微電子制造技術(shù)準(zhǔn)分子激光課件

微電子制造技術(shù)

第14章

光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光

微電子制造技術(shù)

第14章

光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光概述對(duì)準(zhǔn)就是把所需圖形在硅片表面上定位或?qū)?zhǔn)。而曝光是通過曝光燈或其它輻射源將圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠涂層上。如果說光刻膠是光刻工藝的“材料”核心，那么對(duì)準(zhǔn)和曝光則是該工藝的“設(shè)備”核心。圖形的準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)是保證器件和電路正常工作的決定性因素之一。因?yàn)樽罱K的圖形是用多個(gè)掩膜版按照特定的順序在晶園表面一層一層疊加建立起來的。圖形定位的要求就好像是一幢建筑物每一層之間所要求的正確對(duì)準(zhǔn)。如果每一次的定位不準(zhǔn)，將會(huì)導(dǎo)致成品率下降或者整個(gè)電路失效。

概述對(duì)準(zhǔn)就是把所需圖形在硅片表面上定位或?qū)?zhǔn)。而掩膜版上設(shè)計(jì)的每一層圖形都有一個(gè)特殊功能，如接觸孔、MOS的源漏區(qū)或金屬線等，光刻過程中掩膜版把這些圖形彼此套準(zhǔn)來制成硅片上的器件或電路。版圖套準(zhǔn)過程有對(duì)準(zhǔn)規(guī)范，就是前面提出的套準(zhǔn)容差。怎樣精確地把亞微米尺寸套準(zhǔn)，對(duì)光學(xué)光刻提出了特殊的對(duì)準(zhǔn)挑戰(zhàn)。掩膜版上設(shè)計(jì)的每一層圖形都有一個(gè)特殊功能，如接觸孔、學(xué)習(xí)目標(biāo)1. 解釋光刻中對(duì)準(zhǔn)和曝光的目的；2. 描述光刻中光的特性及光源的重要性；3. 了解光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光刻工藝的重要性；解釋分辨率，說明它對(duì)光刻的重要性；了解光刻中獲得精確對(duì)準(zhǔn)的方法。學(xué)習(xí)目標(biāo)1. 解釋光刻中對(duì)準(zhǔn)和曝光的目的；單視場(chǎng)曝光，包括：聚焦、對(duì)準(zhǔn)、曝光、步進(jìn)和重復(fù)過程UV光源投影掩膜版（在投影掩膜版視場(chǎng)內(nèi)可能包含一個(gè)或多個(gè)芯片）快門承片臺(tái)在X,Y,Z,q方向控制硅片的位置投影透鏡（縮小的投影掩膜版的視場(chǎng)到硅片表面）快門在聚焦和對(duì)準(zhǔn)過程中閉合，而在曝光過程中打開對(duì)準(zhǔn)曝光Figure14.1掩模版圖型轉(zhuǎn)移到光刻膠上單視場(chǎng)曝光，包括：聚焦、對(duì)準(zhǔn)、曝光、步進(jìn)和重復(fù)過程UV光源頂視圖12345768剖面圖Figure14.2CMOS剖面和投影掩膜版的頂視圖

頂視圖12345768剖面圖Figure14.2CMOS4)多晶硅柵刻蝕1)STI刻蝕2)P-阱注入3)N-阱注入8)金屬刻蝕5)N+S/D注入6)P+S/D注入7)氧化層接觸刻蝕Figure14.2投影掩膜版的分解圖

4)多晶硅柵刻蝕1)STI刻蝕2)P-阱注入3)光學(xué)曝光在曝光過程中，從光源發(fā)出的光通過對(duì)準(zhǔn)的掩膜版（版上有黑白分明的區(qū)域，這些區(qū)域形成了要轉(zhuǎn)移到硅片表面的圖形）對(duì)涂膠的硅片曝光。曝光的目的就是要把掩膜版上的圖形精確地復(fù)制到涂膠的硅片上。曝光的一個(gè)方面是在所有其它條件相同時(shí)，曝光光線波長越短能曝出的特征尺寸就越小。此外，曝光的光線必須具有一定的能量，以便對(duì)光刻膠產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)。為了提高曝光質(zhì)量，光必須均勻地分配到整個(gè)曝光區(qū)域。為了獲得精細(xì)光刻的關(guān)鍵尺寸，光刻需要在短波長下進(jìn)行強(qiáng)曝光。

光學(xué)曝光在曝光過程中，從光源發(fā)出的光通過對(duì)準(zhǔn)的掩膜版光的實(shí)質(zhì)就是電磁波，光也能輻射能量。這兩個(gè)描述反映了光的波粒兩相性的本質(zhì)。因此可以用波長（λ）和頻率（?）來描述。這兩者的關(guān)系如圖14.3所示，其中υ是光的速度。

l=vf激光器v=光的速度,3E108m/secf=以Hz為單位的頻率(每秒周期)l=波長，頻率對(duì)應(yīng)周期的物理長度，以米為單位Figure14.3光的波長和頻率

光的實(shí)質(zhì)就是電磁波，光也能輻射能量。這兩個(gè)描述波的干涉

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。有兩種類型的干涉基于波是否有相同的相位（見下圖）。ABA+B同相位波不同相位波相長干涉相消干涉Figure14.4

波的干涉光學(xué)濾波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(gè)特定波長的波（見圖14.5）二次反射

(干涉)涂層1(不反射)涂層3玻璃涂層2被反射的波長透射的波長寬帶光Figure14.5光學(xué)濾波

光學(xué)濾波器濾光器利用光的干涉阻止不需要的入射光，通過整個(gè)可見和不可見的電磁波被稱作電磁波譜，它由從極短到極長波長的各種輻射能組成。

黃光和紅光因?yàn)樗幵诳梢姽鈪^(qū)含極少紫外光，因此不會(huì)影響光刻膠。所以光刻區(qū)的照明通常使用黃光或紅光。13（極紫外）l(nm)700455060065050045040035030025020015010050紫外光譜可見光譜（白光）汞燈準(zhǔn)分之激光光刻光源ghi365405248193436157126紫紅藍(lán)綠黃橙Mid-UVEUVDUVVUVFigure14.6電磁波譜整個(gè)可見和不可見的電磁波被稱作電磁波譜，它由從極短到曝光光源在光刻膠曝光過程中，是通過光刻膠材料發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)來轉(zhuǎn)移掩膜版的圖形，而且必須在最短的時(shí)間內(nèi)完成，同時(shí)要求在批量生產(chǎn)中是可重復(fù)的。紫外光用于光刻膠的曝光是因?yàn)楣饪棠z材料與這個(gè)特定波長的光反應(yīng)滿足上述要求。因?yàn)檩^短的波長可以獲得光刻膠上較小尺寸的分辨率。所以現(xiàn)今最常用光學(xué)光刻的兩種紫外光源是：汞燈和準(zhǔn)分之激光。除此之外其它用于先進(jìn)的或特殊應(yīng)用的光刻膠曝光有X射線、電子束和離子束。

曝光光源在光刻膠曝光過程中，是通過光刻膠材料120100806040200200 300 400 500 600波長(nm)相對(duì)強(qiáng)渡(%)h-line405nmg-line436nmi-line365nmDUV248nm高強(qiáng)度汞燈的發(fā)射光譜Figure14.7典型的高壓汞燈的發(fā)射光譜

120200 300 400 500 600波長Table14.2汞燈的強(qiáng)度峰

Table14.2汞燈的強(qiáng)度峰通過表14.2可以看出，要得到0.25μm以下的特征尺寸，對(duì)應(yīng)的光源波長應(yīng)該是小于248nm的深紫外（DUV）光，但是從圖14.7可以看出，248nm的深紫外發(fā)射是365nm的I線發(fā)射強(qiáng)度的1/5。照在硅片表面上光的能量（mJ/cm2）是光強(qiáng)(功率)和時(shí)間的乘積。所以光刻膠在248nm下曝光要得到相同的效果，就需要5倍的曝光時(shí)間，顯然這是光刻工藝不能接受的。因此既要得到小的特征尺寸還要短的曝光時(shí)間，就必須改變光刻膠的性質(zhì)或者使用具有較高功率的光源。這就是發(fā)展化學(xué)放大深紫外光刻膠和具有較高功率的激光光源的原因。通過表14.2可以看出，要得到0.25μm以下的特征準(zhǔn)分子激光激光光源用于光學(xué)光刻是因?yàn)樗鼈兛梢栽?48nm深紫外以及以下波長提供較大光強(qiáng)。而汞燈在這些波長發(fā)射效率很低。迄今惟一用于光學(xué)曝光的激光光源是準(zhǔn)分子(由兩個(gè)相同原子構(gòu)成的分子)激光，準(zhǔn)分子是不穩(wěn)定分子，由惰性氣體原子和鹵素構(gòu)成，例如氟化氬、氟化克（ArF、KrF）。通常用于深紫外光刻膠的準(zhǔn)分子激光器是波長248nm的氟化氪（KrF）激光器，其功率范圍是10～20W，頻率1KHz。這種激光器產(chǎn)生的高能脈沖輻射光能可對(duì)光刻膠曝光。表14.3突出了光刻中用于硅片制造的準(zhǔn)分子激光器。準(zhǔn)分子激光激光光源用于光學(xué)光刻是因?yàn)樗鼈兛梢栽?48Table14.3半導(dǎo)體光刻中使用的準(zhǔn)分之激光器

Table14.3半導(dǎo)體光刻中使用的準(zhǔn)分之激光器光學(xué)系統(tǒng)光的反射光的折射透鏡衍射數(shù)值孔徑抗反射涂層

光學(xué)系統(tǒng)光的反射抗反射涂層由于光刻膠下面需要刻蝕的底層膜(金屬、多晶硅、氧化硅、氮化硅等)和光刻膠的材料不近相同，正是由于入射光的反射作用，所以就有入射光透過光刻膠抵達(dá)底層膜而造成反射光。反射光有可能損害鄰近不需要曝光的光刻膠。這個(gè)損害能夠?qū)€寬控制產(chǎn)生不利影響。

兩種最主要的光反射問題是反射切口和駐波。在刻蝕形成的垂直側(cè)墻表面，反射光進(jìn)入不需要曝光的光刻膠中就會(huì)形成反射切口(見圖14.22)?？梢园岩环N抗反射涂層(ARC)直接用于反射材料的表面來減小光刻膠的駐波效應(yīng)(見圖14.24)。使用最新的抗反射涂層能夠減少99％的襯底反射?？狗瓷渫繉佑捎诠饪棠z下面需要刻蝕的底層膜(金屬、多晶多晶硅SubstrateSTISTIUV曝光光線掩膜版被曝光的光刻膠未被曝光的光刻膠Notchedphotoresist邊緣衍射表面反射Figure14.22光反射引起的光刻膠反射切口多晶硅SubstrateSTISTIUV曝光光線掩膜版被曝使用抗反射涂層、著色和濾光片能幫助防止干涉入射波抗反射涂層PhotoresistFilmSubstrateFigure14.24用抗反射涂層阻止駐波使用抗反射涂層、著色和濾光片能幫助防止干涉入射波抗反射涂層PBARCPolysiliconSubstrateSTISTIUV曝光光線MaskExposedphotoresist未被曝光的光刻膠Figure14.25通過底部抗反射涂層的光抑制BARCPolysiliconSubstrateSTISTI分辨率在光刻中，分辨率被定義為清晰分辯出硅片上間隔很近的特征圖形的能力（例如相等的線條和間距）。這種性質(zhì)顯示在圖14.28中。在先進(jìn)的半導(dǎo)體制造中，獲得高集成度器件分辨率很關(guān)鍵。分辨率對(duì)任何光學(xué)系統(tǒng)都是一個(gè)很重要的參數(shù)，并且對(duì)光刻非常關(guān)鍵。因?yàn)槲覀冃枰诠杵现圃斐鰜單⒚准?jí)的器件尺寸。

分辨率在光刻中，分辨率被定義為清晰分辯出硅線寬和間距的尺寸必須相等，隨著特征尺寸的減小，要將特征圖形彼此分開更困難Figure14.28器件的分辨率

線寬和間距的尺寸必須相等，隨著特征尺寸的減小，要將特征圖形彼光刻設(shè)備

現(xiàn)代光刻設(shè)備以光學(xué)光刻為基礎(chǔ)，它利用光學(xué)系統(tǒng)把掩膜版上的圖形精確地投影、曝光到涂過光刻膠的硅片上?；旧习ㄒ粋€(gè)紫外光源、一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)、一個(gè)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)和一個(gè)掩膜版。光學(xué)光刻的關(guān)鍵設(shè)備是分步重復(fù)光刻機(jī)（也稱步進(jìn)光刻機(jī)）。它把掩膜版上的圖形與涂膠硅片進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，而后從一點(diǎn)到另一點(diǎn)逐場(chǎng)曝光。在光學(xué)光刻中，步進(jìn)光刻機(jī)有三個(gè)基本目標(biāo)：1.使硅片表面和石英掩膜版對(duì)準(zhǔn)并聚焦。2.通過對(duì)光刻膠曝光，把掩膜版上的圖形復(fù)制到硅片上。3.在單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)足夠多的符合產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)格的硅片。光刻設(shè)備現(xiàn)代光刻設(shè)備以光學(xué)光刻為基礎(chǔ)，它利用光學(xué)系根據(jù)生產(chǎn)時(shí)期的不同，光刻設(shè)備可以分為五代。每一代都有代表性的光刻設(shè)備，具體如下：接觸式光刻機(jī)接近式光刻機(jī)掃描投影光刻機(jī)步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)步進(jìn)掃描光刻機(jī)

根據(jù)生產(chǎn)時(shí)期的不同，光刻設(shè)備可以分為五代。每一代都有反光裝置對(duì)準(zhǔn)顯微鏡掩膜版硅片真空吸盤承掩膜版臺(tái)(X,Y,Z,q)

承片臺(tái)

(X,Y,Z,q)

汞燈Figure14.32接觸/接近式光刻系統(tǒng)反光裝置對(duì)準(zhǔn)顯掩膜版硅片真空承掩膜版臺(tái)承片臺(tái)汞燈FigurUVMask邊緣的光衍射造成從掩膜版下側(cè)反射引起的不希望的光刻膠曝光UV曝光光線Substrate光刻膠衍射和反射光間隙掩膜版襯底Figure14.33接近式光刻膠上的衍射和表面反射UVMask邊緣的光衍射造成從掩膜版下側(cè)反射引起的不希望的光掩膜版硅片汞燈照明裝置投影光學(xué)組件掃描方式曝光光線(UV狹縫逐漸掃描過整個(gè)掩膜版視場(chǎng)到硅片上)Figure14.34掃描式投影光刻機(jī)掩膜版硅片汞燈照明裝置投影光學(xué)組件掃描方式曝光光線(UV狹縫Figure14.35分步重復(fù)光刻機(jī)Figure14.35分步重復(fù)光刻機(jī)UVlight投影掩膜版尺寸20mm×15mm,每場(chǎng)4個(gè)芯片5:1縮小透鏡硅片圖形曝光在硅片上是投影掩膜版視場(chǎng)的4mm×3mm,每次曝光4個(gè)芯片曲折的步進(jìn)圖形Figure14.36步進(jìn)光刻機(jī)的曝光場(chǎng)UVlight投影掩膜版尺寸5:1縮小透鏡硅片圖形曝光在5:1lensUVUV步進(jìn)和掃描像場(chǎng)掃描分步重復(fù)光刻機(jī)像場(chǎng)(單次曝光)4:1lens投影掩膜版投影掩膜版掃描掃描WaferWafer步進(jìn)方向Figure14.37步進(jìn)掃描光刻機(jī)的硅片曝光場(chǎng)5:1lensUVUV步進(jìn)和掃描掃描分步重復(fù)光刻機(jī)像場(chǎng)4:投影掩膜版投影掩膜版上只包括硅片上一部分圖形，這個(gè)圖形必須通過分步重復(fù)來覆蓋整個(gè)硅片表面。在硅片制造過程中投影掩膜版用于分步重復(fù)光刻機(jī)和步進(jìn)掃描光刻機(jī)。而掩膜版則包含了整個(gè)硅片的芯片陣列，可通過一次曝光完成圖形轉(zhuǎn)印（1:1圖形轉(zhuǎn)?。?，用于較老的接近式光刻機(jī)和掃描對(duì)準(zhǔn)投影機(jī)中。表14.6把投影掩膜版和掩膜版做了比較?？梢詭椭覀兞私夤饪坦I(yè)把掩膜版改成投影掩膜版的原因。

投影掩膜版投影掩膜版上只包括硅片上一部分圖形Table14.6投影掩膜版和掩膜版的比較

Table14.6投影掩膜版和掩膜版的比較光學(xué)增強(qiáng)技術(shù)隨著關(guān)鍵尺寸減小到0.15μm及以下，衍射和散射會(huì)明顯影響投影掩膜版上圖形有效地轉(zhuǎn)印到硅片上。光學(xué)增強(qiáng)技術(shù)用于投影掩膜版上，以改善圖像質(zhì)量和分辨率。用于光學(xué)增強(qiáng)技術(shù)的光刻稱作亞波長光刻。所謂光學(xué)增強(qiáng)技術(shù)就是采用像移掩膜技術(shù)和光學(xué)鄰近修正技術(shù)。像移掩膜技術(shù)就是投影掩膜版被一層附加透明層修正以改變透光區(qū)域使光像移180度，從而克服光通過掩膜版上小孔時(shí)發(fā)生衍射的有關(guān)問題。而光學(xué)鄰近修正技術(shù)就是引入可選擇的圖像尺寸偏差到掩膜版圖形上，來補(bǔ)償光學(xué)鄰近效應(yīng)。因?yàn)檠谀ぐ嬖O(shè)計(jì)者可以利用計(jì)算機(jī)算法，對(duì)掩膜版上小特征尺寸生成光學(xué)鄰近修正。光學(xué)增強(qiáng)技術(shù)隨著關(guān)鍵尺寸減小到0.15μm及以下，衍對(duì)準(zhǔn)為了成功地在硅片上復(fù)印圖形，必須把硅片上的圖形正確地與投影掩膜版上的圖形對(duì)準(zhǔn)。只有每個(gè)投影的圖形都能正確地和硅片上的圖形匹配，才能實(shí)現(xiàn)集成電路相應(yīng)的功能。對(duì)準(zhǔn)就是確定硅片上圖形的位置、方向和變形的過程，然后利用這些數(shù)據(jù)與投影掩膜版圖形建立起正確的關(guān)系。對(duì)準(zhǔn)必須快速、重復(fù)和精確，對(duì)準(zhǔn)過程的結(jié)果，或者每個(gè)連續(xù)的圖形與先前層匹配的精度，被稱作套準(zhǔn)。套準(zhǔn)精度是測(cè)量對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)把版圖套準(zhǔn)到硅片上圖形的能力。套