半导体制造工艺 05光刻下

1、半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 光刻胶的一些问题光刻胶的一些问题 1、由于硅片表面高低起伏，可能造成曝光不足或过曝光。 、由于硅片表面高低起伏，可能造成曝光不足或过曝光。 1 线条宽度改变！线条宽度改变！ 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 2、下层反射造成驻波，下层散射降低图像分辨率。 、下层反射造成驻波，下层散射降低图像分辨率。 2 DUV胶 胶ARC g线和 线和i线胶线胶使使 用添加剂，吸光并用添加剂，吸光并 降低反射，曝光后降低反射，曝光后 显影前的烘烤也有显影前的烘烤也有 利于缓解其驻波现利于缓解其驻波现 象。

2、象。 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 驻波对于光刻图形的影响驻波对于光刻图形的影响 3 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 光刻步骤简述光刻步骤简述 4 前烘前烘 对准及曝光对准及曝光 曝光后烘曝光后烘 坚膜坚膜 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 光刻步骤详述光刻步骤详述 硅片硅片增粘处理 ?高温烘培 ?增粘剂处理 ：六甲基二硅胺烷 （HMDS） 5 匀胶机匀胶机 涂胶：涂胶：30006000 rpm，0.51 m mm 热板热板 前烘：前烘：1030 min，90100 ? ?C 去除

3、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。 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 硅片对准，曝光硅片对准，曝光 每个视场对准每个视场对准 曝光强度曝光强度150 mJ/cm 2 6 曝光后烘烤（曝光后烘烤（PEB）：）：10 min，100 ? ?C 显影：显影：3060 s 浸泡显影或浸泡显影或 喷雾显影喷雾显影 干法显影干法显影 Previous pattern Alignment mark 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 7 坚膜：坚膜：1030 min， 100 140 ? ?C

4、去除残余溶剂、显影时胶膜所吸收 的显影液和残留水分，改善光刻胶 的粘附性和抗蚀能力 显影检查：缺陷、玷显影检查：缺陷、玷 污、关键尺寸、对准污、关键尺寸、对准 精度等，不合格则去精度等，不合格则去 胶返工。胶返工。 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) Stepper & Scan System 8 透镜成本下降、透镜成本下降、 性能提升性能提升 视场大视场大 尺寸控制更好尺寸控制更好 变形小变形小 Canon FPA-4000ES1: 248 nm, 8”wafer 80/hr, field view: 25 mm 33 mm, alignment: ? ?7

5、0 nm, NA: 0.63, OAI 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 图形转移图形转移刻蚀刻蚀 9 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 图形转移图形转移剥离（剥离（lift-off） 10 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 去胶去胶 11 溶剂去胶 （strip）：Piranha (H2SO4:H2O2 )。 正胶：丙酮 氧化去胶 450 ?C O 2 +胶?CO 2? +H 2 O? 等离子去胶（Oxygen plasma ashing） 干法去胶（干法去胶（Ash) 高频电场 O

6、2? 电离O O O 活性基与胶反应 CO 2?， CO ?，H 2 O?。 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) ? 提高分辨率的方法提高分辨率的方法 R?k 1 NA 1 、Using light source with shorter ? ? 光源 汞灯 汞灯 KrF(激光) ArF ( 激光) F2 (激光) 激光激发Xe 等离子体 波长?(nm) 436 365 248 193 157 13.5 术语 g线 i线 DUV 193DUV VUV EUV 技术节点 0.5 mm 0.5/0.35 mm 0.25/0.13 mm 90/6532nm CaF

7、2 lenses Reflective mirrors 12 光源光源 NGL: X射线(5?)，电子束(0.62?)，离子束(0.12 ?) 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 13 248 nm 157 nm 193 nm 13.5 nm 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 2 、Reducing resolution factor k1 1.相移掩模技术 相移掩模技术 PSM (phase shift mask) Normal Mask 14 Phase Shift Mask ? R?k 1 NA * I ? ? E ?

8、 ? E 附加材料造成光学附加材料造成光学 路迳差异，达到反路迳差异，达到反 相相 Pattern dependent ? k1 can be reduced by up to 40 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) d?0 .5 ? /( n?1 ) 15 选择性腐蚀石英基板造成光学选择性腐蚀石英基板造成光学 路迳差异，达到反相路迳差异，达到反相 Alternating PSM Attenuated PSM 相移技术提高相移技术提高 图形分辨率图形分辨率 i e2 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 2.光学光刻分辨率增强

9、技术光学光刻分辨率增强技术 (RET) 光学临近修正光学临近修正OPC (optical proximity correction) 16 在光刻版上进行图形在光刻版上进行图形 修正，来补偿衍射带修正，来补偿衍射带 来的光刻图形变形来的光刻图形变形 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) OPC实例 实例 17 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 3、离轴照明技术 、离轴照明技术 OAI (off-axis illumination) 可以减小对分辨率的限制、增加成像的焦深且 可以减小对分辨率的限制、增加成像的焦深且 提高了提高了

10、MTF 18 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 4、光刻胶对比度改进 、光刻胶对比度改进 Resist chemistry 436,365 nm: Photo-Active-Component (PAC) 248,193 nm: Photo-Acid-Generator (PAG) 19 ? R?k 1 NA Mask design and resist process ? ? nm k1 436 365 248 193 0.8 0.6 0.3-0.4 0.3-0.4 Contrast 436,365 nm: ?=2-3, (Qf/Q0?2.5) 248,1

11、93 nm: ?=5-10 (Qf/Q0?1.3) 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 5、增加数值孔径 、增加数值孔径 Lens fabrication ? ? nm NA 436 365 248 193 0.15-0.45 0.35-0.60 0.35-0.82 0.60-0.93 Immersion Lithography 20 n a a H2O Numerical Aperture: NA=nsina a ? R?k 1 NA n H2O ? 1 .44 ? NA ? 1 .36 State of the Art: ?=193 nm, k1=0.3,

12、 NA=0.93 ? R?60 nm =1.36 ? R? 40 nm 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 21 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 22 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) EUV 23 超紫外光曝光超紫外光曝光 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 24 Minimum feature size Production 2003 2005 2007 Technology 90 nm 65 nm 45 nm Node Half pitch nm

13、110 105 80 LG nm 60 42 30 ?193 nm 2009 32 nm 55 21 2011 22 nm 39 16 ? ? ?193 nm immersion ?193 nm immersion with higher n? pitch LG P. Bai, et. al., IEDM2005 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) EUV（ （Extreme ultra violet) 25 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 反射式掩模版反射式掩模版 26 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理

14、 ( (下下) ) 27 电子束图形曝光 电子束图形曝光主要版。 用于掩模版的制作，只有相当少数装置用于将电子束直接对抗蚀剂曝光 而不需掩模 优点：可以参数亚微米的几何抗蚀剂图案、高自动化及高精度控制的操 作、比光学图形曝光有较大的聚焦深度与不同掩模版可直接在半导体晶 片上描绘图案。 缺点：电子束光刻机产率低，在分辨率小于0.25um时，约为每小时10片 晶片。这对生产掩模版、需求量小的定制电路或验证性电路是足够了。 而对不用掩模版的直写形成图案方式，设备必须尽可能提供产率，故要 采用与器件最小尺寸相容的最大束径。 聚焦电子束扫描主要分成两种形式：光栅扫描、向量扫描。 半导体制备工艺基础 第四

15、章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 28 光栅扫描（左）和矢量扫描 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 电子束光刻问题：电子束光刻问题：1）速度慢！）速度慢！ 29 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 30 电子束光刻问题：电子束光刻问题：2）电子散射及二次电子：线条宽）电子散射及二次电子：线条宽 束斑 束斑 ?真空下工作真空下工作 ?焦深大焦深大 ?直写，无掩膜版直写，无掩膜版 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 电子束源：电子束源： 热电子发射热电子发射 场发射场发射 光发射光发

16、射 31 ?电子束发射后, 被准 直或聚焦，然后加速 到 20 kV ?束斑直径 100 ? ?和离子注入类似 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 32 电子束抗蚀剂 电子束抗蚀剂是一种聚合物，其性质与一般光学用抗蚀剂类似。换言之， 通过光照造成抗蚀剂产生化学或物理变化，这种变化可使抗蚀剂产生图 案。 PMMA和 和PBS 分辨率可达分辨率可达0.1 微米或更好微米或更好 COP 分辨率可达分辨率可达1 微米左右微米左右 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 33 邻近效应 在光学图形曝光中，分辨率的好坏是由衍射来决定的。在电子

17、束图形曝 光中，分辨率好坏是由电子散射决定的。当电子穿过抗蚀剂与下层的基 材时，这些电子将经历碰撞而造成能量损失与路径的改变。因此入射电 子在行进中会散开，直到能量完全损失或是因背散射而离开为止。 100个能量为20keV的电子 在PMMA中的运动轨迹模拟 在抗蚀剂与衬底界面间，正向散射 与背散射的剂量分布 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 34 X射线图形曝光（XRL） XRL图形曝光极有潜力继承光学图形曝光来制作100nm的集成电路。当 利用同步辐射光储存环进行批量生产时，一般选择X射线源。它提供一个 大的聚光通量，且可轻易容纳10-20台光刻机。 XR

18、L是利用类似光学遮蔽接近式曝光的一种遮蔽式曝光。 掩模版为XRL系统中最困难且关键的部分，而且X射线掩模版的制作比光 学掩模版来得复杂。为了避免X射线在光源与掩模版间被吸收，通常曝光 都在氦的环境下完成。 可以利用电子束抗蚀剂来作为X射线抗蚀剂，因为当X射线被原子吸收， 原子会进入激发态而射出电子。激发态原子回到基态时，会释放出X射线， 此X射线被原子吸收，故此过程一直持续进行。所有这些过程都会造成电 子射出，所以抗蚀剂在X射线照射下，就相当于被大量的二次电子照射。 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 35 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理

19、( (下下) ) 36 X射线图形曝光的几何效应 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 37 离子束图形曝光 离子束图形曝光比光学、X射线与电子束图形曝光技术有更高的分辨率， 因为离子有较高的质量而且比电子有较小的散射。最主要的应用为修补 光学图形曝光用的掩模版。下图为60keV的50个氢离子注入PMMA及不同 衬底中的电脑模拟轨迹。 半导体制备工艺基础 第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (下下) ) 38 不同图形曝光方法的比较 先前讨论的图形曝光方法，都有100nm的或更好分辨率。每种都有其限 制：光学法的衍射现象、电子束的邻近效应、X射线的掩模版制作复杂、 EUV的掩模版空片的制作困难、离子束的随机空间电荷效应。 对于IC的制造，多层掩模版是必需的，然而，所有的掩模版层并不需要 都用相同的图形曝光方法。采用混合与配合的方法，可利用每一种图形 曝光工艺的优点来改善分辨率与提