高分辨率 （2）高靈敏度高靈敏度 （3）精密的套刻對準(zhǔn)精密的套刻對準(zhǔn) （4）大尺寸硅片上的加工大尺

4、寸硅片上的加工 （5）低缺陷低缺陷 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )5 1. 高分辨率高分辨率 分辨率是將硅片上兩個(gè)鄰近的特征圖形區(qū)分開來分辨率是將硅片上兩個(gè)鄰近的特征圖形區(qū)分開來的能力，即對光刻工藝中可以達(dá)到的最小光刻圖的能力，即對光刻工藝中可以達(dá)到的最小光刻圖形尺寸的一種描述，是光刻精度和清晰度的標(biāo)志形尺寸的一種描述，是光刻精度和清晰度的標(biāo)志之一。之一。 隨著集成電路的集成度提高，加工的線條越來越隨著集成電路的集成度提高，加工的線條越來越細(xì)，對分辨率的要求也越來越高。細(xì)，對分辨率的要求也越來越高。 通常以每毫米內(nèi)能刻蝕出可分辨的最多線條數(shù)目通常以每毫米內(nèi)能刻蝕出可

5、分辨的最多線條數(shù)目來表示。來表示。半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )6 2.2.高靈敏度高靈敏度 靈敏度是指光刻膠感光的速度。為了提高產(chǎn)量靈敏度是指光刻膠感光的速度。為了提高產(chǎn)量, ,要求光刻周期越短越好，這就要求曝光時(shí)間越短要求光刻周期越短越好，這就要求曝光時(shí)間越短越好，也就要求高靈敏度。越好，也就要求高靈敏度。 3.3.精密的套刻對準(zhǔn)精密的套刻對準(zhǔn) 集成電路制作需要十多次甚至幾十次光刻，每集成電路制作需要十多次甚至幾十次光刻，每次光刻都要相互套準(zhǔn)。次光刻都要相互套準(zhǔn)。 由于圖形的特征尺寸在亞微米數(shù)量級上，因此，由于圖形的特征尺寸在亞微米數(shù)量級上，因此，對套刻要求很高

6、。要求套刻誤差在特征尺寸的對套刻要求很高。要求套刻誤差在特征尺寸的1010左右。左右。半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )7 4.大尺寸硅片的加工大尺寸硅片的加工 提高了經(jīng)濟(jì)效益提高了經(jīng)濟(jì)效益 但是要在大面積的晶圓上實(shí)現(xiàn)均勻的膠膜涂覆，但是要在大面積的晶圓上實(shí)現(xiàn)均勻的膠膜涂覆，均勻感光，均勻顯影，比較困難均勻感光，均勻顯影，比較困難 高溫會(huì)引起晶圓的形變，需要對周圍環(huán)境的溫高溫會(huì)引起晶圓的形變，需要對周圍環(huán)境的溫度控制要求十分嚴(yán)格，否則會(huì)影響光刻質(zhì)量度控制要求十分嚴(yán)格，否則會(huì)影響光刻質(zhì)量5.低缺陷低缺陷缺陷會(huì)使電路失效，因此應(yīng)該盡量減少缺陷缺陷會(huì)使電路失效，因此應(yīng)該盡量減

7、少缺陷半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )8光學(xué)圖形曝光潔凈室在集成電路制造中，主要的圖形曝光設(shè)備是利用紫外光=0.2-0.4m的光學(xué)儀器。主要討論曝光裝置、掩模版、抗蝕劑與分辨率。塵埃粒子在掩模版圖案上所造成的不同腐蝕的影響在IC制造中必須要求潔凈的廠房，特別是圖形曝光的工作區(qū)域，因?yàn)閴m?？赡軙?huì)粘附于晶片或掩模版上造成器件的缺陷從而是電路失效。半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )935的成的成本來自于本來自于光刻工藝光刻工藝圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)組成：圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)組成：掩膜版掩膜版/電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)掩膜版制作掩膜版制作光刻光刻光源光源曝光系統(tǒng)曝光系統(tǒng)光刻膠光

8、刻膠 用于IC制造的掩模版通常為縮小倍數(shù)的掩模版。掩模版的第一步為設(shè)計(jì)者用CAD系統(tǒng)完整地將版圖描繪出來。然后將CAD得到的數(shù)據(jù)信息傳送到電子束圖形曝光的圖形產(chǎn)生器。再將圖案直接轉(zhuǎn)移至對電子束敏感的掩模版上。掩模版是由融凝硅土的基底覆蓋一層鉻膜組成。電路圖案先轉(zhuǎn)移至電子敏感層進(jìn)而轉(zhuǎn)移至底下的鉻膜層，掩模版便完成了半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )10IC掩模版半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )11空間圖像空間圖像潛潛在圖在圖像像半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )12掩膜版制作掩膜版制作CAD設(shè)計(jì)、模擬、驗(yàn)證后由圖形發(fā)生器產(chǎn)

9、生數(shù)字圖形設(shè)計(jì)、模擬、驗(yàn)證后由圖形發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字圖形數(shù)字圖形數(shù)字圖形4或或5投影光投影光刻版刻版投影式光刻投影式光刻1掩膜版制作掩膜版制作接觸式、接近式光刻接觸式、接近式光刻半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )13電子束直寫電子束直寫熔融石英玻璃片熔融石英玻璃片80nmCr1015nmARC（anti-reflection coating）光刻膠光刻膠高透明度（散射?。└咄该鞫龋ㄉ⑸湫。崤蛎浶崤蛎浶?或或5投影光刻版在投影光刻版在 制版時(shí)容易檢查缺陷制版時(shí)容易檢查缺陷版上缺陷可以修補(bǔ)版上缺陷可以修補(bǔ)蒙膜蒙膜(pellicle)保護(hù)防止顆保護(hù)防止顆粒玷污粒玷污半導(dǎo)體制備

10、工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )14掩模版制作過程掩模版制作過程12. Finished半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )15成品率成品率Y:cANDeY0 D0:單位面積缺陷數(shù)，單位面積缺陷數(shù)， Ac: 芯片面積，芯片面積， N: 掩膜版層數(shù)掩膜版層數(shù)半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )16光刻機(jī)光刻機(jī)的性能由三個(gè)參數(shù)判斷：分辨率、套準(zhǔn)精度與產(chǎn)率。分辨率：能精確轉(zhuǎn)移到晶片表面抗蝕劑膜上圖案的最小尺寸；套準(zhǔn)精度：后續(xù)掩模版與先前掩模版刻在硅片上的圖形相互對準(zhǔn)的程 度；產(chǎn)率：對一給定的掩模版，每小時(shí)能曝光完成的晶片數(shù)量。光學(xué)曝光方法：

11、遮蔽式曝光和投影式曝光。遮蔽式曝光：可分為掩模版與晶片直接接觸的接觸式曝光和二者緊密相 鄰的接近式曝光。若有塵埃或硅渣嵌入掩模版中，將造成掩 模版永久性損壞，在后續(xù)曝光的晶片上形成缺陷。投影式曝光：在掩模版與晶片間有一距離，10-50um。但這一間隙會(huì)在掩 模版圖案邊緣造成光學(xué)衍射。導(dǎo)致分辨率退化。半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )17三種硅片曝光模式及系統(tǒng)三種硅片曝光模式及系統(tǒng)接觸式接觸式接近式接近式投影式投影式1:1曝光系統(tǒng)曝光系統(tǒng)半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )18步進(jìn)投影式光刻機(jī)原理圖步進(jìn)投影式光刻機(jī)原理圖10:15:11:1步進(jìn)掃描光

12、刻機(jī)步進(jìn)掃描光刻機(jī)半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )19DSWdirect step on wafer半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )20接觸式和接近接觸式和接近式式近場衍近場衍射（射（Fresnel）像平面靠近孔像平面靠近孔徑，二者之間徑，二者之間無鏡頭系統(tǒng)無鏡頭系統(tǒng)曝光系統(tǒng)曝光系統(tǒng)半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )21接觸和接近式接觸和接近式Fresnel衍射理論適用衍射理論適用的間隔范圍：的間隔范圍：2Wg 最小分辨尺寸最小分辨尺寸gWming10 m， 365 nm（i線）時(shí)，線）時(shí)，Wmin 2 m半導(dǎo)體制備工

13、藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )22對遮蔽式曝光，最小線寬（臨界尺寸）可用下式表示C Dlg其中，是曝光光源的波長，g是掩模版與晶片間的間隙距離。當(dāng)與g減小時(shí)，可以得到lCD縮小的優(yōu)勢。然而，當(dāng)給定一個(gè)g，任何大于g的微塵粒子都會(huì)對掩模版造成損壞。半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )23投影式投影式遠(yuǎn)場衍遠(yuǎn)場衍射（射（Fraunhofer） 像平面遠(yuǎn)離孔徑，像平面遠(yuǎn)離孔徑，在孔徑和像之間設(shè)在孔徑和像之間設(shè)置鏡頭置鏡頭愛里斑愛里斑df22. 1df22. 1中心極大半徑半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )24瑞利給出恰可分辨兩個(gè)物點(diǎn)的判據(jù)

14、：瑞利給出恰可分辨兩個(gè)物點(diǎn)的判據(jù)：點(diǎn)物點(diǎn)物S1的愛里斑中心恰好與另一個(gè)點(diǎn)物的愛里斑中心恰好與另一個(gè)點(diǎn)物S2的愛里斑的愛里斑邊緣（第一衍射極?。┫嘀睾蠒r(shí)，恰可分辨兩物點(diǎn)。邊緣（第一衍射極?。┫嘀睾蠒r(shí)，恰可分辨兩物點(diǎn)。S1S2S1S2S1S2可分辨可分辨不可分辨不可分辨恰可分辨恰可分辨100%73.6%分辨率分辨率半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )25兩個(gè)愛里斑之間的分辨率兩個(gè)愛里斑之間的分辨率(瑞利判據(jù)瑞利判據(jù)):sin61. 0)sin2(22. 122. 1nfnfdfRsinnNA 數(shù)值孔徑：收集衍射數(shù)值孔徑：收集衍射光的能力。光的能力。n為折射率為折射率分辨率分辨

15、率NAkR1k1=0.6-0.8提高分辨率：提高分辨率：NA ， ，k1 理論計(jì)算人眼愛里斑理論計(jì)算人眼愛里斑20 m分辨率分辨率：100 m半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )26由于有較高的光強(qiáng)度與穩(wěn)定度，高壓汞燈被廣泛用作曝光光源。半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )27投影式投影式基本參數(shù)：基本參數(shù)：分辨率分辨率(resolution)焦深焦深(depth of focus)視場視場(field of view)調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTFmodulation transfer function)套刻精度套刻精度(alignment ac

16、curacy)產(chǎn)率產(chǎn)率(throughput) 光學(xué)系統(tǒng)決定光學(xué)系統(tǒng)決定 機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )28 為為軸上光線到極限聚焦位置的光程差。根據(jù)瑞利判據(jù)：軸上光線到極限聚焦位置的光程差。根據(jù)瑞利判據(jù)：cos4/ 很小時(shí)，很小時(shí)，2/)2/1 (1 4/22NAfd 2sin 焦深焦深NA ，焦深，焦深 焦深焦深22)(NAkDOF 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )29焦深焦深焦平面焦平面光刻膠光刻膠IC技術(shù)中，焦深只有技術(shù)中，焦深只有1 m，甚至更小，甚至更小半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )3

17、0光刻膠光刻膠光刻膠的作用：對于入射光光刻膠的作用：對于入射光子有化學(xué)變化，通過顯影，子有化學(xué)變化，通過顯影，從而實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移。從而實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移。靈敏度：單位面積的膠曝光靈敏度：單位面積的膠曝光所需的光能量：所需的光能量：mJ/cm2負(fù)膠負(fù)膠烴基高分子材料烴基高分子材料正膠分辨率高于負(fù)膠正膠分辨率高于負(fù)膠抗蝕性：刻蝕和離子注入抗蝕性：刻蝕和離子注入正膠正膠IC主導(dǎo)主導(dǎo)半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )31 正性光刻膠正性光刻膠受光或紫外線照射后受光或紫外線照射后感光的部感光的部分發(fā)生光分解反應(yīng)，可溶于顯影液分發(fā)生光分解反應(yīng)，可溶于顯影液，未感光的，未感光的部分顯影后仍然

18、留在晶圓的表面部分顯影后仍然留在晶圓的表面 負(fù)性光刻膠負(fù)性光刻膠的的未感光部分溶于顯影液中未感光部分溶于顯影液中，而，而感光部分顯影后仍然留在基片表面。感光部分顯影后仍然留在基片表面。正膠：曝光前不可溶，曝光后正膠：曝光前不可溶，曝光后 可溶可溶負(fù)膠：曝光前負(fù)膠：曝光前 可溶，曝光后不可溶可溶，曝光后不可溶 光刻膠對大部分可見光敏感，光刻膠對大部分可見光敏感，對黃光不敏感。對黃光不敏感。因此光刻通常在因此光刻通常在黃光室黃光室（Yellow Room）內(nèi)進(jìn)行。）內(nèi)進(jìn)行。半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )32負(fù)光阻負(fù)光阻正光阻正光阻半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻

19、 ( (上上) )33汞燈汞燈436nm (g線線)和和365nm (i線線)光刻膠的組成光刻膠的組成（正膠（正膠positive photoresist, DNQ）a) 基底：樹脂基底：樹脂 是一種低分子量的酚醛樹脂是一種低分子量的酚醛樹脂 (novolac, a polymer) 本身溶于顯影液，溶解速率為本身溶于顯影液，溶解速率為15 nm/s。 b)光敏材料（光敏材料（PACphotoactive compounds) 二氮醌二氮醌 (diazoquinone, DQ)DQ不溶于顯影液，光刻膠在顯影液中的溶解速率為不溶于顯影液，光刻膠在顯影液中的溶解速率為 12 nm/sec光照后，光

20、照后，DQ結(jié)構(gòu)發(fā)生重新排列，成為溶于顯影液的烴基酸結(jié)構(gòu)發(fā)生重新排列，成為溶于顯影液的烴基酸（TMAH四甲基氫氧化銨四甲基氫氧化銨典型顯影液）典型顯影液）光照后，光刻膠在顯影液中的溶解速度為光照后，光刻膠在顯影液中的溶解速度為100200nm/s c)溶劑溶劑 是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纖劑的混合物，用于調(diào)節(jié)光是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纖劑的混合物，用于調(diào)節(jié)光刻膠的粘度?？棠z的粘度。前烘后膜上樹脂前烘后膜上樹脂 : PAC1:1半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )34負(fù)膠負(fù)膠 (Negative Optical Photoresist) 當(dāng)當(dāng)VLSI電路需分辨率達(dá)電路需分辨

21、率達(dá)2 m之前，基本上是采用負(fù)性光刻之前，基本上是采用負(fù)性光刻膠。膠。 負(fù)膠在顯影時(shí)線條會(huì)變粗，使其分辨率不能達(dá)到很高。負(fù)膠在顯影時(shí)線條會(huì)變粗，使其分辨率不能達(dá)到很高。但在分辨率要求不太高的情況，負(fù)膠也有其優(yōu)點(diǎn)：但在分辨率要求不太高的情況，負(fù)膠也有其優(yōu)點(diǎn)：對襯底表面粘附性好對襯底表面粘附性好抗刻蝕能力強(qiáng)抗刻蝕能力強(qiáng)曝光時(shí)間短，產(chǎn)量高曝光時(shí)間短，產(chǎn)量高工藝寬容度較高工藝寬容度較高 （顯影液稀釋度、溫度等）（顯影液稀釋度、溫度等）a)價(jià)格較低價(jià)格較低 （約正膠的三分之一）（約正膠的三分之一）半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )35負(fù)膠的組成部分：負(fù)膠的組成部分：a) 基底：合成環(huán)化橡膠樹脂基底：合成環(huán)化橡膠樹脂 (cyclized synthetic rubber risin)對光照不敏感，但在有機(jī)溶劑如甲苯和二甲苯中溶解很快對光照不敏感，但在有機(jī)溶劑如甲苯和二甲苯中溶解很快b) 光敏材料光敏材料 PAC： 雙芳化基雙芳化基 (bis-arylazide) 當(dāng)光照后，產(chǎn)生