半導(dǎo)體器件第12章圖形曝光與光刻課件

1、第12章 圖形曝光與光刻半導(dǎo)體器件Semiconductor Devices第1頁，共20頁。概 述圖形曝光(lithography)是利用掩模版(mask)上的幾何圖形，通過光化學(xué)反應(yīng)，將圖案轉(zhuǎn)移到覆蓋在半導(dǎo)體晶片上的感光薄膜層上（光致抗蝕劑、光刻膠、光阻）的一種工藝步驟。這種圖案轉(zhuǎn)移是利用腐蝕工藝，選擇性地將未被抗蝕劑掩蔽的區(qū)域除去。第2頁，共20頁。光學(xué)圖形曝光在集成電路制造中，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，因為塵埃

2、可能會粘附于晶片或掩模版上造成器件的缺陷從而是電路失效。潔凈室第3頁，共20頁。光刻機光刻機性能的三個參數(shù)判斷：分辨率、套準(zhǔn)精度與產(chǎn)率。光學(xué)曝光方法：遮蔽式曝光和投影式曝光。遮蔽式曝光：掩模版與晶片直接接觸的接觸式曝光和二者緊密相鄰（10-50um）的接近式曝光。前者若曝光時有一塵埃粒子將產(chǎn)生致命缺點；后者會在掩模版圖案邊緣造成光學(xué)衍射。投影式曝光：用投影的方式將掩模版上圖案投影至相距好幾厘米的晶片上。為增加分辨率，每次只曝光一小部分掩模版圖案，通過掃描或步進的方式來完成整片晶片的曝光。12.13第4頁，共20頁。掩模版用于IC制造的掩模版通常為縮小倍數(shù)的掩模版。掩模版的制作：設(shè)計者用CAD系

3、統(tǒng)將版圖繪出。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。將圖案先轉(zhuǎn)移至電子束敏感層進而轉(zhuǎn)移至底下的鉻膜層。掩模版是融凝硅土(1510cm2、0.6cm)基底覆蓋一層鉻膜層。面積是為了滿足4:1與5:1的曝光機中透鏡透光區(qū)域的尺寸。厚度的要求是避免襯底扭曲而造成圖案位移的錯誤。融凝硅土襯底：熱膨脹系數(shù)低，短波長透射率高、機械強度高。一般而言，一組完整的IC工藝流程包含10-20道不同掩模版。第5頁，共20頁。缺陷密度是掩模版好壞的主要原因之一。掩模版缺陷可能在制造掩模版或是接下來的圖形曝光工藝步驟中產(chǎn)生。其中，D為每單位面積致命缺陷的平均數(shù)；A為IC芯片的面積。若D對所有的掩模版層

4、都是相同值（如N=10層），則最后成品率為10道掩模版的成品率，每道掩模版中包含不同缺陷密度所產(chǎn)生的影響成品率：每一晶片中正常的芯片數(shù)與中芯片數(shù)之比。第6頁，共20頁?？刮g劑抗蝕劑是對光敏感的化合物，依其對光照的反應(yīng)分成正性和負性。正性抗蝕劑：被曝光的區(qū)域?qū)⒆兊幂^易溶解，可以在顯影步驟時較容易被去除。產(chǎn)生圖案與掩模版上圖案一致。負性抗蝕劑：被曝光區(qū)域的抗蝕劑將變得較難溶解，產(chǎn)生圖案與掩模版上的相反。正性抗蝕劑組成：感光化合物、樹脂基材和有機溶劑合成。負性抗蝕劑組成：聚合物和感光化合物合成。缺點：顯影中抗蝕劑吸收顯影液而膨脹，限制了分辨率。第7頁，共20頁。分辨率增加技術(shù)光學(xué)圖形曝光系統(tǒng)發(fā)展的挑

5、戰(zhàn)：較佳的分辨率、較深的聚焦深度與較廣的曝光寬容度。用縮短光刻機的波長與發(fā)展新的抗蝕劑來克服。另外，開發(fā)了新技術(shù)，如相移掩模版。傳統(tǒng)掩模版：兩個投影的像太接近，就不容易分辨出來。相移掩模版(PSM)是將相移層覆蓋于相鄰的縫隙上，使得電場反相。要反相，使用一透明層，厚度滿足：第8頁，共20頁。新一代圖形曝光技術(shù)曝光技術(shù)的基本要求：高產(chǎn)率、好的分辨率、低成本且容易操作。種類：電子束圖形曝光極遠紫外光圖形曝光系統(tǒng)X射線圖形曝光離子束圖形曝光等第9頁，共20頁。電子束圖形曝光主要用于掩模版的制作。優(yōu)點：產(chǎn)生亞微米的幾何抗蝕劑圖案高自動化及高精度控制的操作比光學(xué)圖形曝光有較大的聚焦深度不同掩模版可直接在

6、半導(dǎo)體晶片上描繪圖案缺點：電子束光刻機產(chǎn)率低。第10頁，共20頁。鄰近效應(yīng)光學(xué)曝光：分辨率的好壞是由衍射來決定的。電子束曝光：分辨率好壞是由電子散射決定的。在抗蝕劑與襯底界面間，正向散射與背散射的劑量分布鄰近效應(yīng)：當(dāng)電子束曝光某一區(qū)域，將會影響到附件區(qū)的曝光。修正方法：將圖案分割成更小的區(qū)域。缺點：進一步降低產(chǎn)率。第11頁，共20頁。極遠紫外光圖形曝光(EUV)曝光波長延伸到30nm而不降低產(chǎn)率。反射式掩模版，光束窄，光束掃描方式，掃描電路圖案的掩模版層。挑戰(zhàn)：曝光過程必須在真空下進行。照相機必須使用反射透鏡器件。掩模版空片必須覆蓋多層膜。第12頁，共20頁。X射線圖形曝光(XRL)XRL圖形

7、曝光極有潛力繼承光學(xué)圖形曝光來制作100nm的集成電路。類似光學(xué)遮蔽接近式曝光。掩模版是最困難且關(guān)鍵的部分，且制作比光學(xué)掩模版復(fù)雜。為了避免X射線在光源與掩模版間被吸收，通常曝光都在氦環(huán)境下完成。利用電子束抗蝕劑來作為X射線抗蝕劑。第13頁，共20頁。離子束圖形曝光優(yōu)點：比光學(xué)、X射線與電子束圖形曝光技術(shù)有更高的分辨率。因為離子有較高的質(zhì)量且比電子散射小。缺點：可能受到隨機（或離散）空間電荷的影響而使離子束變寬。主要應(yīng)用：修補光學(xué)圖形曝光用的掩模版。第14頁，共20頁。不同圖形曝光方法的比較都有100nm或更好分辨率。每種都有其限制：光學(xué)法的衍射現(xiàn)象、電子束的鄰近效應(yīng)、EUV的掩模版空片的制作

8、困難、X射線的掩模版制作復(fù)雜、離子束的隨機空間電荷效應(yīng)。IC的制造，需多層掩模版；采用混合與配合的方法，來改善分辨率與提供產(chǎn)率。2010年，分辨率將達50nm。由于要求更小的特征尺寸與更嚴格的套準(zhǔn)容差，圖形曝光技術(shù)更成為推動半導(dǎo)體工業(yè)的關(guān)鍵性技術(shù)。第15頁，共20頁。濕法化學(xué)腐蝕(WCE)WCE在半導(dǎo)體工藝中廣泛使用晶片切割開始，研磨與拋光，平整與無損的表面。熱氧化與外延前，去除污染。尤其適合多晶硅、氧化物、氮化物、金屬等作整片的腐蝕。WCE三種主要步驟：反應(yīng)物通過擴散方式到達反應(yīng)表面；化學(xué)反應(yīng)在表面發(fā)生；反應(yīng)生成物通過擴散離開表面。攪動、腐蝕液的溫度都會影響腐蝕速率。大多數(shù)WCE是將晶片浸入

9、化學(xué)溶液中，或是噴射腐蝕液在晶片表面。第16頁，共20頁。干法刻蝕圖形曝光工藝所形成的抗蝕劑圖案，用來當(dāng)作刻蝕下層材料的掩蔽層(a)。下層材料多為非晶或多晶系的薄膜。 WCE，由于各向同性產(chǎn)生側(cè)向鉆蝕(b)。分辨率降低。各向同性腐蝕薄膜的厚度是預(yù)期分辨率的三分之一或更小；反之，就必須使用各向異性腐蝕。為了從抗蝕劑圖案上得到高準(zhǔn)確度的圖案轉(zhuǎn)移，發(fā)展了干法刻蝕(c)。第17頁，共20頁?；镜入x子體理論等離子體由完全或部分電離的氣體離子、電子及中子組成。等離子體刻蝕是利用基態(tài)或中性激發(fā)態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，將固態(tài)薄膜去除。干法刻蝕時，等離子體中的電子濃度相當(dāng)?shù)?；因此，等離子輔助干法刻蝕是一種低溫工藝過程?；究涛g方式：物理方式：濺射刻蝕；各向異性輪廓，但低選擇比、高的離子轟擊