電子科大《集成電路工藝》第十四章匯編

1、1第十四章 光刻-對準和曝光微固學院 張金平214.1 引 言本章主要內(nèi)容：光刻工藝的對準與曝光光源與光學效應對準和曝光設備本章知識要點：掌握對準與曝光的基本概念；掌握投影掩膜版和套準的定義；掌握分辨率的意義及其計算方法；了解對準和曝光設備。38)顯影后檢查5) 曝光后烘焙6)顯影7)堅膜UV LightMask4) 對準和曝光Resist2) 涂膠3)軟烘1) 氣相成底膜HMDS光刻的八個步驟14.1 引 言414.1 引 言對準和曝光: 把掩膜版上的圖形與涂膠硅片進行對準、聚焦而后曝光，把掩膜版上圖形精確地復制成光刻膠上，并從一點到另一點在硅片上重復過程。5Silicon Substrat

2、e P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ SourceN+ DrainP+ SourceP+ DrainBPSGW Contact PlugMetal 1IMD1 W Via PlugMetal 2Passivation Bond PadPoly GateGateOxideSpacer+ VDDOutput- VSS14.2 對 準6頂視圖2684153714.2 對 準74) Poly gate etch1) STI etch2) P-well implant3) N-well implant8) Metal etch5) N+ S/D implant

3、6) P+ S/D implant7) Oxide contact etch熔融石英+鉻薄膜14.2 對 準8 套準精度 基準補償 對準標記 14.2 對 準9 套準精度對準系統(tǒng)把版圖套準到硅片圖形的能力，也稱做套準。 基準補償投影掩膜版與光刻機機身上固定的參照標記的正確對準，承片臺定位就用相應的投影掩膜來測量。這個定位提供了對準修正數(shù)據(jù)，軟件將使用這些數(shù)據(jù)補償掩膜版特征的變化。這個過程稱基準補償。 14.2 對 準10對準標記14.2 對 準11分步重復對準系統(tǒng)14.2 對 準12對準激光器(633 nm)光纖視頻離軸對準部件對準BLC基準離軸對準系統(tǒng)對準激光器 (633 nm)接攝影機的顯

4、微鏡物鏡投影光學系統(tǒng)載片臺對準BLC基準投影掩膜版同軸對準系統(tǒng)14.2 對 準13-X+X+Y-YDX-DY套準偏移-X+X+Y-Y硅片圖形版圖完美的套準精度套準偏差14.2 對 準1414.2 對準-對準標記投影掩膜版的對位標記(RA) ：在版的左右兩側(cè)， RA與步進光刻機上的基準標記對準。整場對準標記(GA)：第一次曝光時被光刻在硅片左右兩邊，用于每個硅片的粗對準。精對準標記(FA)：每個場曝光時被光刻步進掃描對準標記: 步進掃描光刻機可在每個曝光場放置多個標記，允許每個曝光場進行對準。改善了套準精度并減小了套準容差。15第二層掩膜第一層掩膜第二層掩膜圖形層第一層掩膜圖形層RA：投影掩膜版

5、對準標記GA：硅片整場對準標記FA： 硅片精對準標記+RALRAR+ GA+ FAL+ FAR+ GAR+ GAL凹槽，粗對準FALFARFAL/R + +FAL/R + 用于第二層掩膜 + 來自第一層掩膜14.2 對準-對準標記16l (nm)700455060065050045040035030025020015010050紫外光譜可見光汞燈準分子激光Photolithography light sourcesghi36540524819313436157126VioletRedBlueGreenYellowOrangeMid-UVEUVDUVVUV紫外光譜可見光譜：波長在390nm到78

6、0nm之間；紫外光譜：波長在4nm到450nm之間。14.3 曝光光源曝光光源 汞燈 準分子激光17120100806040200200300 400 500 600Wavelength (nm)相對強度 (%)h-line405 nmg-line436 nmi-line365 nmDUV248 nm高強度汞燈的發(fā)射光譜高壓汞燈的發(fā)射光譜14.3 曝光光源18汞燈強度峰14.3 曝光光源19準分子激光器和汞燈強度對比圖100806040200相對強度 (%)KrF 激光280210240260220波長 (nm)汞燈 曝光能量：光的強度乘上曝光時間 248nm的深紫外發(fā)射是365nm的I線發(fā)射

7、強度的五分之一。14.3 曝光光源20常用的準分子激光器準分子是不穩(wěn)定分子，由隋性氣體原子和鹵素構(gòu)成。14.3 曝光光源21 光的衍射 透鏡的數(shù)值孔徑-NA 光的干涉 光的反射 抗反射層 14.4 光學效應 22從小孔衍射出的光的干涉光直線傳播.光通過邊緣發(fā)生衍射.光波穿過狹縫時產(chǎn)生衍射帶或干涉圖形。 衍射帶14.4.1 光的衍射23衍射光束狹縫平面光波版圖的衍射14.4.1 光的衍射24透鏡俘獲衍射光NAUV012341234透鏡石英鉻衍射圖形掩膜版14.4.2 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑(NA)：透鏡收集衍射光的能力。25曝光透鏡NA針孔掩膜版成像效果衍射光GoodBadPoor數(shù)值孔徑在成像中的作

8、用14.4.2 數(shù)值孔徑26光刻設備的典型的數(shù)值孔徑14.4.2 數(shù)值孔徑27多晶硅SubstrateSTISTIUV曝光光線掩膜版被曝光的光刻膠未曝光的光刻膠被開槽的光刻膠邊緣衍射表面反射光反射引起的光刻膠反射切口 14.4.3 光的反射2814.4.4 光的干涉波的干涉相長干涉：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。29駐波表征入射光波和反射光波之間的干涉，駐波沿著光刻膠厚度引起曝光不均勻駐波的發(fā)生對深紫外光刻膠更加顯著，因為很多硅片表面例如氧化層、氮化硅和多晶硅)在較短的深紫外波長反射更加厲害入射波反射波PhotoresistFilmSubstrate入射光和反射光在

9、光刻膠中干涉14.4.4 光的干涉30光刻膠中的駐波效應 駐波本質(zhì)上降低了光刻膠成像的分辨率。14.4.4 光的干涉31使用抗反射涂層、著色和濾光片能幫助防止干涉入射波抗反射涂層光刻膠FilmSubstrate14.4.5 抗反射涂層 在光刻膠下面，減少襯底反射的底部抗反射涂層 在光刻膠上面，減少光刻膠表面二次反射的頂部抗反射涂層32通過底部抗反射涂層的光抑制BARC多晶硅SubstrateSTISTIUV 曝光光線掩膜版被曝光的光刻膠未曝光的光刻膠有機抗反射涂層通過吸收光來減少反射；無機抗反射涂層不吸收光，而是通過特定波長相移相消起作用。14.4.5 抗反射涂層33底部抗反射涂層（BARC）

10、的光相移相消(A) 入射光PhotoresistBARC (TiN)鋁C和D由于相位差去消(B) 上表面反射(C)(D)14.4.5 抗反射涂層34入射光光刻膠光刻膠襯底反射Substrate入射光光刻膠襯底反射Substrate上抗反射涂層吸收襯底反射頂部抗反射涂層材料不吸收光；通過光線間的相干相消來消除反射。14.4.5 抗反射涂層3514.4.6 光刻膠對入射光的過多吸收光刻膠 (顯影后)Substrate傾斜斜面 光刻膠的吸收過多，光刻膠底部接收的光強度就會比在頂部的少很多； 要獲得垂直側(cè)墻圖形，光刻膠必須只吸收入射輻射的一小部分，一般小于20。36 分辨率 計算分辨率 焦深 分辨率和

11、焦深的關系 表面平坦化 14.5 分辨率37隨著特征尺寸減小，要將特征圖形彼此分開更困難分辨率：清晰分辨出硅片上間隔很近的特征圖形對的能力14.5.1 分辨率38透鏡, NAWafer掩膜版發(fā)光裝置, Rk = 0.6R365 nm 0.45 486 nm365 nm 0.60365 nm193 nm 0.45257 nm193 nm 0.60193 nmi-lineDUV k NAR =14.5.2 分辨率的計算影響分辨光刻膠上幾何圖形的能力的參數(shù)：波長、數(shù)值孔徑和工藝因子。39+-光刻膠薄膜焦深焦平面透鏡14.5.3 焦深 (DOF)焦深：焦點周圍的一個范圍，圖像連續(xù)地保持清晰。40變化數(shù)

12、值孔徑時分辨率隨焦深(景深)的變化 2(NA)2DOF = 光刻膠薄膜焦深焦平面+-透鏡, NAWafer掩膜版照明裝置, DOFR DOF365 nm 0.45 486 nm901 nm365 nm 0.60365 nm507 nm193 nm 0.45257 nm476 nm193 nm 0.60193 nm268 nmi-lineDUV14.5.3 焦深 (DOF)4114.6 光刻設備42 接觸式曝光機 接近式曝光機 掃描投影光刻機 分步重復光刻機 步進掃描光刻機 14.6 光刻設備43發(fā)光裝置對準顯微鏡 (分視場)MaskWafer真空吸盤掩膜版臺 (X, Y , Z , q) 承片

13、臺 (X, Y, Z, q) 汞燈14.6.1 接觸/接近式光刻機系統(tǒng)44接觸式曝光機缺點： 掩膜版的損壞、污染、缺陷高； 晶片變形影響精度； 優(yōu)點產(chǎn)量高，一次曝光完成；14.6.1 接觸式光刻機系統(tǒng)45接近式光刻機上的邊緣衍射和表面反射UVMaskUV 曝光光線Substrate光刻膠衍射和反射光間隙MaskSubstrate14.6.2 接近式光刻機系統(tǒng)曝光光線通過掩膜版與光刻膠間隙(2.5-25m)，間隙處發(fā)生衍射和反射，分辨率降低；掩膜版不與光刻膠直接接觸，減少污染和損傷。4614.6.3 掃描投影曝光機Mask硅片汞燈照明裝置投影光學組件掃描方向曝光光線(UV狹縫逐漸掃過整個掩膜版視

14、場到硅片上)利用反射鏡系統(tǒng)把有1:1圖像的整個掩膜圖形投影到硅片表面；主要挑戰(zhàn)是制造良好的包括硅片上所有芯片的1倍掩膜版。47UV light投影掩膜版視場尺寸20 mm 15mm,每場4個芯片5:1 縮小透鏡Wafer圖形曝光在硅片上是投影掩膜版上視場的1/5 4 mm 3 mm, 每次曝光4 die 曲折的步進圖形14.6.4 步進光刻機的曝光場掩膜版包含一個（或多個）1倍（或幾倍）于實際圖形的芯片；掩膜版制造更容易和精確；分布重復曝光，對硅片的平整度和幾何形狀變化的補償較容易。4814.6.4 分步重復光刻機495:1 透鏡UVUV步進和掃描像場掃描分步重復光刻機像場(單次曝光)4:1

15、透鏡投影掩膜版投影掩膜版掃描掃描WaferWafer步進方向14.6.5 步進掃描光刻機的曝光場50照明裝置光束線準分子激光 (193nm ArF )操作控制臺4:1 縮小透鏡 NA = 0.45 to 0.6硅片傳輸系統(tǒng)掩膜版臺自動對準系統(tǒng)承片臺掩膜版庫 (SMIF pod interface)14.6.5 步進掃描光刻機5114.6.5 步進掃描光刻機步進掃描光刻機特點： 曝光場大，掩膜版包含一個（或多個）幾倍于實際圖形的芯片，包含芯片個數(shù)可比分步重復光刻機掩膜版多； 掃描過程調(diào)焦，對硅片的平整度和幾何形狀變化的補償較容易； 挑戰(zhàn)：機械容差偏差控制。對承載Si片和投影版的臺子運動的控制。5

16、214.6.6 掩膜版投影掩膜版與掩膜版的比較53 投影掩膜版材料 投影掩膜版的縮影 投影掩膜版的制造 投影掩膜版的損傷來源 14.6.6 掩膜版54投影掩膜版的材料：熔融石英，表面覆蓋薄層鉻投影掩膜版的制造：電子束直接寫。電子束被加速并聚焦成形射到涂有電子束光刻膠的投影版，電子束可經(jīng)過光柵掃描整個硅片，也可只掃過光刻區(qū)形成圖形。14.6.6 掩膜版55縮影倍率和曝光場的比較在投影版上的視場投影透鏡硅片上的曝光視場14.6.6 投影掩膜版56Work chamber, load chamber,vibration isolation, ion pump, and vacuum systemWo

17、rk StationTransfer and driveStage position controlHeight deflection and dynamic correctionVacuum control moduleTFE electron source controlElectron beam controlServo controlOperator console9-track magnetic tape driveControl computerSuper flash HTMPrinter/PlotterElectronics ConsoleData direct computer

18、Height detection assemblyWork tableBeam control and deflectionTFE electron beam columnAutomatic loading chamberWork stageDynamic correctionsUtility ConsoleCassette clamping controlTemperature controlCoolant flow controlAir and nitrogen controlWater chillerBacking pumpRoughing pump14.6.7 電子束光刻的原理 57投影掩膜版上的保護膜保護膜上的顆粒在光學焦距范圍之外抗反射涂層保護膜鉻圖形焦深Mask material投影掩膜版保護膜框架鉻圖形14.6.8 投影掩膜版的損傷來源58 相移掩膜技術 (PSM) 光學臨近修正 (OPC) 離軸照明 偏差 14.6.9 光學增強技術59b) 改進的掩膜版