光刻原理和技術(shù)課件

1、第八章 光刻原理和技術(shù)Lithography 8.1 引 言 8.2 光刻工藝流程 8.3 光刻光學(xué) 8.4 光致抗蝕劑 8.5 先進(jìn)的曝光技術(shù)8.1 引言光刻是IC制造業(yè)中最為重要的一道工藝每三年尺寸減小0.7X.硅片制造工藝中，光刻占所有成本的35%?所在的地方代表了roadmap發(fā)展的最大的不確定性設(shè)計(jì)功能模塊，利用軟件在功能模塊之間布線。 用工具檢查是否有違反設(shè)計(jì)規(guī)則(design rule)。用電路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)模擬工具預(yù)測(cè)電路性能 從設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到掩膜版制備，用掃描電子束或激光束在光掩膜版上形成圖形。 光學(xué)曝光，對(duì)硅片進(jìn)行光刻。Mask DefinitionMask definition

2、start with a micro-system or micro-circuit or device conceptThis is followed byLogic DesignCircuit DesignDevice DesignProcess Design & SimulationMask Layout and fabrication Mask: fused silica plate covered with Cr(80nm)用一個(gè)工藝中所需要的光刻次數(shù)或者掩膜版的多少來衡量該工藝的難易程度。 一個(gè)典型的硅集成電路工藝包括20多塊掩膜版通常我們所說的0.13m,0.09m工藝就是指的光

3、刻技術(shù)所能達(dá)到最小線條的工藝。版圖設(shè)計(jì)規(guī)則（設(shè)計(jì)者和制造廠的約定）ULSI對(duì)光刻的基本要求:高分辨率高靈敏度的光刻膠低缺陷精密的套刻對(duì)準(zhǔn)對(duì)大尺寸硅片的加工第八章 光刻原理和技術(shù)Lithography 8.1 引 言 8.2 光刻工藝流程 8.3 光刻光學(xué) 8.4 光致抗蝕劑 8.5 先進(jìn)的曝光技術(shù)光刻流程Lithography Process在硅片上涂一層光刻膠，經(jīng)過曝光在某些區(qū)域感光，經(jīng)顯影后留下膠膜的圖形，再把這層膠膜的圖形作為掩膜，進(jìn)一步對(duì)其下的SiO2進(jìn)行腐蝕，或者進(jìn)行離子注入等，把膠膜上的圖形轉(zhuǎn)換到硅襯底的薄膜上去。光刻工藝流程Photo Resist CoatingMask & D

4、UV Stepper ExposurePHOTOPhoto Resist DevelopmentPHOTOEtching (Wet/Dry)Photo Resist StrippingETCHFilm DepositionRaw materialThin FilmThinFilm-PHOTO-ETCH Physical layer formation cycle光刻工藝流程如何在一定區(qū)域腐蝕硅？光刻技術(shù)可分為三個(gè)部分光源(light sources)曝光系統(tǒng)(exposure system)光刻膠(photoresist)能量(光源):引起光刻膠化學(xué)反應(yīng)，改變光刻膠溶解速率；掩膜版(mask)

5、:對(duì)光進(jìn)行掩膜，在光刻膠上制造掩膜版的圖形對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)(Aligner):在硅片上把掩膜版和以前的圖形對(duì)準(zhǔn)。光刻膠(Resist):把圖形從掩膜版轉(zhuǎn)移到硅片。襯底(substrate)：具有以前的掩膜版圖形。光源Light Source降低器件特征尺寸(feature size),要求采用短波長(zhǎng)的光源一般光刻用的光源：高壓汞燈(Hg Arc lamp),可以產(chǎn)生多種波長(zhǎng)的光。G-line: 436nm; I-line: 365nm;準(zhǔn)分子激光(Excimer laser)：DUVKrF(248nm); ArF (193nm)X射線(0.5nm)，電子束(0.62)，離子束(0.12 ) g-lin

6、e: =436nm, used for 0.5um production i-line: =365nm, used for 0.35um production KrF: =248nm, used for 0.25-0.18um production ArF: =193nm, used for 0.13-0.10um productionOptical lithograpy X-ray: =0.5 nm, E-beam: =0.062 nm, Ion-beam: =0.012 nm, Advanced lithograpy硅片曝光系統(tǒng)(Wafer exposure system)完成前后兩次光刻

7、圖形的精密套刻對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光曝光分類接觸式(Contact)接近式(Proximity)投影式(Projection)Three types of exposure systems have been used.1:1 Exposure SystemsUsually 4X or 5XReduction目前主流光刻機(jī)是 Projection Printing光刻掩模版為4X或5X，每一次曝光到晶片的部分區(qū)域，一般每臺(tái)光刻機(jī)每小時(shí)可以加工2550片晶片第八章 光刻原理和技術(shù)Lithography 8.1 引 言 8.2 光刻工藝流程 8.3 光刻光學(xué) 8.4 光致抗蝕劑 8.5 先進(jìn)的曝光技術(shù)

8、8.3 光刻光學(xué) (optics of lithography)光刻的基本要求基本光學(xué)概念曝光分類掩膜版工程光刻系統(tǒng)的基本要求Resolution 分辨率,即能加工的最小尺寸Depth of focus 焦深Field of view 視場(chǎng)Modulation transfer function 光學(xué)傳遞函數(shù)5. Alignment accuracy 套刻精度6. Throughput 產(chǎn)量取決於光學(xué)系統(tǒng)取決於機(jī)械系統(tǒng) 8.3 光刻光學(xué) (optics of lithography)光刻的基本要求基本光學(xué)概念衍射數(shù)值孔徑分辨率曝光分類掩膜版工程光的衍射效應(yīng)光在空間中以電磁波的形式傳播當(dāng)物體的尺

9、寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，把光作為粒子來處理當(dāng)物體的尺寸和波長(zhǎng)可比擬時(shí)，要考慮光的波動(dòng)性衍射衍射光學(xué)光在傳播過程中繞過障礙物邊緣而偏離直線傳播的現(xiàn)象，稱為衍射。(Diffraction)如果孔徑的尺寸和波長(zhǎng)相當(dāng)，光在穿過小孔后發(fā)散。小孔越小，發(fā)散得越多。“bending of light”衍射光學(xué)如果想在像平面(如光刻膠）對(duì)小孔進(jìn)行成像， 可以用透鏡收集光并聚焦到像平面衍射分類Fresnel diffraction or near field diffraction:像平面和孔徑很近。光直接穿過孔徑到像平面，無中間透鏡系統(tǒng)Contact print and proximity printFraunhof

10、er diffraction or far field diffraction像平面遠(yuǎn)離孔徑，孔徑和像平面之間有透鏡，來捕捉、聚焦圖像Projection printA simple example is the image formed by a smallCircular aperture (Airy disk)Diameter of central maximum = f: 透鏡的焦距d：孔徑的直徑點(diǎn)圖像的分辨率根據(jù)Rayleigh 原理，兩個(gè)像點(diǎn)能夠被分辨的最小間隔為Rayleigh suggested that a reasonable criterion forresolution

11、 was that the central maximum of eachpoint source lie at the first minimum of the Airypattern.f: 透鏡的焦距D：孔徑的直徑數(shù)值孔徑(Numerical Aperture NA)光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑描述透鏡收集光的能力 n是透鏡到硅片間的介質(zhì)折射率對(duì)空氣為1分辨率-Resolution一般來說，最小線寬K10.60.8提高分辨率，減小最小線寬的方法：減小波長(zhǎng)采用高數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)(大透鏡） K1取決光刻系統(tǒng)和光刻膠的性質(zhì) 然而采用高數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)(大透鏡），會(huì)使景深變差采用MTF來表征掩膜上的圖形

12、轉(zhuǎn)移成光刻膠上像的質(zhì)量，衡量圖像的對(duì)比度(contrast)。和線條尺寸有關(guān)，線條尺寸越小，MTF越小。一般MTF須大于0.5光學(xué)傳遞函數(shù)-Modulation Transfer Function MTF 8.3 光刻光學(xué) (optics of lithography)光刻的基本要求基本光學(xué)概念曝光分類掩膜版工程曝光方式接觸式曝光 Contact printing光學(xué)接近式曝光 Optical proximity printing掃描投影曝光 Scanning projection printing接觸式曝光 Contact printing掩膜版和硅片緊密接觸 Fresnel diffrac

13、tionMask Image: Resist Image = 1:1,不受衍射現(xiàn)象限制, 分辨率高，可達(dá)到0.5 m 必須加壓力，會(huì)使膠膜剝離； 易沾污，掩膜版易損壞成品率下降。目前在生產(chǎn)中很少使用。由于光刻膠頂層平面不平，所以該曝光方式中間隔并不嚴(yán)格為0接近式曝光proximity printing掩膜版和硅片有一小的間隙的d 有衍射效應(yīng).最小線寬: Wm= (d)1/2, d:間隔； ：光源波長(zhǎng)分辨率取決于間隙的大小，一般分辨率較差，為24md=10um, I-line (365nm) W 2um接近式曝光proximity printing接近式曝光所引起的近場(chǎng)衍射.在掩膜版孔徑邊緣，強(qiáng)

14、度逐漸上升。因?yàn)楣獾难苌湫?yīng)，在孔徑外面的光也曝光了。在孔徑尺寸內(nèi)，光強(qiáng)有起伏這是因?yàn)榛莞寡苌湫?yīng)的極大極小效應(yīng)的疊加。投影光刻- projection printing把掩膜上的圖形由透鏡投影到光刻膠上。掩膜版不易損壞為了提高分辨率，減少圖形畸變，一次曝光的象場(chǎng)較小，采用掃描式曝光。Fraunhofer diffractionTo improve the defect density of this operation, the reticle is commonly placed in a fixture that has a thin membrane, called A pellic

15、lepellicleOptical Stepper三種曝光系統(tǒng)比較當(dāng)間隔為0時(shí)，接觸式曝光。理想圖形；有一定間隔時(shí)，接近式曝光；有透鏡系統(tǒng)時(shí)，投影曝光， 8.3 光刻光學(xué) (optics of lithography)光刻的基本要求基本光學(xué)概念曝光分類掩膜版工程Mask Engineering 掩膜版工程 Optical Proximity Correction (OPC)Phase ShiftingOptical Proximity Correction (OPC) can be used tocompensate somewhat for diffraction effects.Top -

16、 mask with and without OPC. Bottom, calculatedprinted images.通過軟件對(duì)圖形修正，消除衍射的影響移相掩膜技術(shù)(phase shift mask)選擇一種具有一定厚度和折射率的材料，使得相位移動(dòng)180,形成相消干涉Without phase shiftWith phase shiftPSM(移相掩膜技術(shù)）的優(yōu)點(diǎn)：提高分辨率，使現(xiàn)有光刻技術(shù)至少延伸了一代。可用低數(shù)值孔徑曝光系統(tǒng)，來改善景深提高圖像質(zhì)量第八章 光刻原理和技術(shù)Lithography 8.1 引 言 8.2 光刻工藝流程 8.3 光刻光學(xué) 8.4 光致抗蝕劑 8.5 先進(jìn)的曝光

17、技術(shù) 8.4 光致抗蝕劑 (Photo-Resist)Positive and Negative optical resistg-Line and i-Line ResistsDUV ResistsBasic Properties of Resists光刻膠種類正光刻膠(Positive optical resist)負(fù)光刻膠(Negative optical resist)Resists are organic polymers that are spun onto wafersand prebaked to produce a film 0.5 - 1 mm thick.正性光刻膠Posi

18、tive Optical Resist正膠的光化學(xué)性質(zhì)是從抗溶解到可溶性。正膠曝光后顯影時(shí)感光的膠層溶解了?，F(xiàn)有VLSI工藝都采用正膠 正膠機(jī)制曝光使感光材料(PAC)中分子裂解，被裂解的分子在顯影液中很易溶解，從而與未曝光部分形成強(qiáng)烈反差。負(fù)性光刻膠 Negative Optical resist負(fù)膠的光學(xué)性能是從可溶解性到不溶解性。負(fù)膠在曝光后發(fā)生交鏈作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在顯影液中很少被溶解，而未被曝光的部分充分溶解。正膠和負(fù)膠的比較正膠a)分辨率高 小于1微米b)抗干法刻蝕能力強(qiáng)c)較好的熱穩(wěn)定性負(fù)膠a)對(duì)某些襯底表面粘附性好b) 曝光時(shí)間短，產(chǎn)量高c) 工藝寬容度較高 （顯影液稀釋度、溫

19、度等）d) 價(jià)格較低 （約正膠的三分之一）負(fù)膠的光化學(xué)特性是從可溶性到抗溶解性 g-Line and i-Line Resists由三部分組成非活性樹脂 (Inactive Resin)-碳?xì)浠衔飄ydrocarbon 光敏材料(Photo Active Compound, PAC)溶劑(Solvent) 8.4 光致抗蝕劑 (Resist)光刻膠成分光致抗蝕劑性能參數(shù)光致抗蝕劑類型光刻膠過程分辨率 (resolution)敏感度 (Sensitivity)對(duì)比度 (Contrast) 光譜相應(yīng)曲線(Spectral response curve)抗腐蝕特性光致抗蝕劑材料參數(shù)光刻膠的分辨率正

20、膠的分辨率較負(fù)膠好，一般2m以下工藝用正膠保證抗蝕性性能的情況下，膠越薄，分辨率越高圖形的分辨率主要和曝光系統(tǒng)有關(guān)。靈敏度S (Sensitivity)靈敏度反應(yīng)了需要多少光來使光刻膠曝光。S越高，曝光時(shí)間越短。h為比例常數(shù)；I為照射光強(qiáng)度，t為曝光時(shí)間在短波長(zhǎng)光曝光要求光刻膠有較高的靈敏度。對(duì)比度(Contrast)衡量光刻膠辨別亮(light)/暗(dark)區(qū)域的能力測(cè)量方法：對(duì)一定厚度的光刻膠，改變曝光劑量，在固定時(shí)間內(nèi)顯影，看顯影后留下的光刻膠厚度。對(duì)比度高的光刻膠造成更好的分辨率Df:完全溶解光刻膠所需的曝光劑量；D0:溶解光刻膠所需的閾值曝光劑量 Typical g-line a

21、nd i-line resists achieve g values of 2 -3 and Df values of about 100 mJ cm-2. DUV resistshave much higher g values (5 - 10) and Df values ofabout 20 - 40 mJ cm-2.臨界光學(xué)調(diào)制函數(shù)Critical Modulation Transfer Fudanction (CMTF)By analogy to the MTF defined earlier for opticalsystems, the CMTF for resists is d

22、efined asIn general CMTF MTF is required for the resist toresolve the aerial image. The aerial image and the resist contrast incombination, result in the quality of the latent imageproduced. (Gray area is “partially exposed” areawhich determines the resist edge sharpness.) 影響曝光質(zhì)量的一些其他因素光刻膠厚度的不均勻 Res

23、ist thickness may vary across the wafer. This can lead to under or over exposure in some regions and hence linewidth variations. Reflective surfaces below the resist can set upreflections and standing waves and degraderesolution.入射光和光刻膠下面的表面層引起反射光駐波效應(yīng)影響曝光質(zhì)量的一些因素駐波效應(yīng)(standing wave):當(dāng)單色光對(duì)光致抗蝕劑進(jìn)行曝光時(shí)，入射

24、波和反射波之間干涉，在光刻膠層內(nèi)產(chǎn)生光強(qiáng)周期性漲落的現(xiàn)象叫駐波。 In some cases an antireflective coating (ARC) can helpto minimize these effects. Baking the resist afterexposure, but before development can also help.表面反射(Surface Reflection)當(dāng)表面形貌不平時(shí)，圖像的控制是一個(gè)嚴(yán)重問題。由于光學(xué)在金屬表面反射，使得光刻圖形尺寸改變。利用防反射層(Anti Reflection Coating, ARC)光刻膠表面平面化。其它

25、改善曝光質(zhì)量的方法多層光致抗蝕劑工藝 （MLR工藝）(Multilayer Resist Processor)增強(qiáng)反差層光刻工藝 (CEL) (Contrast Enhancement Layers)無機(jī)光致抗蝕劑 (Inorganic Photoresists) GeSe,Ag, 提高反差光刻膠成分光致抗蝕劑性能參數(shù)光致抗蝕劑類型光刻膠過程 8.4 光致抗蝕劑 (Resist)光刻膠過程(1)襯底處理，烘烤。150C200C,去水；(2)涂一次黏附劑HDMS(3)旋轉(zhuǎn)涂膠。3-6Krpm,(4)前烘。10-30min/90-100C(5)曝光。(6)顯影(7)堅(jiān)膜襯底處理 (substrat

26、e cleaning) 表面清潔度b) 平面度c) 增粘處理高溫烘培增粘劑處理 二甲基二氯硅烷 和三甲基二硅亞胺涂膠 (spin-coating) 旋轉(zhuǎn)涂膠, 精確控制轉(zhuǎn)速, 加速度提供具有一定厚度和均勻性良好的光刻涂膠層 a)膜厚對(duì)分辨率的影響 膜越厚分辨率越低，但為了減少針孔，又需要膜厚。 負(fù)膠的膜厚/線寬比為 1：21：3 正膠的膜厚/線寬比為1：1 b) 膜厚對(duì)粘附力的影響 如膜太厚，曝光被上層膠吸收，引起下層光刻膠 曝光不足，在顯影時(shí)下層膠會(huì)膨脹甚至溶解， 影響光刻膠和襯底的粘附。前烘 (pre-bake) 方式：熱板和紅外等 作用： 去除光刻膠中的溶劑 改善膠與襯底的粘附性， 增加

27、抗蝕性，防止顯影時(shí)浮膠和鉆蝕 但不能發(fā)生熱膠聯(lián)顯影 develop方法：濕法顯影；干法顯影濕法顯影液應(yīng)具備的條件：*應(yīng)去除的膠膜溶解度大，溶解的快*對(duì)要保留的膠膜溶解度小，溶解得慢*有害雜質(zhì)少毒性小顯影后要在顯微鏡下檢查：*圖形套準(zhǔn)情況*邊緣是否整齊*有無殘膠，皺膠，易浮膠，劃傷等 濕法顯影的缺點(diǎn)：*顯影液向抗蝕劑中擴(kuò)散，刻蝕圖形溶脹*顯影液組份變化，引起顯影液特性變化*硅片易沾污，作業(yè)環(huán)境差*成本較高干法顯影 利用抗蝕劑的曝光部分和非曝光部分在特定的氣體等離子體中有不同的反應(yīng)，最后去除未曝光的部分（或曝光的部分），將曝光部分（或未曝光部分）保留一定厚度。 后烘 post-bake在一定溫度下

28、，將顯影后的片子進(jìn)行烘焙，去除顯影時(shí)膠膜所吸收的顯影液和殘留水分，改善光刻膠的粘附性和抗蝕能力 腐蝕 etch去除顯影后裸露出來的介質(zhì)層（如SiO2,SiN4,多晶硅，Al等）腐蝕要考慮的問題(1)均勻性(2)方向性 從線寬角度，希望縱橫向的蝕速比大，從臺(tái)階覆蓋角度，希望縱橫向的蝕速比小(3)選擇性 本身材料和下層材料的腐蝕速率比(4)腐蝕速度(5)公害和安全措施(6)經(jīng)濟(jì)性 去膠 strip溶劑去膠 H2O2:H2SO4=1:3氧化去膠 450oC O2+膠CO2+H2O等離子去膠 高頻電場(chǎng) O2電離OO O活性基與膠反應(yīng) CO2 CO H2O套準(zhǔn)精度影響光刻套準(zhǔn)精度的因素有光刻機(jī)自身的定位精度（包括光學(xué)、機(jī)械、電子等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度和熱效應(yīng)）硅片的加工精度和硅片在熱加工過程中的形變振動(dòng)環(huán)境溫度變化光刻膠的套準(zhǔn)精度第八章 光刻原理和技術(shù)Lithography 8.1 引 言