第14章光刻对准与曝光

集成电路工艺第14章光刻：对准和曝光2/3/20231集成电路工艺目标解释光刻中对准和曝光的目的描述光学光刻中光的特性及光源的重要性解释分辨率，描述它的重要参数并讨论计算方法论述五代用于对准和曝光的设备描述投影掩膜版，如果制造，及在精细光刻中的应用论述用于短波长光刻的光学增强技术解释光刻中对准是怎样获得的2/3/20232集成电路工艺1.提纲1.概述2.光学光刻3.光刻设备4.混合和匹配5.对准和曝光质量测量2/3/20233集成电路工艺1.概述一个紫外光源一个光学系统一块由芯片图形组成的投影掩膜版一个对准系统一个覆盖光敏光刻胶的硅片2/3/20234集成电路工艺光刻机分布重复光刻机(step-and-repeataligner)光刻机(aligner)步进光刻机(stepper)2/3/20235集成电路工艺步进光刻机的目标使硅片表面和石英掩膜版对准并聚集通过对光刻胶曝光，把高分辨率的投影掩膜版上图形复制到硅片上在单位时间内生产出足够多的符合质量规格的硅片2/3/20236集成电路工艺2.光学光刻光学光刻一直是不断缩小芯片特征尺寸的主要限制因素。光刻的长命归功于设备和工艺的改进。2/3/20237集成电路工艺光在光学光刻中，需要一个光源来把版图投影到光刻胶上并引起光化学反应。光的实质是能被人眼看到的电磁波。光可用波长和频率来描述。v=λf2/3/20238集成电路工艺光波的干涉波本质上是正弦曲线。任何形式的正弦波只要有相同的频率就能相互干涉。相长干涉：两列波相位相同彼此相加相消干涉：两列波相位不同彼此相减2/3/20239集成电路工艺光学滤光器滤光器利用光的干涉阻止不需要的入射光，通过反射或干涉来获得一个特定波长。滤光器通常由玻璃制成，玻璃上面有一层或多层薄涂层。涂层的类型和厚度决定了什么波长的光会相消干涉而阻止进入玻璃。2/3/202310集成电路工艺曝光光源汞灯准分子激光2/3/202311集成电路工艺汞灯高压汞灯作为紫外光源被使用在所有常规的I线步进光刻机上。电流通过装有氙汞气体的管子产生电弧放电。这个电弧发射出一个特征光谱，包括240nm到500nm之间有用的紫外辐射。2/3/202312集成电路工艺汞灯强度峰UV光波长(nm)描述符CD分辨率(μm)436G线0.5405H线0.4365I线0.35248深紫外(DUV)0.252/3/202313集成电路工艺光的波长与工艺2/3/202314集成电路工艺光强和曝光剂量光强——单位面积的功率(mW/cm2)，光强在光刻胶的表面进行测量。曝光剂量——光强乘以曝光时间，表示光刻胶表面获得的曝光能量。2/3/202315集成电路工艺光刻胶的吸收问题光刻胶树脂对入射辐射过多的吸收是不希望的。如果光刻胶吸收过多，光刻胶底部接受的光强就会比顶部的少很多，这个差异导致图形测墙倾斜。要获得垂直测墙图形，光刻胶必须只吸收入射辐射的一小部分，一般<20%2/3/202316集成电路工艺准分子激光主要优点：可在248n深紫外及以下波长提供较大光强。准分子是不稳定分子，由惰性气体原子和卤素构成，如ArF，这里分子只存在于准稳定激发态。2/3/202317集成电路工艺常用准分子激光器材料波长(nm)最大输出（毫焦每脉冲）频率（脉冲每秒）脉冲长度（ns）CD分辨率（μm）KrF248300~150050025≤0.25ArF193175~30040015≤0.18F215761020≤0.152/3/202318集成电路工艺透镜材料透镜传统上由玻璃制成。对于波长248nm的深紫外光，一种合适的透镜材料是熔融石英，它在深紫外波长范围有较少的光吸收在193nm深紫外和157nm深紫外波长，可采用氟化钙(CaF2)2/3/202319集成电路工艺光的衍射光在传播路径中，遇到一个小孔或缝隙时，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。光的衍射和光刻密切相关。因为掩膜版上有细小图形并且间距很窄，衍射图样夺走了曝光能量，并使光发射，导致光刻胶上不要曝光的区域被曝光。2/3/202320集成电路工艺数值孔径一个透镜能够俘获一些衍射光。透镜收集衍射光的能力被称做透镜的数值孔径(numericalaperture,NA)。对于一个给定的透镜，NA测量透镜能够接收多少衍射光，并且把衍射光会聚到一点成像。NA越大就能把更多的衍射光会聚到一点。2/3/202321集成电路工艺数值孔径设备类型数值孔径(NA)数值反射式扫描投影光刻机0.25分布重复光刻机0.60～0.68步进扫描式光刻机0.60～0.682/3/202322集成电路工艺浸没式光刻技术在32纳米技术节点乃至进一步向下延伸时将要求193纳米浸没式光刻技术在一些领域，如高折射率液体，高折射率光学镜头材料以及高折射率光刻胶等方面取得突破性的进展浸没式光刻技术的魅力在于将折射率大于1的水介于镜头和硅片之间，从而赋予光刻设备更高的数值孔径，由此也进一步提升了193纳米光刻技术的分辨率极限。2/3/202323集成电路工艺更大的NA2/3/202324集成电路工艺干法光刻系统193纳米干法光刻系统TwinscanXT:1450是ASML最新推出的193nm干法光刻系统。数值孔径为0.93；新Aerial-PT投影光源支持高效偏振化，透镜象差控制和套刻精度水平的提高，使干法ArF光刻的分辨率延伸至57nm。TwinscanXT:1450产能达到了每小时143片晶圆TwinscanXT:1450还能采用两次图形曝光技术，助力用户开发32nm节点工艺。2/3/202325集成电路工艺抗反射涂层曝光光线通过投影掩膜版后在光刻胶上形成图案。如果光刻胶的底层膜是反光的（如金属和多晶硅层），那么光线将从这个膜层反射并有可能损害临近的光刻胶。这个损害对控制线宽产生不利影响。把一种抗反射层(ARC-antireflectivecoating)直接用于反射材料的表面来减小影响。2/3/202326集成电路工艺分辨率分辨率——清晰分辨出硅片上间隔很近的特征图形对的能力。R=kλ/NAK表示特殊应用的工艺因子，范围0.6-0.8影响分辨率的参数有哪些？如何提高分辨率？2/3/202327集成电路工艺焦深焦点周围的一个范围，在这个范围内图像连续地保持清晰，这个范围被称为焦深(DOF-DepthofFocus)焦点是沿透镜中心出现最佳图像的点，焦深是焦点上面和下面的范围。焦点可能不是正好在光刻胶层中心，但是焦深应该穿越光刻胶层上下表面。DOF＝λ/2(NA)22/3/202328集成电路工艺NA/R/DOFλNARDOF365nm0.45486nm901nm365nm0.60365nm507nm193nm0.45257nm476nm193nm0.60193nm268nm2/3/202329集成电路工艺3.光刻设备接触式光刻机(Contactaligner)接近式光刻机(Proximityaligner)扫描投影光刻机(Scanningprojectionaligner——scanner)分步重复光刻机(Step-and-repeataligner——Stepper)步进扫描光刻机(Step-and-scansystem)2/3/202330集成电路工艺接触式光刻机SSI时代线宽>5μm一旦掩膜版和硅片对准，掩膜版就开始和硅片表面的光刻胶涂层直接接触。因为掩膜版和光刻胶直接接触，颗粒沾污损坏了光刻胶层、掩膜版或两者都损坏了，每5次～25次操作就需要更换掩膜版。2/3/202331集成电路工艺接近式光刻机接近式光刻机从接触式光刻机发展而来。适用线宽2－4μm。掩膜版不与光刻胶直接接触，它与光刻胶表面接近，在掩膜版和硅片表面光刻胶之间大致有2.5-25μm的间距。接近式光刻试图缓解接触式光刻机的沾污问题，但当紫外光线通过掩膜版透明区域和空气时就会发散，减小了系统的分辨率。2/3/202332集成电路工艺扫描投影光刻机扫描投影光刻机试图解决沾污问题、边缘衍射、分辨率限制等问题。适用于线宽1μm的非关键层。它利用基于反射镜系统把1：1图像的整个掩膜图形投影到硅片表面。掩膜版图形和硅片上的图形尺寸相同。2/3/202333集成电路工艺分步重复光刻机分步重复光刻机只投影一个曝光场，然后步进到硅片上另一个位置重复曝光。主要用于图形形成关键尺寸小到0.35μm和0.25μm。投影掩膜版图形尺寸是实际像的4倍、5倍或10倍。这个缩写的比例使得制造投影掩膜版更容易。2/3/202334集成电路工艺步进扫描光刻机步进扫描光学光刻系统是一种混合设备，融合了扫描投影光刻机和分步重复光刻机技术。使用步进扫描光刻机曝光硅片的优点是增大了曝光场，可以获得较大的芯片尺寸。步进扫描光刻机的另一个重要优点是具有在整个扫描过程调节聚集的能力，使透镜缺陷和硅片平整度变化能够得到补偿。2/3/202335集成电路工艺投影掩膜版(reticle)投影掩膜版(reticle)只包括硅片上一部分图形（如4个芯片），这个图形必须通过分步重复来覆盖整个衬底。投影掩膜版用于分步重复光刻机和步进扫描光刻机。掩膜版(mask)包含了整个硅片上的芯片阵列并且通过单一曝光转印图形（1：1图像转印）。掩膜版用于较老的接近式光刻和扫描对准投影机光刻中。2/3/202336集成电路工艺ReticleVS.Mask参数投影掩膜版(reticle)掩膜版(mask)曝光次数多次曝光一次曝光关键尺寸在硅片上容易形成亚微米尺寸图形，由于版图尺寸较大(4:1,5:1)没有缩小的光学系统很难在掩膜版和硅片上形成亚微米尺寸图形曝光场小曝光场需要步进重复过程曝光场就是整个硅片掩膜版技术光学缩小允许较大的投影掩膜版尺寸——更易于复印掩膜版与硅片有相同的关键尺寸——更难于复印产量要求先进的自动化来步进和重复扫过整个硅片可能较高（要求自动化)芯片对准和聚集可以调节单个芯片的对准和聚集整个硅片对准，但没有单个芯片对准和聚焦缺陷密度增加产品但不允许reticle缺陷，其缺陷会在每个曝光场重复缺陷在硅片上不会多次重复2/3/202337集成电路工艺投影掩膜版的材料投影掩膜版衬底材料是熔融石英因为在深紫外光谱部分（248nm和193nm）有高光学透射，并且有非常低的温度膨胀。淀积在投影掩膜版上的不透明材料通常是一薄层铬。铬的厚度通常小于100nm并且是溅射淀积的。2/3/202338集成电路工艺投影掩膜版的制造通常用电子束形成图形。利用直写把存储的原始图形绘制成版图。在电子束光刻中光刻电子源产生许多电子，这些电子被加速并通过电或磁的方式被聚焦，并在涂有电子束胶的投影掩膜版上扫描形成所需要的图形。电子束可以扫描整个掩膜版（光栅扫描），也可以只扫描要光刻的区域（矢量扫描）在投影掩膜上形成图形。2/3/202339集成电路工艺掩膜版制备流程2/3/202340集成电路工艺相移掩膜技术(PSM)相移掩膜技术(PSM，Phase-ShiftMask)用来克服光通过掩膜版上小孔时发生衍射的问题。利用相消干涉减小光衍射。2/3/202341集成电路工艺像素化掩膜版2/3/202342集成电路工艺光学临近修正(OPC)光学临近修正(OPC,OpticalProximityCorrection)由于投影掩膜版上距离很近结构间的光衍射和干涉引起光学临近效应，光刻图像的线宽受附近结构影响。引入可选择的图像尺寸偏差到掩膜版图形上，来补偿光学临近效应，称为光学临近修正(OPC)。2/3/202343集成电路工艺增强型应变硅（StrainedSilicon）

应变硅，指的是一种仅有1.2纳米厚度的超薄氧化物层，利用应变硅代替原来的高纯硅制造晶体管内部的通道，可以让晶体管内的原子距离拉长，单位长度原子数目变少，当电子通过这些区域时所遇到的阻力就会减少，由此达到提高晶体管性能的目的。90纳米工艺中的应变硅实际上是使用硅锗（PMOS）和含镍的硅化物（NMOS）两种材料.处理器可以工作在更高的工作频率上2/3/202344集成电路工艺增强型应变硅（StrainedSilicon）2/3/202345集成电路工艺应变硅栅2/3/202346集成电路工艺对准(Alignment)为了成功地在硅片上形成图案，必须把硅片上的图形正确地与掩膜版上的图形对准。只有每个投影的图形都能正确地和硅片上的图形匹配，集成电路才有相应的功能。套准精度（套准）是测量对准系统把版图套刻到硅片上图形的能力。套准容差描述要形成的图形层和前层的最大相对位移。一般，套准容差为关键尺寸的三分之一。2/3/202347集成电路工艺光刻中的环境条件温度湿度振动大气压力颗粒沾污2/3/202348集成电路工艺4.混合和匹配(mixandmatch)关键层用高级工艺，如深紫外曝光化学放大深紫外光刻胶；非关键层用低级工艺，如I线步进光刻机曝光酚醛DNQ光刻胶。减少拥有成本(COO－CostofOwnership)2/3/202349集成电路工艺5.对准和曝光质量测量聚焦－曝光剂量光源的光强度步进和步进扫描光刻机的掩膜版对准图形分辨率投影掩膜版的质量2/3/202350集成电路工艺聚焦－曝光剂量缺陷类型：系统中不正确的聚焦-曝光。解决方法：检验来自光源的均匀性和最佳曝光在给定的聚焦位置下，进行与一系列曝光量对应的线条的CD测量修改聚焦位置并进行CD测量。最佳焦距下，曝出可接受剂量的变化范围检验光刻胶是否满足所有的质量参数2/3/202351集成电路工艺光源的光强度缺陷类型：在曝光场中不均匀的光强度。解决方法：在硅片的几个位置，检查光强度是否达到标准的能量和均匀性。鉴定光刻胶确保它不释放气体并结在光学器件上。因其会降低透镜的透光能力和像场的均匀性。2/3/202352集成电路工艺步进和步进扫描光刻机的掩膜版对准缺陷类型：掩膜版对准标记不能正确地与硅片标记对准解决方法：检查是否调用了适当的菜单检查是否装载了正确的投影掩膜版和硅片光刻机内部光学系统问题。如温度和压力变化影响了透镜的NA2/3/202353集成电路工艺图形分辨率缺陷类型：硅片上差的CD分辨率。线宽和孔不满足规范要