半導(dǎo)體制造工藝_05光刻(下)

1、半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )1光刻膠的一些問題光刻膠的一些問題1、由于硅片表面高低起伏，可能造成曝光不足或過曝光。、由于硅片表面高低起伏，可能造成曝光不足或過曝光。線條寬度改變！線條寬度改變！半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )22、下層反射造成駐波，下層散射降低圖像分辨率。、下層反射造成駐波，下層散射降低圖像分辨率。DUV膠膠ARCg線和線和i線膠線膠使使用添加劑，吸光并用添加劑，吸光并降低反射，曝光后降低反射，曝光后顯影前的烘烤也有顯影前的烘烤也有利于緩解其駐波現(xiàn)利于緩解其駐波現(xiàn)象。象。半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻

2、原光刻原理理 ( (下下) )3駐波對于光刻圖形的影響駐波對于光刻圖形的影響半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )4光刻步驟簡述光刻步驟簡述前烘前烘對準(zhǔn)及曝光對準(zhǔn)及曝光堅(jiān)膜堅(jiān)膜曝光后烘曝光后烘半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )5光刻步驟詳述光刻步驟詳述硅片硅片增粘處理高溫烘培增粘劑處理 ：六甲基二硅胺烷（HMDS）勻膠機(jī)勻膠機(jī)涂膠：涂膠：30006000 rpm，0.51 m mm前烘：前烘：1030 min，90100 C熱板熱板去除光刻膠中的溶劑，改善膠與襯底的粘附性，增加抗蝕性，防止顯影時(shí)浮膠和鉆蝕。半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四

3、章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )6硅片對準(zhǔn)，曝光硅片對準(zhǔn)，曝光每個(gè)視場對準(zhǔn)每個(gè)視場對準(zhǔn)曝光強(qiáng)度曝光強(qiáng)度150 mJ/cm2曝光后烘烤（曝光后烘烤（PEB）：）：10 min，100 C顯影：顯影：3060 s浸泡顯影或浸泡顯影或噴霧顯影噴霧顯影干法顯影干法顯影Alignment markPrevious pattern半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )7堅(jiān)膜：堅(jiān)膜：1030 min，100140 C去除殘余溶劑、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顯影檢查：缺陷、玷顯影檢查：缺陷、玷污、關(guān)鍵尺寸、對準(zhǔn)污、關(guān)鍵尺寸、對準(zhǔn)精度等，不

4、合格則去精度等，不合格則去膠返工。膠返工。半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )8Stepper & Scan SystemCanon FPA-4000ES1: 248 nm, 8”wafer80/hr, field view: 25 mm33 mm, alignment: 70 nm, NA: 0.63, OAI透鏡成本下降、透鏡成本下降、性能提升性能提升視場大視場大尺寸控制更好尺寸控制更好變形小變形小半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )9圖形轉(zhuǎn)移圖形轉(zhuǎn)移刻蝕刻蝕半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下)

5、)10圖形轉(zhuǎn)移圖形轉(zhuǎn)移剝離（剝離（lift-off）半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )11去膠去膠溶劑去膠 （strip）：Piranha (H2SO4:H2O2)。正膠：丙酮氧化去膠 450 C O2+膠CO2+H2O等離子去膠（Oxygen plasma ashing） 高頻電場 O2電離OO O活性基與膠反應(yīng) CO2， CO ，H2O。干法去膠（干法去膠（Ash)半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )12光源光源NGL: X射線(5)，電子束(0.62)，離子束(0.12 )光源波長(nm)術(shù)語技術(shù)節(jié)點(diǎn)汞燈436g線0.5mm汞

6、燈365i線0.5/0.35mmKrF(激光)248DUV0.25/0.13mmArF (激光)193193DUV90/6532nmF2 (激光)157VUVCaF2 lenses激光激發(fā)Xe等離子體13.5EUVReflective mirrorsNAkR11、Using light source with shorter 提高分辨率的方法提高分辨率的方法半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )13248 nm157 nm13.5 nm193 nm半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )142、Reducing resolution fac

7、tor k1Phase Shift Mask Pattern dependent k1 can be reduced by up to 40 %NAkR1Normal Mask*EEI 1.相移掩模技術(shù)相移掩模技術(shù) PSM (phase shift mask)附加材料造成光學(xué)附加材料造成光學(xué)路逕差異，達(dá)到反路逕差異，達(dá)到反相相半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )15Alternating PSMAttenuated PSM相移技術(shù)提高相移技術(shù)提高圖形分辨率圖形分辨率選擇性腐蝕石英基板造成光學(xué)選擇性腐蝕石英基板造成光學(xué)路逕差異，達(dá)到反相路逕差異，達(dá)到反相i e2)

8、1/(5 . 0nd半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )162.光學(xué)光刻分辨率增強(qiáng)技術(shù)光學(xué)光刻分辨率增強(qiáng)技術(shù)(RET) 光學(xué)臨近修正光學(xué)臨近修正OPC (optical proximity correction)在光刻版上進(jìn)行圖形在光刻版上進(jìn)行圖形修正，來補(bǔ)償衍射帶修正，來補(bǔ)償衍射帶來的光刻圖形變形來的光刻圖形變形半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )17OPC實(shí)例實(shí)例半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )183、離軸照明技術(shù)、離軸照明技術(shù) OAI (off-axis illumination) 可以減小對分

9、辨率的限制、增加成像的焦深且可以減小對分辨率的限制、增加成像的焦深且提高了提高了MTF半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )19Mask design and resist process nmk14360.83650.62480.3-0.41930.3-0.4NAkR1Resist chemistry436,365 nm: Photo-Active-Component (PAC)248,193 nm: Photo-Acid-Generator (PAG)Contrast436,365 nm: =2-3, (Qf/Q02.5)248,193 nm: =5-10 (Q

10、f/Q01.3)4、光刻膠對比度改進(jìn)、光刻膠對比度改進(jìn)半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )20Lens fabrication nmNA4360.15-0.453650.35-0.602480.35-0.821930.60-0.93NAkR1State of the Art: =193 nm, k1=0.3, NA=0.93 R60 nm =1.36 R40 nmNumerical Aperture: NA=nsina aImmersion Lithography36. 144. 12NAnOHa anH2O5、增加數(shù)值孔徑、增加數(shù)值孔徑半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第

11、四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )21半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )22半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )23EUV超紫外光曝光超紫外光曝光半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )24Minimum feature size Production20032005200720092011Technology Node 90 nm65 nm45 nm32 nm22 nmHalf pitch nm110 105 80 55 39 LG nm6042302116 193 nm 193 nmimmersi

12、on193 nm immersionwith higher n?pitchLGP. Bai, et. al., IEDM2005半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )25EUV（Extreme ultra violet)半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )26反射式掩模版反射式掩模版半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )27電子束圖形曝光電子束圖形曝光主要版。用于掩模版的制作，只有相當(dāng)少數(shù)裝置用于將電子束直接對抗蝕劑曝光而不需掩模優(yōu)點(diǎn)：可以參數(shù)亞微米的幾何抗蝕劑圖案、高自動(dòng)化及高精度控制的操作、比光學(xué)圖形曝光

13、有較大的聚焦深度與不同掩模版可直接在半導(dǎo)體晶片上描繪圖案。缺點(diǎn)：電子束光刻機(jī)產(chǎn)率低，在分辨率小于0.25um時(shí)，約為每小時(shí)10片晶片。這對生產(chǎn)掩模版、需求量小的定制電路或驗(yàn)證性電路是足夠了。而對不用掩模版的直寫形成圖案方式，設(shè)備必須盡可能提供產(chǎn)率，故要采用與器件最小尺寸相容的最大束徑。聚焦電子束掃描主要分成兩種形式：光柵掃描、向量掃描。半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )28光柵掃描（左）和矢量掃描半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )29電子束光刻問題：電子束光刻問題：1）速度慢?。┧俣嚷“雽?dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原

14、理理 ( (下下) )30電子束光刻問題：電子束光刻問題：2）電子散射及二次電子：線條寬）電子散射及二次電子：線條寬束斑束斑真空下工作真空下工作焦深大焦深大直寫，無掩膜版直寫，無掩膜版半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )31電子束源：電子束源：熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射場發(fā)射場發(fā)射光發(fā)射光發(fā)射電子束發(fā)射后, 被準(zhǔn)直或聚焦，然后加速到 20 kV束斑直徑 100 和離子注入類似半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )32電子束抗蝕劑電子束抗蝕劑是一種聚合物，其性質(zhì)與一般光學(xué)用抗蝕劑類似。換言之，通過光照造成抗蝕劑產(chǎn)生化學(xué)或物理變化，這種變化可使抗

15、蝕劑產(chǎn)生圖案。PMMA和和PBS分辨率可達(dá)分辨率可達(dá)0.1微米或更好微米或更好COP分辨率可達(dá)分辨率可達(dá)1微米左右微米左右半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )33鄰近效應(yīng)在光學(xué)圖形曝光中，分辨率的好壞是由衍射來決定的。在電子束圖形曝光中，分辨率好壞是由電子散射決定的。當(dāng)電子穿過抗蝕劑與下層的基材時(shí)，這些電子將經(jīng)歷碰撞而造成能量損失與路徑的改變。因此入射電子在行進(jìn)中會散開，直到能量完全損失或是因背散射而離開為止。100個(gè)能量為20keV的電子在PMMA中的運(yùn)動(dòng)軌跡模擬在抗蝕劑與襯底界面間，正向散射與背散射的劑量分布半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 (

16、 (下下) )34X射線圖形曝光（XRL）XRL圖形曝光極有潛力繼承光學(xué)圖形曝光來制作100nm的集成電路。當(dāng)利用同步輻射光儲存環(huán)進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí)，一般選擇X射線源。它提供一個(gè)大的聚光通量，且可輕易容納10-20臺光刻機(jī)。XRL是利用類似光學(xué)遮蔽接近式曝光的一種遮蔽式曝光。掩模版為XRL系統(tǒng)中最困難且關(guān)鍵的部分，而且X射線掩模版的制作比光學(xué)掩模版來得復(fù)雜。為了避免X射線在光源與掩模版間被吸收，通常曝光都在氦的環(huán)境下完成?？梢岳秒娮邮刮g劑來作為X射線抗蝕劑，因?yàn)楫?dāng)X射線被原子吸收，原子會進(jìn)入激發(fā)態(tài)而射出電子。激發(fā)態(tài)原子回到基態(tài)時(shí)，會釋放出X射線，此X射線被原子吸收，故此過程一直持續(xù)進(jìn)行。所有這

17、些過程都會造成電子射出，所以抗蝕劑在X射線照射下，就相當(dāng)于被大量的二次電子照射。半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )35半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )36X射線圖形曝光的幾何效應(yīng)半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )37離子束圖形曝光離子束圖形曝光比光學(xué)、X射線與電子束圖形曝光技術(shù)有更高的分辨率，因?yàn)殡x子有較高的質(zhì)量而且比電子有較小的散射。最主要的應(yīng)用為修補(bǔ)光學(xué)圖形曝光用的掩模版。下圖為60keV的50個(gè)氫離子注入PMMA及不同襯底中的電腦模擬軌跡。半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 (

18、 (下下) )38不同圖形曝光方法的比較先前討論的圖形曝光方法，都有100nm的或更好分辨率。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)、X射線的掩模版制作復(fù)雜、EUV的掩模版空片的制作困難、離子束的隨機(jī)空間電荷效應(yīng)。對于IC的制造，多層掩模版是必需的，然而，所有的掩模版層并不需要都用相同的圖形曝光方法。采用混合與配合的方法，可利用每一種圖形曝光工藝的優(yōu)點(diǎn)來改善分辨率與提供產(chǎn)率。根據(jù)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會的設(shè)想，IC制作技術(shù)將在2010年時(shí)會達(dá)到50nm。對于每一代新技術(shù)，由于要求更小的特征尺寸與更嚴(yán)格的套準(zhǔn)容差，圖形曝光技術(shù)更成為推動(dòng)半導(dǎo)體工業(yè)的關(guān)鍵性技術(shù)。半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ)第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )39各種圖形曝光技術(shù)的比較如下光學(xué)248/193nmSCALPELEUVX射線離子束光刻機(jī)光源激光電子束極遠(yuǎn)紫外線同步輻射離子束衍射限制有沒有有有沒有曝光法折射式折射式折射式直接光照全區(qū)折射式步進(jìn)與掃描是是是是步進(jìn)機(jī)