soc工藝課件ch光刻技術(shù).

1、微電子制造工藝概論第10章 光刻技術(shù)影響光刻工藝的主要因素：掩膜版、光刻膠和光刻機。掩膜版：由透光的襯底材料和不透光的金屬吸收材料組成。通常還要在表面淀積一層保護(hù)膜，避免掩膜版受到空氣中的污染。光刻膠：又稱光致抗蝕劑，是光敏化合物，當(dāng)受到特定波長光線的作用時化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定溶液中的溶解特性改變。光刻機：是曝光工具，是光刻工藝的核心部分。10.1 光刻掩模版的制造10.2 光刻膠10.3 光學(xué)分辨率增強技術(shù)10.4 紫外光曝光技術(shù)10.5 其它曝光技術(shù)10.6 光刻設(shè)備本章主要內(nèi)容10.1光刻掩模版的制造掩模版就是將設(shè)計好的特定幾何圖形通過一定的方法以一定的間距和布局做在基版

2、上，供光刻工藝中重復(fù)使用。制造商將設(shè)計工程師交付的標(biāo)準(zhǔn)制版數(shù)據(jù)傳送給一個稱作圖形發(fā)生器的設(shè)備，圖形發(fā)生器會根據(jù)該數(shù)據(jù)完成圖形的產(chǎn)生和重復(fù)，并將版圖數(shù)據(jù)分層轉(zhuǎn)移到各層光刻掩模版（為涂有感光材料的優(yōu)質(zhì)玻璃板）上，這就是制版。 光刻版10.1光刻掩模版的制造(A)電路圖； (B)版圖(A)(B)10.1光刻掩模版的制造10.1.1制版工藝簡介 電路設(shè)計版圖設(shè)計 GDSII文件 制作掩膜版；10.1.1制版工藝簡介 一般集成電路的制版工藝流程示意圖 版圖繪制：版圖繪制完成后，將其放大100100倍，在紙畫出版圖總圖；刻分層圖：分別在貼有紅膜的透明塑料膠片的紅色薄膜層上刻出各層導(dǎo)通圖形，揭掉不要部分，形

3、成紅膜表示的各層次圖形；初縮：對紅膜圖形進(jìn)行第一次縮小，得到大小為最終圖形10倍的初縮圖；精縮兼分布重復(fù)：初縮版圖進(jìn)一步縮小為最終的實際大小，并同時進(jìn)行分布重復(fù)，得到用于光刻的正式掩膜版，稱為母版。復(fù)?。汗饪踢^程中，掩膜版會受到磨損產(chǎn)生傷痕，使用一定次數(shù)后需要更換。采用精縮得到母版很不經(jīng)濟，通常通過復(fù)印技術(shù)復(fù)制多塊掩膜版。10.1.2掩模板的基本構(gòu)造及質(zhì)量要求掩模版的基本構(gòu)造 鉻版：使用低膨脹系數(shù)、低鈉含量、高化學(xué)穩(wěn)定性及高透光性的石英玻璃為主；其上100nm不透光的鉻膜作為工作層；其上20nm的氧化鉻來減少光的反射，增加工藝的穩(wěn)定性；有鉻膜的地方，光線不能穿透；反之，光可以穿透石英玻璃；10

4、.1.2 掩模板的基本構(gòu)造及質(zhì)量要求掩模版上的缺陷一般來自兩個方面：一是掩模版圖形本身的缺陷，大致包括針孔、黑點、黑區(qū)突出、白區(qū)突出、邊緣不均及刮傷等，此部分皆為制作過程中所出現(xiàn)的，目前是利用目檢或機器原形比對等方式來篩選；另一方面是指附著在掩模版上的外來物，為解決此問題，通常在掩模版上裝一層保護(hù)膜。掩模版保護(hù)膜功能示意圖光刻工藝對掩模版的質(zhì)量要求歸納有如下幾點：構(gòu)成圖形陣列的每一個微小圖形要有高的圖像質(zhì)量，即圖形尺寸要準(zhǔn)確，盡可能接近設(shè)計尺寸的要求，且圖形不發(fā)生畸變。圖形邊緣清晰、銳利，無毛刺，過渡區(qū)要小，即充分光密度區(qū)（黑區(qū)）應(yīng)盡可能陡直地過渡到充分透明區(qū)（白區(qū)）。整套掩模中的各塊掩模能很

5、好地套準(zhǔn)，對準(zhǔn)誤差要盡量地小。圖形與襯底要有足夠的反差（光密度差），一般要求達(dá)2.5以上，同時透明區(qū)應(yīng)無灰霧。掩模應(yīng)盡可能做到無“針孔”、“小島”和劃痕等缺陷。版面平整、光潔、結(jié)實耐用。版子要堅固耐磨，不易變形。圖形應(yīng)不易損壞。10.1.2 掩模板的基本構(gòu)造及質(zhì)量要求10.1.3鉻版的制備技術(shù)鉻版工藝的特點如下:由于金屬鉻膜與相應(yīng)的玻璃襯底有很強的粘附性能，因此牢固度高，而且金屬鉻質(zhì)地堅硬，使得鉻版非常耐磨，使用壽命很長。圖形失真小，分辨率極高。鉻膜的光學(xué)密度大，0.08m厚的鉻膜就可達(dá)到4m乳膠膜的光學(xué)密度，由于襯底是透明玻璃，所以反差極好。金屬鉻在空氣中十分穩(wěn)定，實踐證明，鉻版掩模經(jīng)長時間

6、使用，其圖形的尺寸變化較少而且制作時出現(xiàn)的缺陷很少?？瞻足t版制作工藝流程10.1.3鉻版的制備技術(shù)1、玻璃基板的選擇與制備：（1）基板玻璃的選擇為保證版的質(zhì)量，玻璃襯底必須滿足如下要求：熱膨脹系數(shù)：要求越小越好，對于白玻璃，要求9.310-6K-1；對于硼硅玻璃，要求4.510-6K-1；對于石英玻璃，要求0.510-6K-1。透射率：在360nm以上的波長范圍內(nèi)，透射率在90%以上?；瘜W(xué)穩(wěn)定性：掩模版在使用和儲存過程中，很難絕對避免與酸、堿、水和其它氣氛接觸。它們對玻璃都有不同程度的溶解力。選擇方法：表面光澤，無突起點、凹陷、劃痕和氣泡，版面平整。厚度適中、均勻。對于接觸式曝光，為能承受接觸

7、復(fù)印壓力，厚度應(yīng)在3mm以上。 （2）玻璃基板的制備挑選好的制版玻璃，通過切割、銑邊、例棱、倒角、粗磨、精磨、厚度分類、粗拋、精拋、超聲清洗、檢驗、平坦度分類等工序后，制成待用的襯底玻璃。10.1.3鉻版的制備技術(shù) 2、鉻膜的蒸發(fā) 鉻版通常采用純度99%以上的鉻粉作為蒸發(fā)源，把其裝在加熱用的鉬舟內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)。蒸發(fā)前應(yīng)把真空度抽至10-3mmHg以上，被蒸發(fā)的玻璃需加熱。其它如預(yù)熱等步驟與蒸鋁工藝相似。3、蒸發(fā)后對鉻膜的質(zhì)量檢查 從真空室中取出蒸好的鉻版，用丙酮棉球擦洗表面，然后放在白熾燈前觀察。檢查鉻層有否針孔，厚度是否均勻，厚薄是否適當(dāng)。如果鉻膜太厚，腐蝕時容易鉆蝕，影響光刻質(zhì)量。太薄則反差不

8、夠高。鉻膜的厚度可用透過鉻版觀察白熾燈絲亮度的方法，根據(jù)經(jīng)驗判斷；精確的厚度必須用測厚儀測量。鉻膜質(zhì)量不好的常見毛病是針孔，產(chǎn)生原因主要是玻璃基片的清潔度不夠好，有水汽吸附，鉻粉不純，表面存在塵埃等。 10.1.3鉻版的制備技術(shù) 4、鉻膜質(zhì)量膜厚：鉻膜的厚度一般控制在100nm左右，利用透光量隨膜厚變換的特點來監(jiān)控膜的厚度。均勻性：選擇一定的加熱器形狀和尺寸，調(diào)節(jié)玻璃與蒸發(fā)源之間的位置和距離得到厚度均勻薄膜。針孔：玻璃表面的不清潔，蒸發(fā)源的純度都會影響隔膜等額針孔。牢固度：玻璃表面的清潔與否、蒸發(fā)速率、真空度、越熱溫度等因素有關(guān)。10.1.3鉻版的制備技術(shù)10.1.4彩色版制備技術(shù) 彩色版是一

9、種采用新型的透明或半透明掩模，因有顏色，即俗稱彩色版，它可克服超微粒干版缺陷多，耐磨性差及鉻版針孔多、易反光、不易對準(zhǔn)等缺點。彩色版最主要的特點是對曝光光源波長不透明，對觀察光源波長透明。即在可見光下是透明的，故光刻圖形易于對準(zhǔn)，而用紫外線曝光時膜又是不透明的，又起到了掩膜的作用。彩色版種類很多，有氧化鐵版、硅版、氧化鉻版、氧化亞銅版等，目前應(yīng)用較廣的是氧化鐵彩色版。 氧化鐵具備作為選擇透明掩模材料的所有要求的最佳的化學(xué)和物理特性。據(jù)報道，在紫外區(qū)（300400nm）的透射率小于1%，在可見光區(qū)（400800nm）透射率大于30%。 氧化鐵版在使用上還有以下優(yōu)點：在觀察光源波長下是透明的，而在

10、曝光光源波長下是不透明的。由于這一特性，掩模對可見光透明而阻擋紫外線通過，因而允許在光刻時通過掩模直接觀察片子上的圖形。具有較低的反射率，在接觸曝光時，由于掩模與片子之間的多次反射從而降低了鉻掩模的有效分辨率，由于氧化鐵掩模的反射率低，與正性膠配合能獲得0.51m的條寬。因此制得的氧化鐵掩模版具有較高的分辨率。氧化鐵版由于是吸收（而不是反射）不需要的光，因而克服了光暈效應(yīng)，加強了對反射性襯底的對比度，有利于精細(xì)線條光刻。氧化鐵結(jié)構(gòu)致密且無定形，針孔少。氧化鐵是比較耐磨的掩模材料。復(fù)印腐蝕特性比較好，在一定程度上減少了掩模缺陷。10.1.4彩色版制備技術(shù) 10.1.5光刻制版面臨的挑戰(zhàn) 傳統(tǒng)光學(xué)

11、光刻及制版技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)：如何精確控制光掩膜圖形的對準(zhǔn)表現(xiàn)、光掩膜圖形得尺寸表現(xiàn)和光掩膜的缺陷表現(xiàn)；如何制造帶有衍射輔助成像亞分辨率圖形得光掩膜，完成寫入、檢測等一系列操作。掩模制造設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)：掩膜版制造核心設(shè)備：圖形發(fā)生器。主要由三家掩膜版制造設(shè)備供應(yīng)商：Micronic、Jeol和NuFlare。Micronic于2005年推出的Sigma7500能夠制備90nm，65nm，45nm技術(shù)結(jié)點的掩膜版；NuFlare公司的EBM-6000達(dá)到了32nm的技術(shù)；Jeol與2005年推出的JBX-3040MV能夠制備65nm的掩膜版。利用了光學(xué)臨近效應(yīng)校正（OPC）技術(shù)。10.1.5光刻制版

12、面臨的挑戰(zhàn) 越來越重要的DFM通過對電路設(shè)計的改進(jìn)可以大大提高良率。良率下降的原因（與硅片制造工藝環(huán)境和設(shè)備關(guān)系緊密）：隨機為例造成的缺陷；光刻過程造成的誤差；良率下降的原因（與集成電路設(shè)計方法密切相關(guān)）： Cu凹陷和腐蝕造成的缺陷；參數(shù)變化造成的缺陷；通孔的可靠性和信號；功率完整性造成的缺陷。掩模版檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢集成電路工藝向90nm以下發(fā)展，分辨率增強技術(shù)（RET）和極端分辨率增強技術(shù)的應(yīng)用不斷完善，如OPC、PSM、SARF。10.2光刻膠光刻時接受圖像的介質(zhì)稱為光刻膠，是一種對輻照光敏感的化合物，也將光刻膠稱為光致抗蝕劑。光刻膠的目的：將淹沒版圖形轉(zhuǎn)移到硅片上；在后續(xù)工藝中，保護(hù)下

13、面的材料。光刻膠的分類根據(jù)光刻膠對輻射后的響應(yīng)特性分類：正性光刻膠：曝光部分變?yōu)榭扇苄晕镔|(zhì)，在顯影工藝中容易去除。圖像與掩模版圖形一致。負(fù)性光刻膠：曝光部分變?yōu)殡y溶性物質(zhì)，顯影工藝未曝光部分被去除。圖像與掩模版圖形相反。根據(jù)用途分類：可見光刻膠；電子束光刻膠；X射線光刻膠；光致抗蝕劑光刻膠組成：樹脂：作為粘合劑的聚合物的混合物，給予光刻膠機械和化學(xué)性質(zhì)，對光不敏感。感光劑：光刻膠材料的光敏成分。有機溶劑：使光刻膠具有流動性，絕大多數(shù)溶劑在曝光前揮發(fā)。添加劑：控制光刻膠材料特殊方面的化學(xué)性質(zhì)。10.2.1光刻膠的特征量光刻膠的特征量：響應(yīng)波長；靈敏度：又稱光敏度，指最小曝光劑量E0 ；抗蝕性：指

14、耐酸、堿能力；粘滯性：指流動特性的定量指標(biāo) ；粘附性 ：指與硅、二氧化硅表面結(jié)合力的大小 ；光刻膠的膨脹； 微粒數(shù)量和金屬含量； 儲存壽命 ；10.2.2光學(xué)光刻膠正膠和負(fù)膠進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移示意圖 光學(xué)光刻膠：響應(yīng)波長在紫光和近、中、遠(yuǎn)紫外線的光刻膠。當(dāng)前常用正膠為DQN，組成為光敏劑 重氮醌(DQ)，堿溶性的酚醛樹脂(N)，和溶劑二甲苯等。響應(yīng)波長330-430nm 膠膜厚1-3m，顯影液是氫氧化鈉等堿性物質(zhì)。正膠IC主導(dǎo)10.2.2光學(xué)光刻膠正膠DQN顯影原理曝光的重氮醌退化，易溶于顯影液，未曝光的重氮醌和樹脂構(gòu)成的膠膜難溶于堿性顯影液。光刻膠曝光、水解和顯影過程中的化學(xué)反應(yīng)方程10.2.2光

15、學(xué)光刻膠正膠負(fù)膠多由長鏈高分子有機物組成。如由順聚異戊二烯和對輻照敏感的交聯(lián)劑，以及溶劑組成的負(fù)膠，響應(yīng)波長330-430nm，膠膜厚度0.3-1m，顯影液二甲苯等。負(fù)膠10.2.2光學(xué)光刻膠負(fù)膠順聚異戊二烯+交聯(lián)劑hv固化為體型分子10.2.2光學(xué)光刻膠負(fù)膠順聚異戊二烯負(fù)膠顯影原理曝光的順聚異戊二烯在交聯(lián)劑作用下交聯(lián)，成為體型高分子，并固化，不再溶于有機溶劑構(gòu)成的顯影液，而未曝光的長鏈高分子溶于顯影液，顯影時被去掉。正膠：顯影容易，圖形邊緣齊，無溶漲現(xiàn)象，光刻的分辨率高，去膠也較容易。 負(fù)膠顯影后保留區(qū)的膠膜是交聯(lián)高分子，在顯影時，吸收顯影液而溶漲，另外，交聯(lián)反應(yīng)是局部的，邊界不齊，所以圖形

16、分辨率下降。光刻后硬化的膠膜也較難去除。但負(fù)膠比正膠抗蝕性強。 10.2.2光學(xué)光刻膠正膠&負(fù)膠10.2.3 其它光刻膠1、電子束光刻膠 2、X射線光刻膠 10.3光學(xué)分辨率增強技術(shù) 光學(xué)分辨率增強技術(shù)包括移相掩模技術(shù)（phase shift mask )、 離軸照明技術(shù)(off-axis illumination)、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù)(optical proximity correction)、光瞳濾波技術(shù)（pupil filtering technology）等。10.3.1移相掩模技術(shù) 移相掩模（PSM）的基本原理是在光掩模的某些透明圖形上增加或減少一個透明的介質(zhì)層，稱移相器，使光波通

17、過這個介質(zhì)層后產(chǎn)生180的位相差，與鄰近透明區(qū)域透過的光波產(chǎn)生干涉，抵消圖形邊緣的光衍射效應(yīng)，從而提高圖形曝光分辨率。移相掩模技術(shù)被認(rèn)為是最有希望拓展光學(xué)光刻分辨率的技術(shù)之一。 10.3.1移相掩模技術(shù) 通過移相層后光波與正常光波產(chǎn)生的相位差可用下式表達(dá)：式中 d移相器厚度； n移相器介質(zhì)的折射率； 光波波長。10.3.1移相掩模技術(shù)附加材料造成光學(xué)路逕差異，達(dá)到反相10.3.1移相掩模技術(shù)移相掩模的主要類型有： 交替式PSM 衰減型PSM 邊緣增強型PSM 無鉻PSM 混合PSM10.3.2離軸照明技術(shù) 離軸照明技術(shù)（OAI）是指在投影光刻機中所有照明掩模的光線都與主光軸方向有一定夾角，照明

18、光經(jīng)過掩模衍射后，通過投影光刻物鏡成像時，仍無光線沿主光軸方向傳播。是被認(rèn)為最有希望拓展光學(xué)光刻分辨率的一種技術(shù)之一。它能大幅提高投影光學(xué)光刻系統(tǒng)的分辨率和增大焦深。 離軸照明的種類有：二極照明、四極照明、環(huán)形照明等。10.3.2離軸照明技術(shù) 可以減小對分辨率的限制、增加成像的焦深且提高了MTF10.3.2離軸照明技術(shù) 部分相干照明()時，傳統(tǒng)光刻截止分辨率為R傳統(tǒng)/2NA(1+)。離軸照明時，所照明光都與主光軸有一定的夾角，光經(jīng)過掩模衍射，由投影透鏡成像時，系統(tǒng)截止頻率為式中，為照明傾斜角。顯然離軸照明技術(shù)有利：提高分辨率。10.3.2離軸照明技術(shù)OAI的原理例如：當(dāng)1NA（1S）時，R可以

19、提高1倍！10.3.2離軸照明技術(shù)實現(xiàn)方式：環(huán)形照明 四極照明 兩極照明 在投影曝光系統(tǒng)中，掩模圖形的空間像的對比度（MTF）依賴于投影物鏡中參與成像的1級以上衍射光的比例。由于收集了較多高頻信號，離軸照明技術(shù)通過降低成像光束中的低頻成分來提高高頻成分在總光強中的比例，從而提高了空間像的對比度。10.3.3光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù) 光學(xué)鄰近效應(yīng)（OPC）是指在光刻過程中，由于掩模上相鄰微細(xì)圖形的衍射光相互干涉而造成像面光強分布發(fā)生改變，使曝光得到的圖形偏離掩模設(shè)計所要求的尺寸和形狀。這些畸變將對集成電路的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生較大的影響。光刻圖形的特征尺寸越接近于投影光學(xué)光刻系統(tǒng)的極限分辨率時，鄰近效應(yīng)就越

20、明顯。 光學(xué)鄰近效應(yīng)校正的種類有：線條偏置法、形狀調(diào)整法、加襯線法、微型灰度法。 10.3.3光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù) OPC實例 10.4紫外光曝光技術(shù)光學(xué)相關(guān)波長范圍參考圖10.4紫外光曝光技術(shù)光源：主要是UV，DUV水銀弧光燈：i線365nm；h線405nm；g線436nm氙汞燈：200-300nm準(zhǔn)分子激光：KrF248nm；0.35-0.18 m工藝，ArF193nm，可用于0.13m的CMOS工藝10.4紫外光曝光技術(shù)1:1曝光系統(tǒng)4或5倍縮小曝光系統(tǒng)接觸式接近式投影式（步進(jìn)）10.4.1接近式曝光S 5 ms5m，=400nm，a 2m，R=250/mm。只能用于3m工藝10.4.1

21、接近式曝光接觸式曝光：抗蝕劑與掩膜直接接觸。20世紀(jì)70年代主要光刻手段；主要應(yīng)用于5um線寬及以上的生產(chǎn)方式中；設(shè)備投資較小，圖像精度較高；接觸式光刻機的掩模版包括了要曝光的硅片表面所有芯片陣列圖形；分辨率1um ；易污染掩膜，使掩膜損傷；每5到25次就要更換掩膜版。10.4.2接觸式曝光10.4.3投影式曝光數(shù)值孔徑兩像點能分辨最小間隔NA在0.2-0.45之間，取0.4=400nm, y=0.61m10.5其它曝光技術(shù)其它曝光技術(shù)的主要有：電子束光刻；X-射線光刻；離子束光刻；新技術(shù)展望； 10.5.1電子束光刻電子束光刻是采用電子束光刻機進(jìn)行的光刻，有兩種方式：一是在一臺設(shè)備中既發(fā)生圖

22、形又進(jìn)行光刻，就是直寫光刻（不用光刻板的光刻）；另一種是兩個系統(tǒng)，制版和光刻分別進(jìn)行。電子束光刻已應(yīng)用于制造高精度掩模版、移相掩膜版和x射線掩模版。10.5.1電子束光刻電子抗蝕劑對10-30kV的電子束靈敏，有正性抗蝕劑，負(fù)性抗蝕劑。常用的正性抗蝕劑有PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）膠，分辨率可達(dá)10nm。EBR-9（丙烯酸鹽基類），靈敏度比PMMA高10倍，最小分辨率只有0.2m。10.5.1電子束光刻電子束的散射有前向散射和背散射，背散射角大，是造成鄰近效應(yīng)的主要原因10.5.2X射線光刻以高強度的電子束轟擊金屬靶材，使其發(fā)射X射線，X射線作為曝光光源，在 0.2-4nm。掩膜版：為了X-射

23、線能夠透過，掩膜版很薄，對X射線透明的Si、SiN、BN和聚酯薄膜為基片在上面淀積金薄膜，以此作為空白版，金膜能吸收X射線，以電子束制版方法制備掩膜版版。影響分辨率的不是衍射，而是半陰影和幾何畸變10.5.2X射線光刻10.5.2X射線光刻在電子抗蝕劑中加入銫、鉈等，能增加抗蝕劑對X-射線的吸收能力，可以使之作為X-射線抗蝕劑。如PMMA 。10.5.2X射線光刻 同步輻射x射線源，是利用高能電子束在磁場中沿曲線軌道運動時發(fā)出的。同步輻射方向性強，準(zhǔn)直性好，可以近似看作平行光源。光源的線度尺寸約為1mm，所以半陰影效應(yīng)和幾何畸變可以忽略。同步輻射x射線光學(xué)系統(tǒng)10.5.3離子束光刻 離子束注入，是利用元素離子本身所具有的化學(xué)性質(zhì)-摻雜效應(yīng)，通過將高能雜質(zhì)離子注入到半導(dǎo)體晶體表面，以改變晶體表面的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)；另一方面則可以利用離子本身具有的能量來實現(xiàn)各種工藝目的。按照離子能量的不同，工藝目的也不同，如離子能量在10keV以下時，離子束常被用來作為離子束刻蝕和離子束外延；當(dāng)能量在幾十至7