半導體制造工藝之光刻原理課件

1、半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )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！1半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )2、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。2半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻

2、原光刻原理理 ( (下下) )駐波對于光刻圖形的影響駐波對于光刻圖形的影響3半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )光刻步驟簡述光刻步驟簡述前烘前烘對準及曝光對準及曝光堅膜堅膜曝光后烘曝光后烘4半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )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）勻膠機勻膠機涂膠：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，防止顯影時浮膠和鉆蝕。5半導體制備工藝基礎第四章第四

3、章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )硅片對準，曝光硅片對準，曝光每個視場對準每個視場對準曝光強度曝光強度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 pattern6半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )堅膜：堅膜：1030 min，100140 C去除殘余溶劑、顯影時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、關鍵尺寸、對準污、關鍵尺寸、對準精度等，不合

4、格則去精度等，不合格則去膠返工。膠返工。7半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )Stepper & 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8半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )圖形轉移圖形轉移刻蝕刻蝕9半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )圖形轉

5、移圖形轉移剝離（剝離（lift-off）10半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )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 CO2， CO ，H2O。干法去膠（干法去膠（Ash)11半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )光源光源NGL: X射線(5)，電子束(0.62)，離子束(0.12 )光源波長(nm)術語技術節(jié)點汞燈436g線0.5mm汞燈365i線

6、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12半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )248 nm157 nm13.5 nm193 nm13半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )2、Reducing resolution factor k1

7、Phase Shift Mask Pattern dependent k1 can be reduced by up to 40 %NAkR1Normal Mask*EEI 1.相移掩模技術相移掩模技術 PSM (phase shift mask)附加材料造成光學附加材料造成光學路逕差異，達到反路逕差異，達到反相相14半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )Alternating PSMAttenuated PSM相移技術提高相移技術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選擇性腐蝕石英基板造成光學路逕差異，達到反相路逕差異，達到反相i e2) 1/(5 .

8、 0nd15半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )2.光學光刻分辨率增強技術光學光刻分辨率增強技術(RET) 光學臨近修正光學臨近修正OPC (optical proximity correction)在光刻版上進行圖形在光刻版上進行圖形修正，來補償衍射帶修正，來補償衍射帶來的光刻圖形變形來的光刻圖形變形16半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )OPC實例實例17半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )3、離軸照明技術、離軸照明技術 OAI (off-axis illumination) 可以減小對分辨率的限制、

9、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MTF18半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )Mask 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 (Qf/Q01.

10、3)4、光刻膠對比度改進、光刻膠對比度改進19半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )Lens 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20半導體制備工藝基礎第四章第四章 光

11、刻原光刻原理理 ( (下下) )21半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )22半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )EUV超紫外光曝光超紫外光曝光23半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )Minimum feature size Production20032005200720092011Technology Node 90 nm65 nm45 nm32 nm22 nmHalf pitch nm110 105 80 55 39 LG nm6042302116 193 nm 193 nmimmersion193

12、nm immersionwith higher n?pitchLGP. Bai, et. al., IEDM200524半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )EUV（Extreme ultra violet)25半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )反射式掩模版反射式掩模版26半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )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：可以參數(shù)亞微米的幾何抗蝕劑圖案、高自動化及高精度控制的操作、比光學圖形曝光有較大的聚焦

13、深度與不同掩模版可直接在半導體晶片上描繪圖案。缺點：電子束光刻機產率低，在分辨率小于0.25um時，約為每小時10片晶片。這對生產掩模版、需求量小的定制電路或驗證性電路是足夠了。而對不用掩模版的直寫形成圖案方式，設備必須盡可能提供產率，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。27半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )光柵掃描（左）和矢量掃描28半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )電子束光刻問題：電子束光刻問題：1）速度慢！）速度慢！29半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 (

14、 (下下) )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30半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )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, 被準直或聚焦，然后加速到 20 kV束斑直徑 100 和離子注入類似31半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )電子束抗蝕劑電子束抗蝕劑是一種聚合物，其性質與一般光學用抗蝕劑類似。換言之，通過光照造成抗蝕劑產生化學或物理變化，這種變化可使抗蝕劑產生圖案

15、。PMMA和和PBS分辨率可達分辨率可達0.1微米或更好微米或更好COP分辨率可達分辨率可達1微米左右微米左右32半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )鄰近效應在光學圖形曝光中，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。當電子穿過抗蝕劑與下層的基材時，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個能量為20keV的電子在PMMA中的運動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33半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下

16、) )X射線圖形曝光（XRL）XRL圖形曝光極有潛力繼承光學圖形曝光來制作100nm的集成電路。當利用同步輻射光儲存環(huán)進行批量生產時，一般選擇X射線源。它提供一個大的聚光通量，且可輕易容納10-20臺光刻機。XRL是利用類似光學遮蔽接近式曝光的一種遮蔽式曝光。掩模版為XRL系統(tǒng)中最困難且關鍵的部分，而且X射線掩模版的制作比光學掩模版來得復雜。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，因為當X射線被原子吸收，原子會進入激發(fā)態(tài)而射出電子。激發(fā)態(tài)原子回到基態(tài)時，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)進行。所有這些過程都會造

17、成電子射出，所以抗蝕劑在X射線照射下，就相當于被大量的二次電子照射。34半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )35半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )X射線圖形曝光的幾何效應36半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )離子束圖形曝光離子束圖形曝光比光學、X射線與電子束圖形曝光技術有更高的分辨率，因為離子有較高的質量而且比電子有較小的散射。最主要的應用為修補光學圖形曝光用的掩模版。下圖為60keV的50個氫離子注入PMMA及不同襯底中的電腦模擬軌跡。37半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下

18、) )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：光學法的衍射現(xiàn)象、電子束的鄰近效應、X射線的掩模版制作復雜、EUV的掩模版空片的制作困難、離子束的隨機空間電荷效應。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)點來改善分辨率與提供產率。根據(jù)半導體工業(yè)協(xié)會的設想，IC制作技術將在2010年時會達到50nm。對于每一代新技術，由于要求更小的特征尺寸與更嚴格的套準容差，圖形曝光技術更成為推動半導體工業(yè)的關鍵性技術。38半導體制備工藝基礎第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )各種圖形曝光技術的比較如下光學248/193nmSCALPELEUVX射線離子束光刻機光源激光電子束極遠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)折射式步進與掃描是是是是步進機200