半导体制造工艺光刻下

1、半导体制造工艺光刻下22、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。DUV胶胶ARCg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。象。3驻波对于光刻图形的影响驻波对于光刻图形的影响4光刻步骤简述光刻步骤简述前烘前烘对准及曝光对准及曝光坚膜坚膜曝光后烘曝光后烘5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）匀胶机匀胶机涂胶：涂胶：30006000 rpm，0.51 m mm前烘：前烘：1030 min，

2、90100 C热板热板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。6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/cm2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Alignment markPrevious pattern7坚膜：坚膜：1030 min，100140 C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

3、去精度等，不合格则去胶返工。胶返工。8Stepper & Scan SystemCanon FPA-4000ES1: 248 nm, 8”wafer80/hr, field view: 25 mm33 mm, alignment: 70 nm, NA: 0.63, OAI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9图形转移图形转移刻蚀刻蚀10图形转移图形转移剥离（剥离（lift-off）11去胶去胶溶剂去胶 （strip）：Piranha (H2SO4:H2O2)。正胶：丙酮氧化去胶 450 C O2+胶CO2+H2O等离子去胶（Oxy

4、gen plasma ashing） 高频电场 O2电离OO O活性基与胶反应 CO2， CO ，H2O。干法去胶（干法去胶（Ash)12光源光源NGL: X射线(5)，电子束(0.62)，离子束(0.12 )光源波长(nm)术语技术节点汞灯436g线0.5mm汞灯365i线0.5/0.35mmKrF(激光)248DUV0.25/0.13mmArF (激光)193193DUV90/6532nmF2 (激光)157VUVCaF2 lenses激光激发Xe等离子体13.5EUVReflective mirrorsNAkR11、Using light source with shorter 提高分辨

5、率的方法提高分辨率的方法13248 nm157 nm13.5 nm193 nm142、Reducing resolution factor k1Phase Shift Mask Pattern dependent k1 can be reduced by up to 40 %NAkR1Normal Mask*EEI 1.相移掩模技术相移掩模技术 PSM (phase shift mask)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15Alternating PSMAttenuated PSM相移技术提高相移技术提高图形分辨率图形分辨率选择性腐蚀石英基板造成光学选择性腐

6、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i e2) 1/(5 . 0nd162.光学光刻分辨率增强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)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17OPC实例实例183、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MTF19Mask design and resis

7、t process nmk14360.83650.62480.3-0.41930.3-0.4NAkR1Resist chemistry436,365 nm: Photo-Active-Component (PAC)248,193 nm: Photo-Acid-Generator (PAG)Contrast436,365 nm: =2-3, (Qf/Q02.5)248,193 nm: =5-10 (Qf/Q01.3)4、光刻胶对比度改进、光刻胶对比度改进20Lens fabrication nmNA4360.15-0.453650.35-0.602480.35-0.821930.60-0.93N

8、AkR1State of the Art: =193 nm, k1=0.3, NA=0.93 R60 nm =1.36 R40 nmNumerical Aperture: NA=nsina aImmersion Lithography36. 144. 12NAnOHa anH2O5、增加数值孔径、增加数值孔径212223EUV超紫外光曝光超紫外光曝光24Minimum feature size Production20032005200720092011Technology Node 90 nm65 nm45 nm32 nm22 nmHalf pitch nm110 105 80 55 39

9、LG nm6042302116 193 nm 193 nmimmersion193 nm immersionwith higher n?pitchLGP. Bai, et. al., IEDM200525EUV（Extreme ultra violet)26反射式掩模版反射式掩模版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，在分辨率小于时，约为每小时10片晶片。这对

10、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。28光栅扫描（左）和矢量扫描29电子束光刻问题：电子束光刻问题：1）速度慢！）速度慢！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31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射电子束发射后, 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

11、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

12、剂量分布34X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。XRL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

13、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。3536X射线图形曝光的几何效应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。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供产率。根据半导体工业协会的设想，IC制作技术将在2010年时会达到50nm。对于每一代新技术，由于要求更小的特征尺寸与更严格的套准容差，图形曝光技术更成为推动半导体工业的关键性技术。39各种图形曝光技术的