第14章光刻對準與曝光

集成電路工藝第14章光刻：對準和曝光2/3/20231集成電路工藝目標解釋光刻中對準和曝光的目的描述光學(xué)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(xué)增強技術(shù)解釋光刻中對準是怎樣獲得的2/3/20232集成電路工藝1.提綱1.概述2.光學(xué)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2/3/20233集成電路工藝1.概述一個紫外光源一個光學(xué)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2/3/20234集成電路工藝光刻機分布重復(fù)光刻機(step-and-repeataligner)光刻機(aligner)步進光刻機(stepper)2/3/20235集成電路工藝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2/3/20236集成電路工藝2.光學(xué)光刻光學(xué)光刻一直是不斷縮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。2/3/20237集成電路工藝光在光學(xué)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(xué)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=λf2/3/20238集成電路工藝光波的干涉波本質(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2/3/20239集成電路工藝光學(xué)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。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。2/3/202310集成電路工藝曝光光源汞燈準分子激光2/3/202311集成電路工藝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。2/3/202312集成電路工藝汞燈強度峰UV光波長(nm)描述符CD分辨率(μm)436G線0.5405H線0.4365I線0.35248深紫外(DUV)0.252/3/202313集成電路工藝光的波長與工藝2/3/202314集成電路工藝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。2/3/202315集成電路工藝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(dǎo)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<20%2/3/202316集成電路工藝準分子激光主要優(yōu)點：可在248n深紫外及以下波長提供較大光強。準分子是不穩(wěn)定分子，由惰性氣體原子和鹵素構(gòu)成，如ArF，這里分子只存在于準穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。2/3/202317集成電路工藝常用準分子激光器材料波長(nm)最大輸出（毫焦每脈沖）頻率（脈沖每秒）脈沖長度（ns）CD分辨率（μm）KrF248300~150050025≤0.25ArF193175~30040015≤0.18F215761020≤0.152/3/202318集成電路工藝透鏡材料透鏡傳統(tǒng)上由玻璃制成。對于波長248nm的深紫外光，一種合適的透鏡材料是熔融石英，它在深紫外波長范圍有較少的光吸收在193nm深紫外和157nm深紫外波長，可采用氟化鈣(CaF2)2/3/202319集成電路工藝光的衍射光在傳播路徑中，遇到一個小孔或縫隙時，產(chǎn)生偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為光的衍射。光的衍射和光刻密切相關(guān)。因為掩膜版上有細小圖形并且間距很窄，衍射圖樣奪走了曝光能量，并使光發(fā)射，導(dǎo)致光刻膠上不要曝光的區(qū)域被曝光。2/3/202320集成電路工藝數(shù)值孔徑一個透鏡能夠俘獲一些衍射光。透鏡收集衍射光的能力被稱做透鏡的數(shù)值孔徑(numericalaperture,NA)。對于一個給定的透鏡，NA測量透鏡能夠接收多少衍射光，并且把衍射光會聚到一點成像。NA越大就能把更多的衍射光會聚到一點。2/3/202321集成電路工藝數(shù)值孔徑設(shè)備類型數(shù)值孔徑(NA)數(shù)值反射式掃描投影光刻機0.25分布重復(fù)光刻機0.60～0.68步進掃描式光刻機0.60～0.682/3/202322集成電路工藝浸沒式光刻技術(shù)在32納米技術(shù)節(jié)點乃至進一步向下延伸時將要求193納米浸沒式光刻技術(shù)在一些領(lǐng)域，如高折射率液體，高折射率光學(xué)鏡頭材料以及高折射率光刻膠等方面取得突破性的進展浸沒式光刻技術(shù)的魅力在于將折射率大于1的水介于鏡頭和硅片之間，從而賦予光刻設(shè)備更高的數(shù)值孔徑，由此也進一步提升了193納米光刻技術(shù)的分辨率極限。2/3/202323集成電路工藝更大的NA2/3/202324集成電路工藝干法光刻系統(tǒng)193納米干法光刻系統(tǒng)TwinscanXT:1450是ASML最新推出的193nm干法光刻系統(tǒng)。數(shù)值孔徑為0.93；新Aerial-PT投影光源支持高效偏振化，透鏡象差控制和套刻精度水平的提高，使干法ArF光刻的分辨率延伸至57nm。TwinscanXT:1450產(chǎn)能達到了每小時143片晶圓TwinscanXT:1450還能采用兩次圖形曝光技術(shù)，助力用戶開發(fā)32nm節(jié)點工藝。2/3/202325集成電路工藝抗反射涂層曝光光線通過投影掩膜版后在光刻膠上形成圖案。如果光刻膠的底層膜是反光的（如金屬和多晶硅層），那么光線將從這個膜層反射并有可能損害臨近的光刻膠。這個損害對控制線寬產(chǎn)生不利影響。把一種抗反射層(ARC-antireflectivecoating)直接用于反射材料的表面來減小影響。2/3/202326集成電路工藝分辨率分辨率——清晰分辨出硅片上間隔很近的特征圖形對的能力。R=kλ/NAK表示特殊應(yīng)用的工藝因子，范圍0.6-0.8影響分辨率的參數(shù)有哪些？如何提高分辨率？2/3/202327集成電路工藝焦深焦點周圍的一個范圍，在這個范圍內(nèi)圖像連續(xù)地保持清晰，這個范圍被稱為焦深(DOF-DepthofFocus)焦點是沿透鏡中心出現(xiàn)最佳圖像的點，焦深是焦點上面和下面的范圍。焦點可能不是正好在光刻膠層中心，但是焦深應(yīng)該穿越光刻膠層上下表面。DOF＝λ/2(NA)22/3/202328集成電路工藝NA/R/DOFλNARDOF365nm0.45486nm901nm365nm0.60365nm507nm193nm0.45257nm476nm193nm0.60193nm268nm2/3/202329集成電路工藝3.光刻設(shè)備接觸式光刻機(Contactaligner)接近式光刻機(Proximityaligner)掃描投影光刻機(Scanningprojectionaligner——scanner)分步重復(fù)光刻機(Step-and-repeataligner——Stepper)步進掃描光刻機(Step-and-scansystem)2/3/202330集成電路工藝接觸式光刻機SSI時代線寬>5μm一旦掩膜版和硅片對準，掩膜版就開始和硅片表面的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。2/3/202331集成電路工藝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2－4μm。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2.5-25μm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(dāng)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。2/3/202332集成電路工藝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、分辨率限制等問題。適用于線寬1μm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。2/3/202333集成電路工藝分步重復(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0.35μm和0.25μm。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。2/3/202334集成電路工藝步進掃描光刻機步進掃描光學(xué)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。2/3/202335集成電路工藝投影掩膜版(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)印）。掩膜版用于較老的接近式光刻和掃描對準投影機光刻中。2/3/202336集成電路工藝ReticleVS.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(xué)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(xué)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)2/3/202337集成電路工藝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(xué)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。2/3/202338集成電路工藝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），也可以只掃描要光刻的區(qū)域（矢量掃描）在投影掩膜上形成圖形。2/3/202339集成電路工藝掩膜版制備流程2/3/202340集成電路工藝相移掩膜技術(shù)(PSM)相移掩膜技術(shù)(PSM，Phase-ShiftMask)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。2/3/202341集成電路工藝像素化掩膜版2/3/202342集成電路工藝光學(xué)臨近修正(OPC)光學(xué)臨近修正(OPC,OpticalProximityCorrection)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(xué)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(xué)臨近效應(yīng)，稱為光學(xué)臨近修正(OPC)。2/3/202343集成電路工藝增強型應(yīng)變硅（StrainedSilicon）

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(dāng)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）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2/3/202344集成電路工藝增強型應(yīng)變硅（StrainedSilicon）2/3/202345集成電路工藝應(yīng)變硅柵2/3/202346集成電路工藝對準(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位移。一般，套準容差為關(guān)鍵尺寸的三分之一。2/3/202347集成電路工藝光刻中的環(huán)境條件溫度濕度振動大氣壓力顆粒沾污2/3/202348集成電路工藝4.混合和匹配(mixandmatch)關(guān)鍵層用高級工藝，如深紫外曝光化學(xué)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(COO－CostofOwnership)2/3/202349集成電路工藝5.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2/3/202350集成電路工藝聚焦－曝光劑量缺陷類型：系統(tǒng)中不正確的聚焦-曝光。解決方法：檢驗來自光源的均勻性和最佳曝光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檢驗光刻膠是否滿足所有的質(zhì)量參數(shù)2/3/202351集成電路工藝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：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。鑒定光刻膠確保它不釋放氣體并結(jié)在光學(xué)器件上。因其會降低透鏡的透光能力和像場的均勻性。2/3/202352集成電路工藝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：檢查是否調(diào)用了適當(dāng)?shù)牟藛螜z查是否裝載了正確的投影掩膜版和硅片光刻機內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)問題。如溫度和壓力變化影響了透鏡的NA2/3/202353集成電路工藝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