第14章光刻對(duì)準(zhǔn)和曝光課件

1、第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝1集成電路工藝第第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝2目標(biāo) 解釋光刻中對(duì)準(zhǔn)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(jì)算方法 論述五代用于對(duì)準(zhǔn)和曝光的設(shè)備 描述投影掩膜版，如果制造，及在精細(xì)光刻中的應(yīng)用 論述用于短波長(zhǎng)光刻的光學(xué)增強(qiáng)技術(shù) 解釋光刻中對(duì)準(zhǔn)是怎樣獲得的第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝31.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(duì)準(zhǔn)和曝光質(zhì)量測(cè)量第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集

2、成電路工藝41.概述 一個(gè)紫外光源 一個(gè)光學(xué)系統(tǒng) 一塊由芯片圖形組成的投影掩膜版 一個(gè)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng) 一個(gè)覆蓋光敏光刻膠的硅片第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝5光刻機(jī) 分布重復(fù)光刻機(jī)(step-and-repeat aligner) 光刻機(jī)(aligner) 步進(jìn)光刻機(jī)(stepper)第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝6步進(jìn)光刻機(jī)的目標(biāo) 使硅片表面和石英掩膜版對(duì)準(zhǔn)并聚集 通過(guò)對(duì)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(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出足夠多的符合質(zhì)量規(guī)格的硅片第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝72.光學(xué)光刻 光學(xué)光刻一直是不斷縮

3、小芯片特征尺寸的主要限制因素。 光刻的長(zhǎng)命歸功于設(shè)備和工藝的改進(jìn)。第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝8光 在光學(xué)光刻中，需要一個(gè)光源來(lái)把版圖投影到光刻膠上并引起光化學(xué)反應(yīng)。 光的實(shí)質(zhì)是能被人眼看到的電磁波。 光可用波長(zhǎng)和頻率來(lái)描述。 v=f第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝9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(zhǎng)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第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝10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(guò)反射或干涉來(lái)獲得一個(gè)特定波長(zhǎng)。

4、 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(zhǎng)的光會(huì)相消干涉而阻止進(jìn)入玻璃。第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝11曝光光源 汞燈 準(zhǔn)分子激光第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝12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(jìn)光刻機(jī)上。 電流通過(guò)裝有氙汞氣體的管子產(chǎn)生電弧放電。這個(gè)電弧發(fā)射出一個(gè)特征光譜，包括240nm到500nm之間有用的紫外輻射。第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝13汞燈強(qiáng)度峰UV光波長(zhǎng)(nm)描述符CD分辨率(m )436G線0.5405H線0.4365I線0.35248深紫外

5、(DUV)0.25第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝14光的波長(zhǎng)與工藝第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝15光強(qiáng)和曝光劑量 光強(qiáng)單位面積的功率(mW/cm2)，光強(qiáng)在光刻膠的表面進(jìn)行測(cè)量。 曝光劑量光強(qiáng)乘以曝光時(shí)間，表示光刻膠表面獲得的曝光能量。第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝16光刻膠的吸收問(wèn)題 光刻膠樹(shù)脂對(duì)入射輻射過(guò)多的吸收是不希望的。 如果光刻膠吸收過(guò)多，光刻膠底部接受的光強(qiáng)就會(huì)比頂部的少很多，這個(gè)差異導(dǎo)致圖形測(cè)墻傾斜。 要獲得垂直測(cè)墻圖形，光刻膠必須只吸收入射輻射的一小部分，一般5m 一旦掩膜版和硅片對(duì)準(zhǔn)，掩膜版就開(kāi)始和硅片表面的

6、光刻膠涂層直接接觸。 因?yàn)檠谀ぐ婧凸饪棠z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。第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝32接近式光刻機(jī) 接近式光刻機(jī)從接觸式光刻機(jī)發(fā)展而來(lái)。 適用線寬24m 。 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2.5-25m 的間距。 接近式光刻試圖緩解接觸式光刻機(jī)的沾污問(wèn)題，但當(dāng)紫外光線通過(guò)掩膜版透明區(qū)域和空氣時(shí)就會(huì)發(fā)散，減小了系統(tǒng)的分辨率。第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝33掃描投影光刻機(jī) 掃描投影光刻機(jī)試圖解決沾污問(wèn)題、邊緣衍射、分辨率限制等

7、問(wèn)題。 適用于線寬1m 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(gè)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。第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝34分步重復(fù)光刻機(jī) 分步重復(fù)光刻機(jī)只投影一個(gè)曝光場(chǎng)，然后步進(jìn)到硅片上另一個(gè)位置重復(fù)曝光。 主要用于圖形形成關(guān)鍵尺寸小到0.35m 和0.25m 。 投影掩膜版圖形尺寸是實(shí)際像的4倍、5倍或10倍。這個(gè)縮寫的比例使得制造投影掩膜版更容易。第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝35步進(jìn)掃描光刻機(jī) 步進(jìn)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(jī)和分步重復(fù)光刻機(jī)技術(shù)。 使用步進(jìn)掃描光刻機(jī)曝光硅片

8、的優(yōu)點(diǎn)是增大了曝光場(chǎng)，可以獲得較大的芯片尺寸。 步進(jìn)掃描光刻機(jī)的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是具有在整個(gè)掃描過(guò)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(bǔ)償。第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝36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(gè)芯片），這個(gè)圖形必須通過(guò)分步重復(fù)來(lái)覆蓋整個(gè)襯底。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)。 掩膜版(mask)包含了整個(gè)硅片上的芯片陣列并且通過(guò)單一曝光轉(zhuǎn)印圖形（1：1圖像轉(zhuǎn)?。?。掩膜版用于較老的接近式光刻和掃描對(duì)準(zhǔn)投影機(jī)光刻中。第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝37Reticl

9、e VS. 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(méi)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(chǎng)小曝光場(chǎng)需要步進(jìn)重復(fù)過(guò)程曝光場(chǎng)就是整個(gè)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(jìn)的自動(dòng)化來(lái)步進(jìn)和重復(fù)掃過(guò)整個(gè)硅片可能較高（要求自動(dòng)化)芯片對(duì)準(zhǔn)和聚集可以調(diào)節(jié)單個(gè)芯片的對(duì)準(zhǔn)和聚集整個(gè)硅片對(duì)準(zhǔn)，但沒(méi)有單個(gè)芯片對(duì)準(zhǔn)和聚焦缺陷密度增加產(chǎn)品但不允許reticle缺陷，其缺陷會(huì)在每個(gè)曝光場(chǎng)重復(fù)缺陷在硅片上不會(huì)多次重復(fù)

10、第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝38投影掩膜版的材料 投影掩膜版襯底材料是熔融石英 因?yàn)樵谏钭贤夤庾V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。第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝39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(chǔ)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(guò)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(gè)掩膜版（光柵掃描），也可以只掃描要光

11、刻的區(qū)域（矢量掃描）在投影掩膜上形成圖形。第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝40掩膜版制備流程玻璃石英板的形成/沉積鉻涂層光刻膠涂層涂層曝光圖案顯影圖案刻蝕光刻膠去除第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝41相移掩膜技術(shù)(PSM) 相移掩膜技術(shù)(PSM，Phase-Shift Mask)用來(lái)克服光通過(guò)掩膜版上小孔時(shí)發(fā)生衍射的問(wèn)題。 利用相消干涉減小光衍射。第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝42像素化掩膜版 第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝43光學(xué)臨近修正(OPC) 光學(xué)臨近修正(OPC,Optical Proximity C

12、orrection) 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(lái)補(bǔ)償光學(xué)臨近效應(yīng)，稱為光學(xué)臨近修正(OPC)。第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝44增強(qiáng)型應(yīng)變硅（增強(qiáng)型應(yīng)變硅（Strained Silicon） 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(lái)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(zhǎng)，單位長(zhǎng)度原子數(shù)目變少，當(dāng)電子通過(guò)這些區(qū)域時(shí)所遇到的阻力就會(huì)減少，由此達(dá)到提高晶體管性能的目的。 90納米工藝中的應(yīng)變硅實(shí)際上是使用硅鍺（PMOS）

13、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 第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝45增強(qiáng)型應(yīng)變硅（增強(qiáng)型應(yīng)變硅（Strained Silicon）第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝46應(yīng)變硅柵應(yīng)變硅柵第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝47對(duì)準(zhǔn)(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(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，集成電路才有相應(yīng)的功能。 套準(zhǔn)精度（套準(zhǔn)）是測(cè)量對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)把版圖套刻到硅片上圖形的能力。 套準(zhǔn)容差描述要形成的圖形層和前層的最大相對(duì)

14、位移。一般，套準(zhǔn)容差為關(guān)鍵尺寸的三分之一。第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝48光刻中的環(huán)境條件 溫度 濕度 振動(dòng) 大氣壓力 顆粒沾污第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝494.混合和匹配(mix and match) 關(guān)鍵層用高級(jí)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(jí)工藝，如I線步進(jìn)光刻機(jī)曝光酚醛DNQ光刻膠。 減少擁有成本(COOCost of Ownership)第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝505.對(duì)準(zhǔn)和曝光質(zhì)量測(cè)量 聚焦曝光劑量 光源的光強(qiáng)度 步進(jìn)和步進(jìn)掃描光刻機(jī)的掩膜版對(duì)準(zhǔn) 圖形分辨率 投影掩膜版的質(zhì)量第14

15、章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝51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：l 檢驗(yàn)來(lái)自光源的均勻性和最佳曝光l 在給定的聚焦位置下，進(jìn)行與一系列曝光量對(duì)應(yīng)的線條的CD測(cè)量l 修改聚焦位置并進(jìn)行CD測(cè)量。最佳焦距下，曝出可接受劑量的變化范圍l 檢驗(yàn)光刻膠是否滿足所有的質(zhì)量參數(shù)第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝52光源的光強(qiáng)度 缺陷類型：在曝光場(chǎng)中不均勻的光強(qiáng)度。 解決方法：n在硅片的幾個(gè)位置，檢查光強(qiáng)度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的能量和均勻性。n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(huì)降低透鏡的透光能力和像場(chǎng)的均勻性。第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2

16、022-5-9集成電路工藝53步進(jìn)和步進(jìn)掃描光刻機(jī)的掩膜版對(duì)準(zhǔn) 缺陷類型：掩膜版對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記不能正確地與硅片標(biāo)記對(duì)準(zhǔn) 解決方法：u檢查是否調(diào)用了適當(dāng)?shù)牟藛蝩檢查是否裝載了正確的投影掩膜版和硅片u光刻機(jī)內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)問(wèn)題。如溫度和壓力變化影響了透鏡的NA第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝54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)范要求。 解決方法：p進(jìn)行聚焦-曝光測(cè)試p檢查環(huán)境（溫度、壓力等）p硅片在卡盤上不平，可能是由于背面沾污或卡盤問(wèn)題p尋找可能引入的與工藝有關(guān)的工藝參數(shù)p尋找光學(xué)系統(tǒng)問(wèn)題第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝55投影掩膜版的質(zhì)

17、量影響因素 投影掩膜版上的灰塵或擦傷 投影掩膜版上的圖形缺陷（線條斷裂、特征圖形的橋接、幾何圖形丟失、不透明的單個(gè)鉻點(diǎn)、鉻線條上的穿孔） 玻璃碎裂 起鉻（粘附不好） 投影掩膜版平整度第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝56小結(jié) 現(xiàn)代光刻以光學(xué)光刻為基礎(chǔ)。 在光刻中對(duì)準(zhǔn)和曝光對(duì)于滿足關(guān)鍵的亞微米分辨率的要求非常關(guān)鍵。 已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)五代設(shè)備。分步重復(fù)光刻機(jī)和步進(jìn)掃描光刻機(jī)是現(xiàn)今最受歡迎的。 紫外光源包括傳統(tǒng)的汞燈和用于深紫外的準(zhǔn)分子激光器。第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2022-5-9集成電路工藝57小結(jié) 控制光通過(guò)透鏡系統(tǒng)進(jìn)行圖像投影，光的反射和折射是重要參數(shù)。衍射描述當(dāng)光通過(guò)投影掩膜上的狹窄圖形時(shí)的彎曲方式。 透鏡俘獲光的能力就是數(shù)值