半导体制造工艺-04光刻概要优秀PPT.ppt

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1、半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)光刻的作用和目的光刻的作用和目的图形的产生和布局图形的产生和布局1半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)光刻的定义光刻的定义 光刻是一种光刻是一种图形复印图形复印和和化学腐蚀化学腐蚀相结合的精密相结合的精密表面加工技术。用表面加工技术。用照相复印的方法将掩模版上的图案照相复印的方法将掩模版上的图案转移到硅片表面的光刻胶上转移到硅片表面的光刻胶上，以实现后续的有选择，以实现后续的有选择刻刻蚀或注入掺杂蚀或注入掺杂 光刻的目的光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图属薄膜上

2、面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，形，把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构构,从而实现从而实现选择性扩散选择性扩散和和金属薄膜布线金属薄膜布线的目的的目的。2半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)集成电路的特征尺寸是否能够进一步减小，也与光刻技术的进一步发展有亲密的关系。通常人们用特征尺寸来评价一个集成电路生产线的技术水平。所所谓谓特征尺寸（特征尺寸（CD：characteristic dimension）是指）是指设计设计的多晶硅的多晶硅栅长栅长，它，它标记标记了了器件工器件工艺艺的的总总体水平，是体水平，是设计规则设计规则的主要部分。的主要

3、部分。通常我们所说的通常我们所说的0.13 m,0.09 m工艺就是工艺就是 指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。3半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)光刻的要求光刻的要求对光刻的基本要求：对光刻的基本要求：（1 1）高辨别率）高辨别率 （2 2）高灵敏度）高灵敏度 （3 3）精密的套刻对准）精密的套刻对准 （4 4）大尺寸硅片上的加工）大尺寸硅片上的加工 （5 5）低缺陷）低缺陷 4半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)1.高辨别率高辨别率辨别率是将硅片上两个邻近的特征图形区辨别率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的实力，即对光刻工

4、艺中可以达到分开来的实力，即对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标记之一。精度和清晰度的标记之一。随着集成电路的集成度提高，加工的线条随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越细，对辨别率的要求也越来越高。越来越细，对辨别率的要求也越来越高。通常以每毫米内能刻蚀出可辨别的最多线通常以每毫米内能刻蚀出可辨别的最多线条数目来表示。条数目来表示。5半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)2.2.高灵敏度高灵敏度灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高产量灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高产量,要求光刻周期越短越好，这就要求曝

5、光时间越短要求光刻周期越短越好，这就要求曝光时间越短越好，也就要求高灵敏度。越好，也就要求高灵敏度。3.3.精密的套刻对准精密的套刻对准集成电路制作须要十多次甚至几十次集成电路制作须要十多次甚至几十次光刻，每次光刻都要相互套准。光刻，每次光刻都要相互套准。由于图形的特征尺寸在亚微米数量级由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，因此，对套刻要求很高。要求套上，因此，对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸的刻误差在特征尺寸的1010左右。左右。6半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)4.大尺寸硅片的加工大尺寸硅片的加工提高了经济效益提高了经济效益但是要在大面积的晶圆上实现匀整的胶膜涂覆，但是

6、要在大面积的晶圆上实现匀整的胶膜涂覆，匀整感光，匀整显影，比较困难匀整感光，匀整显影，比较困难高温会引起晶圆的形变，须要对四周环境的温高温会引起晶圆的形变，须要对四周环境的温度限制要求特别严格，否则会影响光刻质量度限制要求特别严格，否则会影响光刻质量5.低缺陷低缺陷缺陷会使电路失效，因此应当尽量削减缺陷缺陷会使电路失效，因此应当尽量削减缺陷7半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)光学图形曝光干净室在集成电路制造中，主要的图形曝光设备是利用紫外光=0.2-0.4m的光学仪器。主要探讨曝光装置、掩模版、抗蚀剂与辨别率。尘埃粒子在掩模版图案上所造成的不同腐蚀的影响在IC制造中必须要求干净的

7、厂房，特殊是图形曝光的工作区域，因为尘埃可能会粘附于晶片或掩模版上造成器件的缺陷从而是电路失效。8半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)35的成的成原来自于原来自于光刻工艺光刻工艺图形转移技术组成：图形转移技术组成：掩膜版掩膜版/电路设计电路设计掩膜版制作掩膜版制作光刻光刻光源光源曝光系统曝光系统光刻胶光刻胶 用于IC制造的掩模版通常为缩小倍数的掩模版。掩模版的第一步为设计者用CAD系统完整地将版图描绘出来。然后将CAD得到的数据信息传送到电子束图形曝光的图形产生器。再将图案干脆转移至对电子束敏感的掩模版上。掩模版是由融凝硅土的基底覆盖一层铬膜组成。电路图案先转移至电子敏感层进而转移

8、至底下的铬膜层，掩模版便完成了9半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)IC掩模版10半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)空间图像空间图像潜潜在图在图像像11半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)掩膜版制作掩膜版制作CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形数字图形数字图形4或或5投影光刻投影光刻版版投影式光刻投影式光刻1掩膜版制作掩膜版制作接触式、接近式光刻接触式、接近式光刻12半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)电子束直写电子束直写熔融石英玻璃片熔融石英玻璃片80nmCr1015nmARC（anti-

9、reflection coating）光刻胶光刻胶高透亮度（散射小）高透亮度（散射小）热膨胀小热膨胀小4或或5投影光刻版在投影光刻版在 制版时简洁检查缺陷制版时简洁检查缺陷版上缺陷可以修补版上缺陷可以修补蒙膜蒙膜(pellicle)爱护防止爱护防止颗粒玷污颗粒玷污13半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)掩模版制作过程掩模版制作过程12.Finished14半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)成品率成品率Y:D0:单位面积缺陷数，单位面积缺陷数，Ac:芯片面积，芯片面积，N:掩膜版层数掩膜版层数15半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)光刻机光刻机的性能由三个参

10、数推断：辨别率、套准精度与产率。辨别率：能精确转移到晶片表面抗蚀剂膜上图案的最小尺寸；套准精度：后续掩模版与从前掩模版刻在硅片上的图形相互对准的程 度；产率：对一给定的掩模版，每小时能曝光完成的晶片数量。光学曝光方法：遮挡式曝光和投影式曝光。遮挡式曝光：可分为掩模版与晶片干脆接触的接触式曝光和二者紧密相 邻的接近式曝光。若有尘埃或硅渣嵌入掩模版中，将造成掩 模版永久性损坏，在后续曝光的晶片上形成缺陷。投影式曝光：在掩模版与晶片间有一距离，10-50um。但这一间隙会在掩 模版图案边缘造成光学衍射。导致辨别率退化。16半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)三种硅片曝光模式及系统三种硅片

11、曝光模式及系统接触式接触式接近式接近式投影式投影式1:1曝光系统曝光系统17半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)步进投影式光刻机原理图步进投影式光刻机原理图10:15:11:1步进扫描光刻机步进扫描光刻机18半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)DSWdirect step on wafer19半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)接触式和接近接触式和接近式式近场衍近场衍射（射（Fresnel）像平面靠近孔像平面靠近孔径，二者之间径，二者之间无镜头系统无镜头系统曝光系统曝光系统20半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)接触和接近式接触和接近式Fresn

12、el衍射理论适用衍射理论适用的间隔范围：的间隔范围：最小辨别尺寸最小辨别尺寸g10 m，365 nm（i线）时，线）时，Wmin 2 m21半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)对遮挡式曝光，最小线宽（临界尺寸）可用下式表示其中，是曝光光源的波长，g是掩模版与晶片间的间隙距离。当与g减小时，可以得到lCD缩小的优势。然而，当给定一个g，任何大于g的微尘粒子都会对掩模版造成损坏。22半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)投影式投影式远场衍远场衍射（射（Fraunhofer）像平面远离孔径，像平面远离孔径，在孔径和像之间设在孔径和像之间设置镜头置镜头爱里斑爱里斑23半导体制备工

13、艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)瑞利给出恰可辨别两个物点的判据：瑞利给出恰可辨别两个物点的判据：点物点物S1的爱里斑中心恰好与另一个点物的爱里斑中心恰好与另一个点物S2的爱里斑的爱里斑边缘（第一衍射微小）相重合时，恰可辨别两物点。边缘（第一衍射微小）相重合时，恰可辨别两物点。S1S2S1S2S1S2可分辨可分辨不可分辨不可分辨恰可分辨恰可分辨100%73.6%辨别率辨别率24半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)两个爱里斑之间的辨别率两个爱里斑之间的辨别率(瑞利判据瑞利判据):数值孔径：收集衍射数值孔径：收集衍射光的能力。光的能力。n为折射率为折射率辨别率辨别率k1提高辨别率：提

14、高辨别率：NA，k1理论计算人眼爱里斑理论计算人眼爱里斑20 m辨别率：辨别率：100 m25半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)由于有较高的光强度与稳定度，高压汞灯被广泛用作曝光光源。26半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)投影式投影式基本参数：基本参数：辨别率辨别率(resolution)焦深焦深(depth of focus)视场视场(field of view)调制传递函数调制传递函数(MTFmodulation transfer function)套刻精度套刻精度(alignment accuracy)产率产率(throughput)光学系统决定光学系统决定

15、机械设计机械设计27半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)为轴上光线到极限聚焦位置的光程差。依据瑞利判据：为轴上光线到极限聚焦位置的光程差。依据瑞利判据：很小时，很小时，焦深焦深NA，焦深，焦深 焦深焦深28半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)焦深焦深焦平面焦平面光刻胶光刻胶IC技术中，焦深只有技术中，焦深只有1 m，甚至更小，甚至更小29半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)光刻胶光刻胶光刻胶的作用：对于入射光光刻胶的作用：对于入射光子有化学变更，通过显影，子有化学变更，通过显影，从而实现图形转移。从而实现图形转移。灵敏度：单位面积的胶曝光灵敏度：单位面积的胶

16、曝光所需的光能量：所需的光能量：mJ/cm2负胶负胶烃基高分子材料烃基高分子材料正胶辨别率高于负胶正胶辨别率高于负胶抗蚀性：刻蚀和离子注入抗蚀性：刻蚀和离子注入正胶正胶IC主导主导30半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)正性光刻胶受光或紫外线照射后感光的部分发生光分解反应，可溶于显影液，未感光的部分显影后仍旧留在晶圆的表面 负性光刻胶的未感光部分溶于显影液中，而感光部分显影后仍旧留在基片表面。正胶：曝光前不行溶，曝光后正胶：曝光前不行溶，曝光后 可溶可溶负胶：曝光前负胶：曝光前 可溶，曝光后不行溶可溶，曝光后不行溶 光刻胶对大部分可见光敏感，光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。

17、对黄光不敏感。因此光刻通常在因此光刻通常在黄光室黄光室（Yellow Room）内进行。）内进行。31半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)負光阻負光阻正光阻正光阻32半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)汞灯汞灯436nm(g线线)和和365nm(i线线)光刻胶的组成光刻胶的组成（正胶（正胶positive photoresist,DNQ）a)基底：树脂基底：树脂 是一种低分子量的酚醛树脂是一种低分子量的酚醛树脂(novolac,a polymer)本身溶于显影液，溶解速率为本身溶于显影液，溶解速率为15 nm/s。b)光敏材料（光敏材料（PACphotoactive c

18、ompounds)二氮醌二氮醌(diazoquinone,DQ)DQ不溶于显影液，光刻胶在显影液中的溶解速率为不溶于显影液，光刻胶在显影液中的溶解速率为 12 nm/sec光照后，光照后，DQ结构发生重新排列，成为溶于显影液的烃基酸（结构发生重新排列，成为溶于显影液的烃基酸（TMAH四甲基氢氧化铵四甲基氢氧化铵典型显影液）典型显影液）光照后，光刻胶在显影液中的溶解速度为光照后，光刻胶在显影液中的溶解速度为100200nm/s c)溶剂溶剂 是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纤剂的混合物，用于调整光刻是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纤剂的混合物，用于调整光刻胶的粘度。胶的粘度。前烘后膜上树脂前烘后膜上树脂:P

19、AC1:133半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)负胶负胶(Negative Optical Photoresist)当当VLSI电路需辨别率达电路需辨别率达2 mm之前，基本上是接受负性光刻之前，基本上是接受负性光刻胶。胶。负胶在显影时线条会变粗，使其辨别率不能达到很高。负胶在显影时线条会变粗，使其辨别率不能达到很高。但在辨别率要求不太高的状况，负胶也有其优点：但在辨别率要求不太高的状况，负胶也有其优点：对衬底表面粘附性好对衬底表面粘附性好抗刻蚀实力强抗刻蚀实力强曝光时间短，产量高曝光时间短，产量高工艺宽容度较高工艺宽容度较高（显影液稀释度、温度等）（显影液稀释度、温度等）价格较

20、低价格较低（约正胶的三分之一）（约正胶的三分之一）34半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)负胶的组成部分：负胶的组成部分：a)基底：合成环化橡胶树脂基底：合成环化橡胶树脂 (cyclized synthetic rubber risin)对光照不敏感，但在有机溶剂如甲苯和二甲苯中溶解很快对光照不敏感，但在有机溶剂如甲苯和二甲苯中溶解很快b)光敏材料光敏材料 PAC：双芳化基双芳化基(bis-arylazide)当光照后，产生交联的三维分子网络，使光刻胶在显当光照后，产生交联的三维分子网络，使光刻胶在显影液中具有不溶性。影液中具有不溶性。c)溶剂：芳香族化合物溶剂：芳香族化合物(ar

21、omatic)负胶显影液负胶显影液35半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)36半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)光刻胶的表征参数：光刻胶的表征参数：1、对比度：胶区分亮区和暗区的实力、对比度：胶区分亮区和暗区的实力mJ/cm2=mW/cm2sec37半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)(1)曝光、显影后残存抗蚀剂的百分率与曝光能量有关。值得留意的是，即使未被曝光，少量抗蚀剂也会溶解。(2)当曝光能量增加，抗蚀剂的溶解度也会增加，直到阈值能量ET时，抗 蚀剂完全溶解。(3)正抗蚀剂的灵敏度定义为曝光区域抗蚀剂完全溶解时所需的能量。除 ET外，另一称为反差比（）参数也用来表征抗蚀剂。值越大，即表示曝光能量增加时，抗蚀剂溶解度增加越快，可得陡峭的图形。38半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻(上上)本节课主要内容本节课主要内容基于衍射理论的光刻原理基于衍射理论的光刻原理投影式（远场衍射）：辨别率、投影式（远场衍射）：辨别率、焦深、焦深、MTF、不相干度、不相干度S接触接触/接近式（近场衍射）接近式（近场衍射）:最小尺最小尺寸寸光刻胶：正胶光刻胶：正胶/负胶负胶光刻胶的组成光刻胶的组成i线线/g线（线（PAC）DUV（PAG）掩模版制作掩模版制作光刻机工作模式：光刻机工作模式：接触式，接近式，投接触式，接近式，投影式影式39