半导体制造工艺_04光刻(上)课件

半导体制备工艺基础,第四章 光刻,(上),*,光刻的作用和目的,图形的产生和布局,1,光刻的作用和目的1,光刻的定义,光刻是一种,图形复印,和,化学腐蚀,相结合的精密表面加工技术。用,照相复印的方法将掩模版上的图案转移到硅片表面的光刻胶上,，以实现后续的有选择,刻蚀或注入掺杂,光刻的目的,：,光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，,把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构,从而实现,选择性扩散,和,金属薄膜布线,的目的,。,2,光刻的定义 光刻是一,集成电路的,特征尺寸,是否能够进一步减小，也与,光刻技术,的进一步发展有密切的关系。,通常人们用特征尺寸来评价一个集成电路生产线的技术水平,。,所谓特征尺寸（CD：characteristic dimension）是指设计的多晶硅栅长，它标志了器件工艺的总体水平，是设计规则的主要部分。,通常我们所说的0.13,m,0.09,m工艺就是,指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。,3,集成电路的特征尺寸是否能够进一步减小，也与光刻技,光刻的要求,对光刻的基本要求：,（1）,高分辨率,（2）,高灵敏度,（3）,精密的套刻对准,（4）,大尺寸硅片上的加工,（5）,低缺陷,4,光刻的要求对光刻的基本要求：4,1.高分辨率,分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力，即对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标志之一。,随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越细，对分辨率的要求也越来越高。,通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目来表示。,5,1.高分辨率5,2.高灵敏度,灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高产量,要求光刻周期越短越好，这就要求曝光时间越短越好，也就要求高灵敏度。,3.精密的套刻对准,集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，每次光刻都要相互套准。,由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，因此，对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸的10左右。,6,2.高灵敏度3.精密的套刻对准6,4.大尺寸硅片的加工,提高了经济效益,但是要在大面积的晶圆上实现均匀的胶膜涂覆，均匀感光，均匀显影，比较困难,高温会引起晶圆的形变，需要对周围环境的温度控制要求十分严格，否则会影响光刻质量,5.低缺陷,缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷,7,4.大尺寸硅片的加工5.低缺陷7,光学图形曝光洁净室,在集成电路制造中，主要的图形曝光设备是利用紫外光=0.2-0.4m的光学仪器。主要讨论曝光装置、掩模版、抗蚀剂与分辨率。,尘埃粒子在掩模版图案上,所造成的不同腐蚀的影响,在IC制造中必须要求洁净的厂房，特别是图形曝光的工作区域，因为尘埃可能会粘附于晶片或掩模版上造成器件的缺陷从而是电路失效。,8,光学图形曝光洁净室在集成电路制造中，主要的图形曝光设备是利,35的成本来自于光刻工艺,图形转移技术组成：,掩膜版/电路设计,掩膜版制作,光刻,光源,曝光系统,光刻胶,用于IC制造的掩模版通常为缩小倍数的掩模版。掩模版的第一步为设计者用CAD系统完整地将版图描绘出来。然后将CAD得到的数据信息传送到电子束图形曝光的图形产生器。再将图案直接转移至对电子束敏感的掩模版上。掩模版是由融凝硅土的基底覆盖一层铬膜组成。电路图案先转移至电子敏感层进而转移至底下的铬膜层，掩模版便完成了,9,35的成本来自于光刻工艺图形转移技术组成：光源,IC掩模版,10,IC掩模版10,空间图像,潜,在图,像,11,空间图像潜在图像11,掩膜版制作,CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形,数字图形,4或5投影光刻版,投影式光刻,1掩膜版制作,接触式、接近式光刻,12,掩膜版制作CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形数,电子束直写,熔融石英玻璃片,80nmCr,1015nmARC（anti-reflection coating）,光刻胶,高透明度（散射小）,热膨胀小,4或5投影光刻版在 制版时容易检查缺陷,版上缺陷可以修补,蒙膜(pellicle)保护防止颗粒玷污,13,电子束直写熔融石英玻璃片80nmCr1015nmARC（a,掩模版制作过程,12.Finished,14,掩模版制作过程12.Finished14,成品率Y:,D,0,:单位面积缺陷数，,A,c,:芯片面积，,N,:掩膜版层数,15,成品率Y:D0:单位面积缺陷数，Ac:芯片面积，N:,光刻机,光刻机的性能由三个参数判断：分辨率、套准精度与产率。,分辨率,：能精确转移到晶片表面抗蚀剂膜上图案的最小尺寸；,套准精度,：后续掩模版与先前掩模版刻在硅片上的图形相互对准的程,度；,产率,：对一给定的掩模版，每小时能曝光完成的晶片数量。,光学曝光方法：遮蔽式曝光和投影式曝光。,遮蔽式曝光,：可分为掩模版与晶片直接接触的接触式曝光和二者紧密相,邻的接近式曝光。若有尘埃或硅渣嵌入掩模版中，将造成掩,模版永久性损坏，在后续曝光的晶片上形成缺陷。,投影式曝光,：在掩模版与晶片间有一距离，10-50um。但这一间隙会在掩,模版图案边缘造成光学衍射。导致分辨率退化。,16,光刻机光刻机的性能由三个参数判断：分辨率、套准精度与产率。1,三种硅片曝光模式及系统,接触式,接近式,投影式,1:1曝光系统,17,三种硅片曝光模式及系统接触式接近式投影式1:1曝光系统17,步进投影式光刻机原理图,10:1,5:1,1:1,步进扫描光刻机,18,步进投影式光刻机原理图10:15:11:1步进扫描光刻机18,DSWdirect step on wafer,19,DSWdirect step on wafer19,接触式和接近式近场衍射（Fresnel）,像平面靠近孔径，二者之间无镜头系统,曝光系统,20,接触式和接近式近场衍射（Fresnel）曝光系统20,接触和接近式,Fresnel衍射理论适用的间隔范围：,最小分辨尺寸,g,10,m,m，,365 nm（i线）时，,W,min,2,m,m,21,接触和接近式Fresnel衍射理论适用的间隔范围：最小分辨尺,对遮蔽式曝光，最小线宽（临界尺寸）可用下式表示,其中，是曝光光源的波长，g是掩模版与晶片间的间隙距离。当与g,减小时，可以得到,l,CD,缩小的优势。然而，当给定一个g，任何大于g的微,尘粒子都会对掩模版造成损坏。,22,对遮蔽式曝光，最小线宽（临界尺寸）可用下式表示其中，是曝光,投影式远场衍射（Fraunhofer）,像平面远离孔径，在孔径和像之间设置镜头,爱里斑,23,投影式远场衍射（Fraunhofer）爱里斑23,瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：,点物,S,1,的爱里斑中心恰好与另一个点物,S,2,的爱里斑,边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。,S,1,S,2,S,1,S,2,S,1,S,2,可分辨,不可分辨,恰可分辨,100%,73.6%,分辨率,24,瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：点物S1的爱里斑中心恰好与另,两个爱里斑之间的分辨率(瑞利判据):,数值孔径：收集衍射光的能力。,n,为折射率,分辨率,k,1,=0.6-0.8,提高分辨率：,NA,，,，,k,1,理论计算人眼爱里斑20,m,分辨率,：100 m,25,两个爱里斑之间的分辨率(瑞利判据):数值孔径：收集衍射光的能,由于有较高的光强度与稳定度，高压汞灯被广泛用作曝光光源。,26,由于有较高的光强度与稳定度，高压汞灯被广泛用作曝光光源。26,投影式,基本参数：,分辨率(resolution),焦深(depth of focus),视场(field of view),调制传递函数(MTFmodulation transfer function),套刻精度(alignment accuracy),产率(throughput),光学系统决定,机械设计,27,投影式基本参数：,为,轴上光线到极限聚焦位置的光程差。根据瑞利判据：,很小时，,焦深,NA,，焦深,焦深,28,为轴上光线到极限聚焦位置的光程差。根据瑞利判据：很小时,焦深,焦平面,光刻胶,IC技术中，焦深只有1,m,m，甚至更小,29,焦深焦平面光刻胶IC技术中，焦深只有1mm，甚至更小29,光刻胶,光刻胶的作用：对于入射光子有化学变化，通过显影，从而实现图形转移。,灵敏度：单位面积的胶曝光所需的光能量：mJ/cm,2,负胶,烃基高分子材料,正胶分辨率高于负胶,抗蚀性：刻蚀和离子注入,正胶,IC主导,30,光刻胶光刻胶的作用：对于入射光子有化学变化，通过显影，从而实,正性光刻胶,受光或紫外线照射后,感光的部分发生光分解反应，可溶于显影液,，未感光的部分显影后仍然留在晶圆的表面,负性光刻胶,的,未感光部分溶于显影液中,，而感光部分显影后仍然留在基片表面。,正胶：曝光前不可溶，曝光后 可溶,负胶：曝光前 可溶，曝光后不可溶,光刻胶对大部分可见光敏感，,对黄光不敏感。,因此光刻通常在,黄光室,（Yellow Room）,）内进行。,31,正性光刻胶受光或紫外线照射后感光的部分发,負光阻,正光阻,32,負光阻正光阻32,汞灯436nm(g线)和365nm(i线)光刻胶的组成,（正胶positive photoresist,DNQ）,a)基底：树脂 是一种低分子量的酚醛树脂(novolac,a polymer),本身溶于显影液，溶解速率为15 nm/s。,b)光敏材料（PACphotoactive compounds),二氮醌(diazoquinone,DQ),DQ不溶于显影液，光刻胶在显影液中的溶解速率为 12 nm/sec,光照后，DQ结构发生重新排列，成为溶于显影液的烃基酸（TMAH四甲基氢氧化铵典型显影液）,光照后，光刻胶在显影液中的溶解速度为100200nm/s,c)溶剂 是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纤剂的混合物，用于调节光刻胶的粘度。,前烘后膜上树脂:PAC1:1,33,汞灯436nm(g线)和365nm(i线)光刻胶的组成a,负胶(Negative Optical Photoresist),当VLSI电路需分辨率达2,m,m之前，基本上是采用负性光刻胶。负胶在显影时线条会变粗，使其分辨率不能达到很高。,但在分辨率要求不太高的情况，负胶也有其优点：,对衬底表面粘附性好,抗刻蚀能力强,曝光时间短，产量高,工艺宽容度较高（显影液稀释度、温度等）,价格较低（约正胶的三分之一）,34,负胶(Negative Optical Photoresi,负胶的组成部分：,a)基底：合成环化橡胶树脂,(cyclized synthetic rubber risin),对光照不敏感，但在有机溶剂如甲苯和二甲苯中溶解很快,b)光敏材料 PAC：双芳化基(bis-arylazide),当光照后，产生交联的三维分子网络，使光刻胶在显影液中具有不溶性。,c)溶剂：芳香族化合物(aromatic),负胶显影液,35,负胶的组成部分：负胶显影液35,36,36,光刻胶的表征参数：,1、,对比度,：胶区分亮区和暗区的能力,mJ/cm,2,=mW/cm,2,sec,37,光刻胶的表征参数：mJ/cm2=mW/cm2sec37,(1)曝光、显影后残存抗蚀剂的百分率与曝光能量有关。值得注意的是，,即使未被曝光，少量抗蚀剂也会溶解。,(2)当曝光能量增加，抗蚀剂的溶解度也会增加，直到阈值能量E,T,时，抗,蚀剂完全溶解。,(3)正抗蚀剂的灵敏度,定义为曝光区域抗蚀剂完全溶解时所需的能量。除,E,T,外，另一称为反差比（,）参数也用来表征抗蚀剂。,值越大，即表示曝光能量增加时，抗蚀剂溶解度增加越快，可得陡峭的图形。,38,(1)曝光、显影后残存抗蚀剂的百分率与曝光能量有关。值得注意,本节课主要内容,基于衍射理论的光刻原理,投影式（远场衍射）：分辨率、焦深、MTF、不相干度S,接触/接近式（近场衍射）:最小尺寸,光刻胶：正胶/负胶,光刻胶的组成,i线/g线（PAC）,DUV（PAG）,掩模版制作,光刻机工作模式：,接触式，接近式，投影式,39,本节课主要内容基于衍射理论的光刻原理投影