第14章光刻對準和曝光課件

1、第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝1集成電路工藝第第14章光刻：對準和曝光章光刻：對準和曝光第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝2目標 解釋光刻中對準和曝光的目的 描述光學光刻中光的特性及光源的重要性 解釋分辨率，描述它的重要參數(shù)并討論計算方法 論述五代用于對準和曝光的設(shè)備 描述投影掩膜版，如果制造，及在精細光刻中的應(yīng)用 論述用于短波長光刻的光學增強技術(shù) 解釋光刻中對準是怎樣獲得的第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝31.提綱 1.概述 2.光學光刻 3.光刻設(shè)備 4.混合和匹配 5.對準和曝光質(zhì)量測量第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集

2、成電路工藝41.概述 一個紫外光源 一個光學系統(tǒng) 一塊由芯片圖形組成的投影掩膜版 一個對準系統(tǒng) 一個覆蓋光敏光刻膠的硅片第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝5光刻機 分布重復(fù)光刻機(step-and-repeat aligner) 光刻機(aligner) 步進光刻機(stepper)第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝6步進光刻機的目標 使硅片表面和石英掩膜版對準并聚集 通過對光刻膠曝光，把高分辨率的投影掩膜版上圖形復(fù)制到硅片上 在單位時間內(nèi)生產(chǎn)出足夠多的符合質(zhì)量規(guī)格的硅片第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝72.光學光刻 光學光刻一直是不斷縮

3、小芯片特征尺寸的主要限制因素。 光刻的長命歸功于設(shè)備和工藝的改進。第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝8光 在光學光刻中，需要一個光源來把版圖投影到光刻膠上并引起光化學反應(yīng)。 光的實質(zhì)是能被人眼看到的電磁波。 光可用波長和頻率來描述。 v=f第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝9光波的干涉 波本質(zhì)上是正弦曲線。 任何形式的正弦波只要有相同的頻率就能相互干涉。 相長干涉：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第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝10光學濾光器 濾光器利用光的干涉阻止不需要的入射光，通過反射或干涉來獲得一個特定波長。

4、 濾光器通常由玻璃制成，玻璃上面有一層或多層薄涂層。 涂層的類型和厚度決定了什么波長的光會相消干涉而阻止進入玻璃。第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝11曝光光源 汞燈 準分子激光第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝12汞燈 高壓汞燈作為紫外光源被使用在所有常規(guī)的I線步進光刻機上。 電流通過裝有氙汞氣體的管子產(chǎn)生電弧放電。這個電弧發(fā)射出一個特征光譜，包括240nm到500nm之間有用的紫外輻射。第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝13汞燈強度峰UV光波長(nm)描述符CD分辨率(m )436G線0.5405H線0.4365I線0.35248深紫外

5、(DUV)0.25第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝14光的波長與工藝第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝15光強和曝光劑量 光強單位面積的功率(mW/cm2)，光強在光刻膠的表面進行測量。 曝光劑量光強乘以曝光時間，表示光刻膠表面獲得的曝光能量。第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝16光刻膠的吸收問題 光刻膠樹脂對入射輻射過多的吸收是不希望的。 如果光刻膠吸收過多，光刻膠底部接受的光強就會比頂部的少很多，這個差異導致圖形測墻傾斜。 要獲得垂直測墻圖形，光刻膠必須只吸收入射輻射的一小部分，一般5m 一旦掩膜版和硅片對準，掩膜版就開始和硅片表面的

6、光刻膠涂層直接接觸。 因為掩膜版和光刻膠直接接觸，顆粒沾污損壞了光刻膠層、掩膜版或兩者都損壞了，每5次25次操作就需要更換掩膜版。第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝32接近式光刻機 接近式光刻機從接觸式光刻機發(fā)展而來。 適用線寬24m 。 掩膜版不與光刻膠直接接觸，它與光刻膠表面接近，在掩膜版和硅片表面光刻膠之間大致有2.5-25m 的間距。 接近式光刻試圖緩解接觸式光刻機的沾污問題，但當紫外光線通過掩膜版透明區(qū)域和空氣時就會發(fā)散，減小了系統(tǒng)的分辨率。第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝33掃描投影光刻機 掃描投影光刻機試圖解決沾污問題、邊緣衍射、分辨率限制等

7、問題。 適用于線寬1m 的非關(guān)鍵層。 它利用基于反射鏡系統(tǒng)把1：1圖像的整個掩膜圖形投影到硅片表面。掩膜版圖形和硅片上的圖形尺寸相同。第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝34分步重復(fù)光刻機 分步重復(fù)光刻機只投影一個曝光場，然后步進到硅片上另一個位置重復(fù)曝光。 主要用于圖形形成關(guān)鍵尺寸小到0.35m 和0.25m 。 投影掩膜版圖形尺寸是實際像的4倍、5倍或10倍。這個縮寫的比例使得制造投影掩膜版更容易。第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝35步進掃描光刻機 步進掃描光學光刻系統(tǒng)是一種混合設(shè)備，融合了掃描投影光刻機和分步重復(fù)光刻機技術(shù)。 使用步進掃描光刻機曝光硅片

8、的優(yōu)點是增大了曝光場，可以獲得較大的芯片尺寸。 步進掃描光刻機的另一個重要優(yōu)點是具有在整個掃描過程調(diào)節(jié)聚集的能力，使透鏡缺陷和硅片平整度變化能夠得到補償。第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝36投影掩膜版(reticle) 投影掩膜版(reticle)只包括硅片上一部分圖形（如4個芯片），這個圖形必須通過分步重復(fù)來覆蓋整個襯底。投影掩膜版用于分步重復(fù)光刻機和步進掃描光刻機。 掩膜版(mask)包含了整個硅片上的芯片陣列并且通過單一曝光轉(zhuǎn)印圖形（1：1圖像轉(zhuǎn)?。?。掩膜版用于較老的接近式光刻和掃描對準投影機光刻中。第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝37Reticl

9、e VS. Mask參數(shù)投影掩膜版(reticle)掩膜版(mask)曝光次數(shù)多次曝光一次曝光關(guān)鍵尺寸在硅片上容易形成亞微米尺寸圖形，由于版圖尺寸較大(4:1,5:1)沒有縮小的光學系統(tǒng)很難在掩膜版和硅片上形成亞微米尺寸圖形曝光場小曝光場需要步進重復(fù)過程曝光場就是整個硅片掩膜版技術(shù)光學縮小允許較大的投影掩膜版尺寸更易于復(fù)印掩膜版與硅片有相同的關(guān)鍵尺寸更難于復(fù)印產(chǎn)量要求先進的自動化來步進和重復(fù)掃過整個硅片可能較高（要求自動化)芯片對準和聚集可以調(diào)節(jié)單個芯片的對準和聚集整個硅片對準，但沒有單個芯片對準和聚焦缺陷密度增加產(chǎn)品但不允許reticle缺陷，其缺陷會在每個曝光場重復(fù)缺陷在硅片上不會多次重復(fù)

10、第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝38投影掩膜版的材料 投影掩膜版襯底材料是熔融石英 因為在深紫外光譜部分（248nm和193nm）有高光學透射，并且有非常低的溫度膨脹。 淀積在投影掩膜版上的不透明材料通常是一薄層鉻。鉻的厚度通常小于100nm并且是濺射淀積的。第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝39投影掩膜版的制造 通常用電子束形成圖形。利用直寫把存儲的原始圖形繪制成版圖。 在電子束光刻中光刻電子源產(chǎn)生許多電子，這些電子被加速并通過電或磁的方式被聚焦，并在涂有電子束膠的投影掩膜版上掃描形成所需要的圖形。 電子束可以掃描整個掩膜版（光柵掃描），也可以只掃描要光

11、刻的區(qū)域（矢量掃描）在投影掩膜上形成圖形。第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝40掩膜版制備流程玻璃石英板的形成/沉積鉻涂層光刻膠涂層涂層曝光圖案顯影圖案刻蝕光刻膠去除第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝41相移掩膜技術(shù)(PSM) 相移掩膜技術(shù)(PSM，Phase-Shift Mask)用來克服光通過掩膜版上小孔時發(fā)生衍射的問題。 利用相消干涉減小光衍射。第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝42像素化掩膜版 第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝43光學臨近修正(OPC) 光學臨近修正(OPC,Optical Proximity C

12、orrection) 由于投影掩膜版上距離很近結(jié)構(gòu)間的光衍射和干涉引起光學臨近效應(yīng)，光刻圖像的線寬受附近結(jié)構(gòu)影響。 引入可選擇的圖像尺寸偏差到掩膜版圖形上，來補償光學臨近效應(yīng)，稱為光學臨近修正(OPC)。第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝44增強型應(yīng)變硅（增強型應(yīng)變硅（Strained Silicon） 應(yīng)變硅，指的是一種僅有1.2納米厚度的超薄氧化物層，利用應(yīng)變硅代替原來的高純硅制造晶體管內(nèi)部的通道，可以讓晶體管內(nèi)的原子距離拉長，單位長度原子數(shù)目變少，當電子通過這些區(qū)域時所遇到的阻力就會減少，由此達到提高晶體管性能的目的。 90納米工藝中的應(yīng)變硅實際上是使用硅鍺（PMOS）

13、和含鎳的硅化物（NMOS）兩種材料 . 處理器可以工作在更高的工作頻率上 第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝45增強型應(yīng)變硅（增強型應(yīng)變硅（Strained Silicon）第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝46應(yīng)變硅柵應(yīng)變硅柵第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝47對準(Alignment) 為了成功地在硅片上形成圖案，必須把硅片上的圖形正確地與掩膜版上的圖形對準。只有每個投影的圖形都能正確地和硅片上的圖形匹配，集成電路才有相應(yīng)的功能。 套準精度（套準）是測量對準系統(tǒng)把版圖套刻到硅片上圖形的能力。 套準容差描述要形成的圖形層和前層的最大相對

14、位移。一般，套準容差為關(guān)鍵尺寸的三分之一。第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝48光刻中的環(huán)境條件 溫度 濕度 振動 大氣壓力 顆粒沾污第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝494.混合和匹配(mix and match) 關(guān)鍵層用高級工藝，如深紫外曝光化學放大深紫外光刻膠； 非關(guān)鍵層用低級工藝，如I線步進光刻機曝光酚醛DNQ光刻膠。 減少擁有成本(COOCost of Ownership)第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝505.對準和曝光質(zhì)量測量 聚焦曝光劑量 光源的光強度 步進和步進掃描光刻機的掩膜版對準 圖形分辨率 投影掩膜版的質(zhì)量第14

15、章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝51聚焦曝光劑量 缺陷類型：系統(tǒng)中不正確的聚焦-曝光。 解決方法：l 檢驗來自光源的均勻性和最佳曝光l 在給定的聚焦位置下，進行與一系列曝光量對應(yīng)的線條的CD測量l 修改聚焦位置并進行CD測量。最佳焦距下，曝出可接受劑量的變化范圍l 檢驗光刻膠是否滿足所有的質(zhì)量參數(shù)第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝52光源的光強度 缺陷類型：在曝光場中不均勻的光強度。 解決方法：n在硅片的幾個位置，檢查光強度是否達到標準的能量和均勻性。n鑒定光刻膠確保它不釋放氣體并結(jié)在光學器件上。因其會降低透鏡的透光能力和像場的均勻性。第14章光刻：對準和曝光2

16、022-5-9集成電路工藝53步進和步進掃描光刻機的掩膜版對準 缺陷類型：掩膜版對準標記不能正確地與硅片標記對準 解決方法：u檢查是否調(diào)用了適當?shù)牟藛蝩檢查是否裝載了正確的投影掩膜版和硅片u光刻機內(nèi)部光學系統(tǒng)問題。如溫度和壓力變化影響了透鏡的NA第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝54圖形分辨率 缺陷類型：硅片上差的CD分辨率。線寬和孔不滿足規(guī)范要求。 解決方法：p進行聚焦-曝光測試p檢查環(huán)境（溫度、壓力等）p硅片在卡盤上不平，可能是由于背面沾污或卡盤問題p尋找可能引入的與工藝有關(guān)的工藝參數(shù)p尋找光學系統(tǒng)問題第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝55投影掩膜版的質(zhì)

17、量影響因素 投影掩膜版上的灰塵或擦傷 投影掩膜版上的圖形缺陷（線條斷裂、特征圖形的橋接、幾何圖形丟失、不透明的單個鉻點、鉻線條上的穿孔） 玻璃碎裂 起鉻（粘附不好） 投影掩膜版平整度第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝56小結(jié) 現(xiàn)代光刻以光學光刻為基礎(chǔ)。 在光刻中對準和曝光對于滿足關(guān)鍵的亞微米分辨率的要求非常關(guān)鍵。 已經(jīng)出現(xiàn)過五代設(shè)備。分步重復(fù)光刻機和步進掃描光刻機是現(xiàn)今最受歡迎的。 紫外光源包括傳統(tǒng)的汞燈和用于深紫外的準分子激光器。第14章光刻：對準和曝光2022-5-9集成電路工藝57小結(jié) 控制光通過透鏡系統(tǒng)進行圖像投影，光的反射和折射是重要參數(shù)。衍射描述當光通過投影掩膜上的狹窄圖形時的彎曲方式。 透鏡俘獲光的能力就是數(shù)值