1、第八章第八章 光刻原理和技术光刻原理和技术Lithography 8.1 引 言 8.2 光刻工艺流程 8.3 光刻光学 8.4 光致抗蚀剂 8.5 先进的曝光技术8.1 8.1 引言引言l光刻是IC制造业中最为重要的一道工艺每三年尺寸减小0.7X.硅片制造工艺中，光刻占所有成本的35%?所在的地方代表了roadmap发展的最大的不确定性v设计功能模块，利用软件在功能模块之间布线。v用工具检查是否有违反设计规则(design rule)。v用电路级和系统级模拟工具预测电路性能 v从设计转移到掩膜版制备，用扫描电子束或激光束在光掩膜版上形成图形。v光学曝光，对硅片进行光刻。Mask Defini
2、tionqMask definition start with a micro-system or micro-circuit or device conceptqThis is followed byLogic DesignCircuit DesignDevice DesignProcess Design&SimulationMask Layout and fabricationq Mask:fused silica plate covered with Cr(80nm)l用一个工艺中所需要的光刻次数或者掩膜版的多少来衡量该工艺的难易程度。一个典型的硅集成电路工艺包括20多块掩膜版l通常我们
3、所说的0.13m,0.09m工艺就是指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。版图设计规则（设计者和制造厂的约定）ULSI对光刻的基本要求对光刻的基本要求:高分辨率高分辨率高灵敏度的光刻胶高灵敏度的光刻胶低缺陷低缺陷精密的套刻对准精密的套刻对准对大尺寸硅片的加工对大尺寸硅片的加工第八章第八章 光刻原理和技术光刻原理和技术Lithography 8.1 引 言 8.2 光刻工艺流程 8.3 光刻光学 8.4 光致抗蚀剂 8.5 先进的曝光技术光刻流程光刻流程Lithography Process在硅片上涂一层光刻胶，经过曝光在某些区域感光，经显影后留下胶膜的图形，再把这层胶膜的图形作为掩膜，进一步对其
4、下的SiO2进行腐蚀，或者进行离子注入等，把胶膜上的图形转换到硅衬底的薄膜上去。光刻工艺流程光刻工艺流程Photo Resist CoatingMask&DUV Stepper ExposurePHOTOPhoto Resist DevelopmentPHOTOEtching(Wet/Dry)Photo Resist StrippingETCHFilm DepositionRaw materialThin FilmThinFilm-PHOTO-ETCH Physical layer formation cycle光刻工艺流程衬底处理 substrate cleaning前烘 pre-bake
5、曝光 expose 涂胶 spin coat 去胶 strip 后烘 post-bake 显影 develop 刻蚀 etch 如何在一定区域腐蚀硅？光刻技术可分为三个部分光刻技术可分为三个部分l光源(light sources)l曝光系统(exposure system)l光刻胶(photoresist)能量(光源):引起光刻胶化学反应，改变光刻胶溶解速率；掩膜版(mask):对光进行掩膜，在光刻胶上制造掩膜版的图形对准系统(Aligner):在硅片上把掩膜版和以前的图形对准。光刻胶(Resist):把图形从掩膜版转移到硅片。衬底(substrate)：具有以前的掩膜版图形。光源光源Ligh
6、t Sourcel降低器件特征尺寸(feature size),要求采用短波长的光源l一般光刻用的光源：高压汞灯(Hg Arc lamp),可以产生多种波长的光。lG-line:436nm;I-line:365nm;l准分子激光(Excimer laser)：DUVlKrF(248nm);ArF(193nm)lX射线(0.5nm)，电子束(0.62)，离子束(0.12)hchE g-line:=436nm,used for 0.5um production i-line:=365nm,used for 0.35um production KrF:=248nm,used for 0.25-0.1
7、8um production ArF:=193nm,used for 0.13-0.10um productionOptical lithograpy X-ray:=0.5 nm,E-beam:=0.062 nm,Ion-beam:=0.012 nm,Advanced lithograpy硅片曝光系统硅片曝光系统(Wafer exposure system)l完成前后两次光刻图形的精密套刻l对光刻胶进行曝光l曝光分类l接触式(Contact)l接近式(Proximity)l投影式(Projection)Three types of exposure systems have been used
8、.1:1 Exposure SystemsUsually 4X or 5XReduction目前主流光刻机是 Projection Printing光刻掩模版为4X或5X，每一次曝光到晶片的部分区域，一般每台光刻机每小时可以加工2550片晶片第八章第八章 光刻原理和技术光刻原理和技术Lithography 8.1 引 言 8.2 光刻工艺流程 8.3 光刻光学 8.4 光致抗蚀剂 8.5 先进的曝光技术 8.3 光刻光学光刻光学(optics of lithography)v光刻的基本要求v基本光学概念v曝光分类v掩膜版工程1.Resolution 分辨率,即能加工的最小尺寸2.Depth o
9、f focus 焦深3.Field of view 视场4.Modulation transfer function5.Alignment accuracy 套刻精度6.Throughput 产量取决於光学系统取决於机械系统 8.3 光刻光学光刻光学(optics of lithography)v光刻的基本要求v基本光学概念v衍射v数值孔径v分辨率v曝光分类v掩膜版工程光的光的衍射效应衍射效应l光在空间中以电磁波的形式传播l当物体的尺寸远大于波长时，把光作为粒子来处理l当物体的尺寸和波长可比拟时，要考虑光的波动性衍射衍射光学衍射光学l光在传播过程中绕过障碍物边缘而偏离直线传播的现象，称为衍射衍
10、射。(Diffraction)l如果孔径的尺寸和波长相当，光在穿过小孔后发散。小孔越小，发散得越多。“bending of light”衍射光学衍射光学q如果想在像平面(如光刻胶）对小孔进行成像，可以用透镜收集光并聚焦到像平面衍射分类衍射分类lFresnel diffraction or near field diffraction:l像平面和孔径很近。光直接穿过孔径到像平面，无中间透镜系统lContact print and proximity printlFraunhofer diffraction or far field diffractionl像平面远离孔径，孔径和像平面之间有透镜，
11、来捕捉、聚焦图像lProjection printA simple example is the image formed by a smallCircular aperture(Airy disk)Diameter of central maximum=df22.1f:透镜的焦距d：孔径的直径点图像的分辨率点图像的分辨率根据Rayleigh 原理，两个像点能够被分辨的最小间隔为Rayleigh suggested that a reasonable criterion forresolution was that the central maximum of eachpoint source
12、 lie at the first minimum of the Airypattern.f:透镜的焦距D：孔径的直径dfR22.1数值孔径数值孔径(Numerical Aperture NA)l光学系统的数值孔径描述透镜收集光的能力 n是透镜到硅片间的介质折射率对空气为1sin61.0)sin2(22.122.1nfnffDR分辨率分辨率-ResolutionfdNANAdfbl261.022.12)(min一般来说，最小线宽K10.60.8NAK1 提高分辨率，减小最小线宽的方法：v减小波长v采用高数值孔径的光学系统(大透镜）K1取决光刻系统和光刻胶的性质 然而采用高数值孔径的光学系统然而
13、采用高数值孔径的光学系统(大透镜），会使大透镜），会使景深变差景深变差MINMAXMINMAXIIIIMTF 采用MTF来表征掩膜上的图形转移成光刻胶上像的质量，衡量图像的对比度(contrast)。和线条尺寸有关，线条尺寸越小，MTF越小。一般MTF须大于0.5 8.3 光刻光学光刻光学(optics of lithography)v光刻的基本要求v基本光学概念v曝光分类v掩膜版工程曝光方式曝光方式l接触式曝光 Contact printingl光学接近式曝光 Optical proximity printingl扫描投影曝光 Scanning projection printing接触式曝
14、光接触式曝光 Contact printingl掩膜版和硅片紧密接触 Fresnel diffractionlMask Image:Resist Image=1:1,不受衍射现象限制,分辨率高，可达到0.5 m l必须加压力，会使胶膜剥离；易沾污，掩膜版易损坏成品率下降。目前在生产中很少使用。l由于光刻胶顶层平面不平，所以该曝光方式中间隔并不严格为0接近式曝光接近式曝光proximity printingl掩膜版和硅片有一小的间隙的d 有衍射效应.l最小线宽:Wm=(d)1/2,d:间隔；：光源波长分辨率取决于间隙的大小，一般分辨率较差，为24md=10um,I-line(365nm)W 2u
15、m接近式曝光接近式曝光proximity printing接近式曝光所引起的近场衍射.在掩膜版孔径边缘，强度逐渐上升。因为光的衍射效应，在孔径外面的光也曝光了。在孔径尺寸内，光强有起伏这是因为惠更斯衍射效应的极大极小效应的叠加。投影光刻-projection printingl 把掩膜上的图形由透镜投影到光刻胶上。l 掩膜版不易损坏l 为了提高分辨率，减少图形畸变，一次曝光的象场较小，采用扫描式曝光。l Fraunhofer diffractionTo improve the defect density of this operation,the reticle is commonly pl
16、aced in a fixture that has a thin membrane,called A pelliclepellicleOptical Stepper三种曝光系统比较三种曝光系统比较l当间隔为0时，接触式曝光。理想图形；l有一定间隔时，接近式曝光；有透镜系统时，投影曝光，8.3 光刻光学光刻光学(optics of lithography)v光刻的基本要求v基本光学概念v曝光分类v掩膜版工程Mask Engineering 掩膜版工程 Optical Proximity Correction (OPC)Phase ShiftingOptical Proximity Correc
17、tion(OPC)can be used tocompensate somewhat for diffraction effects.Top-mask with and without OPC.Bottom,calculatedprinted images.通过软件对图形修正，消除衍射的影响移相掩膜技术移相掩膜技术(phase shift mask)l选择一种具有一定厚度和折射率的材料，使得相位移动180,形成相消干涉Without phase shiftWith phase shiftPSM(移相掩膜技术）的优点：l提高分辨率，使现有光刻技术至少延伸了一代。l可用低数值孔径曝光系统，来改善景
18、深l提高图像质量第八章第八章 光刻原理和技术光刻原理和技术Lithography 8.1 引 言 8.2 光刻工艺流程 8.3 光刻光学 8.4 光致抗蚀剂 8.5 先进的曝光技术 8.4 光致抗蚀剂光致抗蚀剂(Photo-Resist)vPositive and Negative optical resistvg-Line and i-Line ResistsvDUV ResistsvBasic Properties of Resists光刻胶种类光刻胶种类l正光刻胶(Positive optical resist)l负光刻胶(Negative optical resist)Resists
19、are organic polymers that are spun onto wafersand prebaked to produce a film 0.5-1 m thick.正性正性光刻胶光刻胶Positive Optical Resistv 正胶的光化学性质是从抗溶解到正胶的光化学性质是从抗溶解到可溶性。可溶性。v 正胶曝光后显影时感光的胶层溶正胶曝光后显影时感光的胶层溶解了。解了。v 现有现有VLSI工艺都采用正胶工艺都采用正胶 正胶机制正胶机制曝光使感光材料(PAC)中分子裂解，被裂解的分子在显影液中很易溶解，从而与未曝光部分形成强烈反差。负性光刻胶 Negative Optic
20、al resistl负胶的光学性能是从可溶解性到不溶解性。l负胶在曝光后发生交链作用形成网络结构，在显影液中很少被溶解，而未被曝光的部分充分溶解。正胶和负胶的比较正胶和负胶的比较l正胶a)分辨率高 小于1微米b)抗干法刻蚀能力强c)较好的热稳定性l负胶a)对某些衬底表面粘附性好b)曝光时间短，产量高c)工艺宽容度较高（显影液稀释度、温度等）d)价格较低（约正胶的三分之一）负胶的光化学特性是从可溶性到抗溶解性 g-Line and i-Line Resistsq由三部分组成非活性树脂(Inactive Resin)-碳氢化合物hydrocarbon 光敏材料(Photo Active Compo
21、und,PAC)溶剂(Solvent)8.4 光致抗蚀剂光致抗蚀剂(Resist)v光刻胶成分v光致抗蚀剂性能参数v光致抗蚀剂类型v光刻胶过程q分辨率(resolution)q敏感度(Sensitivity)q对比度(Contrast)q光谱相应曲线(Spectral response curve)q抗腐蚀特性光致抗蚀剂材料参数光刻胶的分辨率l 正胶的分辨率较负胶好，一般2m以下工艺用正胶l 保证抗蚀性性能的情况下，胶越薄，分辨率越高l 图形的分辨率主要和曝光系统有关。灵敏度灵敏度S(Sensitivity)l灵敏度反应了需要多少光来使光刻胶曝光。S越高，曝光时间越短。lh为比例常数；I为照射
22、光强度，t为曝光时间l在短波长光曝光要求光刻胶有较高的灵敏度。ShIt对比度对比度(Contrast)l衡量光刻胶辨别亮(light)/暗(dark)区域的能力l测量方法：对一定厚度的光刻胶，改变曝光剂量，在固定时间内显影，看显影后留下的光刻胶厚度。l对比度高的光刻胶造成更好的分辨率Df:完全溶解光刻胶所需的曝光剂量；D0:溶解光刻胶所需的阈值曝光剂量101logofDD Typical g-line and i-line resists achieve values of 2-3 and Df values of about 100 mJ cm-2.DUV resistshave much
23、higher values(5-10)and Df values ofabout 20-40 mJ cm-2.101logofDD临界光学调制函数临界光学调制函数Critical Modulation Transfer Fudanction(CMTF)By analogy to the MTF defined earlier for opticalsystems,the CMTF for resists is defined asIn general CMTF MTF is required for the resist toresolve the aerial image.The aeria
24、l image and the resist contrast incombination,result in the quality of the latent imageproduced.(Gray area is“partially exposed”areawhich determines the resist edge sharpness.)影响曝光质量的一些其他因素影响曝光质量的一些其他因素光刻胶厚度的不均匀光刻胶厚度的不均匀 Resist thickness may vary across the wafer.This can lead to under or over expos
25、ure in some regions and hence linewidth variations.Reflective surfaces below the resist can set upreflections and standing waves and degraderesolution.入射光和光刻胶下面的表面层引起反射光驻波效应驻波效应影响曝光质量的一些因素驻波效应驻波效应(standing wave):当单色光对光致抗蚀剂进行曝光时，入射波和反射波之间干涉，在光刻胶层内产生光强周期性涨落的现象叫驻波。In some cases an antireflective coatin
26、g(ARC)can helpto minimize these effects.Baking the resist afterexposure,but before development can also help.表面反射表面反射(Surface Reflection)l当表面形貌不平时，图像的控制是一个严重问题。l由于光学在金属表面反射，使得光刻图形尺寸改变。l利用防反射层(Anti Reflection Coating,ARC)l光刻胶表面平面化。其它改善曝光质量的方法其它改善曝光质量的方法v多层光致抗蚀剂工艺（MLR工艺）(Multilayer Resist Processor)v增
27、强反差层光刻工艺(CEL)(Contrast Enhancement Layers)v无机光致抗蚀剂 (Inorganic Photoresists)GeSe,Ag,提高反差v光刻胶成分v光致抗蚀剂性能参数v光致抗蚀剂类型v光刻胶过程 8.4 光致抗蚀剂光致抗蚀剂(Resist)光刻胶过程光刻胶过程(1)衬底处理，烘烤。150C200C,去水；(2)涂一次黏附剂HDMS(3)旋转涂胶。3-6Krpm,(4)前烘。10-30min/90-100C(5)曝光。(6)显影(7)坚膜衬底处理衬底处理(substrate cleaning)a)表面清洁度b)平面度c)增粘处理 高温烘培 增粘剂处理 二甲
28、基二氯硅烷 和三甲基二硅亚胺涂胶涂胶(spin-coating)旋转涂胶,精确控制转速,加速度提供具有一定厚度和均匀性良好的光刻涂胶层 a)膜厚对分辨率的影响 膜越厚分辨率越低，但为了减少针孔，又需要膜厚。负胶的膜厚/线宽比为 1：21：3 正胶的膜厚/线宽比为1：1 b)膜厚对粘附力的影响 如膜太厚，曝光被上层胶吸收，引起下层光刻胶 曝光不足，在显影时下层胶会膨胀甚至溶解，影响光刻胶和衬底的粘附。前烘前烘(pre-bake)方式：热板和红外等 作用：去除光刻胶中的溶剂 改善胶与衬底的粘附性，增加抗蚀性，防止显影时浮胶和钻蚀 但不能发生热胶联显影显影 develop方法：湿法显影；干法显影湿法
29、显影液应具备的条件：*应去除的胶膜溶解度大，溶解的快*对要保留的胶膜溶解度小，溶解得慢*有害杂质少毒性小显影后要在显微镜下检查：*图形套准情况*边缘是否整齐*有无残胶，皱胶，易浮胶，划伤等 湿法显影的缺点：*显影液向抗蚀剂中扩散，刻蚀图形溶胀*显影液组份变化，引起显影液特性变化*硅片易沾污，作业环境差*成本较高干法显影干法显影 利用抗蚀剂的曝光部分和非曝光部分在特定的气体等离子体中有不同的反应，最后去除未曝光的部分（或曝光的部分），将曝光部分（或未曝光部分）保留一定厚度。后烘后烘 post-bake在一定温度下，将显影后的片子进行烘焙，去除显影时胶膜所吸收的显影液和残留水分，改善光刻胶的粘附性
30、和抗蚀能力 腐蚀腐蚀 etch去除显影后裸露出来的介质层（如SiO2,SiN4,多晶硅，Al等）腐蚀要考虑的问题(1)均匀性(2)方向性 从线宽角度，希望纵横向的蚀速比大，从台阶覆盖角度，希望纵横向的蚀速比小(3)选择性 本身材料和下层材料的腐蚀速率比(4)腐蚀速度(5)公害和安全措施(6)经济性 去胶去胶 strip溶剂去胶 H2O2:H2SO4=1:3氧化去胶 450oC O2+胶CO2+H2O等离子去胶 高频电场 O2电离OO O活性基与胶反应 CO2 CO H2O套准精度影响光刻套准精度的因素有l光刻机自身的定位精度（包括光学、机械、电子等系统的设计精度和热效应）l硅片的加工精度和硅片
31、在热加工过程中的形变l振动l环境温度变化l光刻胶的套准精度第八章第八章 光刻原理和技术光刻原理和技术Lithography 8.1 引 言 8.2 光刻工艺流程 8.3 光刻光学 8.4 光致抗蚀剂 8.5 先进的曝光技术8.5 8.5 先进的曝光技术先进的曝光技术l电子束曝光技术lX射线曝光技术 AE/4.1502/1 电子束曝光分辨率高，可加工分辨率高，可加工0.10.25微米图形微米图形 电子束波长与能量关系电子束波长与能量关系 E为为15Kev时时 0.1埃埃不要掩膜，容易配合不要掩膜，容易配合CAD，实现高度自动化实现高度自动化焦深大焦深大真空中进行，清洁度高真空中进行，清洁度高缺点
32、是产量小缺点是产量小广泛用于掩膜版的制造广泛用于掩膜版的制造X射线曝光射线曝光 这是一种用于深亚微米（可达0.1微米以下）工艺的光刻技术q优点优点波长应用范围0.52nm，分辨率高焦深大，工艺宽容度大有机尘粒缺陷不敏感q一般原理一般原理一种1：1的接近式光刻方法用X射线光源使含有对X线透明和不透明区的掩膜图形成像到涂有对X射线敏感的光刻胶的硅片表面，最终形成器件制作所需的图形。X 射线光源有二种射线光源有二种1.X 射线点光源射线点光源 用高能电子束轰击金属靶发射的用高能电子束轰击金属靶发射的X光光2.同步辐射光源同步辐射光源 电子在磁场沿曲线轨道运动发出电磁辐射电子在磁场沿曲线轨道运动发出电
33、磁辐射同步辐射X线光刻系统是以电子储存环为基础，加上光束线和光刻机构成的。包含下面几大技术包含下面几大技术1)同步辐射光源电子储存环技术 同步辐射光源是由电子同步加速器产生的强辐射，即电子储存环中以接近光速运动的电子在磁场作用下发生偏转时可以产生有一定波长范围的极强的X线辐射。2)光束线技术 光束线是从环引出和传输X线及进行真空隔离的重要部件3)X线光刻掩膜 掩膜衬基材料：Si,SixNy,BN,SiC等 吸收体材料：Au,W,Ta,W-Ti等4)X线光刻胶5)X线光刻设备 StepperFuture Trends Optical lithography will likely be extendible to the 0.10m generation(maybe further).Beyond that,there is no general agreement on whichapproach will work in manufacturing.Possibilities include e-beam,e-beam projection(SCALPEL),x-ray and EUV.New resists will also likely be required for thesesystems.
