光刻工艺1

1第六章光刻工艺（上篇）曾莹清华大学微电子学研究所[e-mail]2问题？„在同一集成电路制造流程中,经历了同样的一系列加工工艺后：如何在一片硅片上定义、区分和制造出不同类型、不同结构和尺寸的元件?„如何把这些数以亿计的元件集成在一起获得所要求的电路功能?„如何在同一硅片上制造出具有不同功能的集成电路？1980年的IC，最小特征尺寸为2µm3图形转移技术„前面学习过的工艺：氧化、扩散、离子注入、外延、CVD等共同的特点是：对整个硅圆片进行处理，不涉及到任何图形„图形转移技术——光刻和刻蚀„将IC电路设计信息转移到硅片上是IC制造技术的核心光刻是VLSI制造技术中最复杂、最昂贵和最关键的工艺。光刻工艺占整个VLSI制造成本的1/3甚至更多。4构成不同结构器件的IC图形层次示意5光刻的基本概念„光刻：用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，以实现后续的有选择刻蚀或注入掺杂。„工序：1.利用旋转涂敷法在硅片表面上制备一层光刻胶薄膜；2.将一束光通过掩模版对光刻胶进行选择性曝光;3.对光刻胶显影，将掩模版上的图形转移到光刻胶上。„光刻的三要素：1.掩模版2.光刻胶3.光刻机6用光学方法转移图形的示意7掩模版ƒ掩模版包含着预制造的集成电路特定层的图形信息，决定了组成集成电路芯片每一层图形的横向结构与尺寸。ƒ掩模版是光刻工艺复制图形的模板。ƒ掩模版是IC设计与IC制造之间的接口与桥梁。ƒ所用掩模版的数量决定了制造工艺流程中所需的最少光刻次数。一个典型的CMOS工艺所需的掩模版层数大约在15～20块，而某些BiCMOS工艺的掩模版层数则可能增加到28块。8„制作掩模版首先必须有版图。所谓版图就是根据电路、器件参数所需要的几何形状与尺寸，依据生产集成电路的工艺所确定的设计规则，利用计算机辅助设计（CAD）通过人机交互的方式设计出的生产上所要求的掩模图案。„设计规则主要解决两个问题：同一层几何图形之间的位置关系；不同层几何图形之间的位置关系。„对于每一层版图，版图设计规则将决定特定工艺所允许的最小特征尺寸、最小间隔、该层图形与其它层图形的最小覆盖或最小间隔等。9一组典型的设计规则示意7.17.27.37.48.3有源区多晶硅栅接触孔第1层金属7.1接触孔尺寸（固定值）1.0μm×1.0μm7.2最小接触孔间距1.2μm7.3最小有源区对接触孔覆盖1.2μm7.4最小接触孔－多晶硅栅间距0.8μm10制版程序：绘制版图→数据转换成图形发生器的专用文件（CIF文件、PG文件等）→驱动和控制图形发生器，以一定的间距和布局，将掩模图形印制于掩模材料上，进而制备出批量生产用的掩模版。根据使用的光刻机，掩模可以与最后完成的芯片上的图形有同样的尺寸或是该尺寸的整数倍，后者在曝光时掩模上的图形被缩小。通常缩小倍数为4和5。11掩模版的基本结构„基材是石英玻璃：具有低膨胀系数、低钠含量、高化学稳定性、高透光性等特点„玻璃表面镀上不透光的铬膜和减少反射的氧化铬膜„掩模版上有铬膜的地方光线不能通过；没有铬膜的地方光线可以通过„掩模版上通常盖有保护膜（Pellicle）12对掩模版的质量要求1.图形尺寸准确，符合设计要求；2.整套掩模版中的各块版应能依次套准，套准误差应尽可能小；3.图形黑白区域之间的反差要高；4.图形边缘要光滑陡直，过渡区小；5.图形及整个版面上无针孔、小岛、划痕等缺陷；6.坚固耐用，不易变形（热膨胀系数小）。掩模版上形成图形后，图形可通过与数据库对比检查进行确认。任何不希望有的铬可用激光烧化剥离。铬层的针孔可用额外的淀积来修理。13ƒ光刻掩模版上的缺陷密度，直接影响生产的成品率，一般有下面的公式：ƒ掩模版上的缺陷来自两个方面：¾掩模版图形本身的缺陷，如针孔、黑点、黑区突出、白区突出、边缘不均匀、刮伤等，其来源一般是在掩模版制作过程中引入的¾外来物附着在掩模版上，如颗粒、灰尘等()()nADY011+=其中，Y是成品率，D0是掩模版单位面积内的缺陷数，A是掩模版的图形面积，n是重要的掩模版层数14掩模版上的图形分类ƒ主电路图形ƒ独立的测试键（TestKey）：新产品研发期间使用ƒWAT图形：放在划片槽内，作为硅片完成前道工序后的电特性验收测试（WaferAcceptanceTest）ƒ工艺监控图形（ProcessMonitorPattern）：用于监控各次单步工艺的质量，如光刻工艺所需的线宽测试图形、对准测试图形等。ƒ标准对位图形：掩模版的坐标定位图形、对准曝光机使用的对位图形等。ƒ其它：如光刻掩模版的名称、条码、制造日期及其它特殊标识等。15„光刻技术的主体是光刻机（曝光机、对准机），它是将掩模版上的图形与前次工序中已刻在硅片上的图形对准后，再对硅片表面的光刻胶进行曝光实现图形复制的设备。光刻机的三个主要性能指标:„分辨率：是可以曝光出来的最小特征尺寸。通常指能分辨的并能保持一定尺寸容差的最小特征尺寸（3σ偏差不超过平均值的10％）。物理上的极限分辨率为λ/2。„套刻精度：是层间图形对准偏差的统计性度量，主要取决于光刻系统的图形定位和（掩模版和硅片的）支撑平台的移动控制精度。要求套刻精度的3σ上限不超过分辨率的1/5~1/3。„产率：指每小时可加工的硅片数，是判断光刻系统性能的一个重要的指标，直接决定了集成电路芯片的制造成本。光刻机对于特定的光刻机，分辨率、套刻精度、产量都不是一个固定值。16未来的硅技术对光刻工艺的要求摘自SIANTRS1997版17曝光光源„曝光光源的波长是光刻工艺的关键参数，其它条件相同时，波长越短，可曝光的特征尺寸越小。„曝光要求有一定的能量，且必须均匀的加在硅片上。为了保持合适的曝光时间，曝光波长下的光源必须有足够亮度。„汞灯光源在可见光和近紫外波长是有效的辐照源„曝光光源从最初的紫外光波段的多波长汞灯光源，发展到G线光源、90年代中期，采用I线光源的光刻机成为主流机型。光刻机的主要组成：曝光光源、光学系统和支撑定位平台I线光刻机的分辨率一般在0.35µm以上18„在深紫外（DUV，波长范围180nm～330nm）波段范围内，准分子激光是最亮的光源。„主要优点：输出的光波波长短，强度高，数个脉冲就可以完成图形的曝光要求，光束截面上的光强分布在视场范围非常好，谱线宽度窄，色差小，输出模式众多，光路设计上可以省去滤波部分等。„目前的主流技术中采用的是深紫外波段的KrF准分子激光光源和ArF准分子激光光源KrF-λ=248nm（用于0.25µm，0.18µm，0.13µm技术节点）ArF-λ=193nm（用于0.13µm，0.09µm技术节点）„正在研发波长为157nm的F2准分子激光光源和极紫外光（EUV，波长在100nm以下）光源F2-λ=157nm（预计用于90～45nm技术节点）EUV-λ=13.5nm（预计用于45nm以下技术节点）„对非光学光刻技术，X射线、电子束、离子束等新型曝光能源是研究的热点19„根据曝光方式的不同，光刻机可以分为接触式、接近式和投影式三种。20接触式光刻机„优点：结构简单、产量高、成本低，光的衍射效应最小而分辨率高，特征尺寸小。„主要缺点：容易造成掩模版和光刻胶的损伤。每一次接触都有可能在掩模版和光刻胶上造成缺陷。21接近式光刻机„掩模版悬浮在硅片表面的氮气气垫上，通过改变进入的氮气流量控制间隙.„由于掩模版和光刻胶之间存在一定的距离，经过掩模版后的光会发生衍射，从而使光刻的分辨率降低。„一般接触式、接近式曝光可做在同一个光刻机系统内，根据分辨率的要求来选择。接触式接近式掩模版－硅片间距零几～几十微米分辨率高低缺陷多较少套刻精度差差掩模版寿命短较长22„当掩模图形尺寸与曝光波长相当时，入射光会出现明显的衍射效应„对于一个宽度为W的单孔掩模，它与硅片之间的距离为g,当λgW2/λ时系统处于菲涅耳衍射的近场范围当gW2/λ时系统处于夫琅禾费衍射的远场范围„近场衍射范围内的分辨率公式其中，k是一个常数（与光刻胶有关，典型值接近于1）接近式光刻机系统中，硅片表面光强度与硅片位置的函数关系，间隙g从0增加到15µmgkWλ≈min对于20µm间隙，436nm曝光，接近式曝光的最小特征尺寸约为3.0µm。23投影式光刻机„采用光学投影的方法，将掩模版上的图形聚焦于硅片表面的光刻胶上进行曝光。„系统的数值孔径（NA）：NA=nsin(α)——代表着物镜收集衍射光的能力。α是物镜接收角的一半；n是物镜与硅片间媒介的折射率，空气中为１对于一个点光源，只有当λ→0，f→0，或d→∞时，才能形成点实像。24„分辨率R和焦深DOF是投影式光刻系统的两个最基本的参数，焦深是指沿着光通路，硅片可移动并能保持图形聚焦的距离。„投影光刻机的分辨率主要受到收集衍射光并形成光图形的光学链能力的限制——雷利（Rayleigh）判据。NAkRλ1=k1和k2为与系统和光刻胶等有关的常数，k1典型值在0.6~0.8，k2典型值在0.5~1。22NAkDOFλ=25„提高分辨率方法：减小曝光波长λ，增加透镜NA（即增加透镜尺寸）。„随着NA的增加，DOF以平方关系下降——需和分辨率一起折衷考虑。取λ＝365nm，k2=1若NA＝0.4，则DOF＝2.3µm；若NA＝0.6，则DOF＝1µm。对于一个直径200mm的硅片，表面形貌的高差通常会达到2µm甚至更大（除非进行平坦化处理）26投影系统的调制传输函数（MTF）„光栅：线条与间隔重复排列的图形，其周期称为节距（pitch）„衍射光强的叠加使硅片表面的归一化最大光强不再是1，最小光强也不再是零。„MTF的定义公式：MINMAXMINMAXIIIIMTF+−=„MTF反应了成像的光学反差，MTF越大，光学反差越好„光栅周期越短，MTF越小由于光刻胶的对比度特性，一般要求光学系统的MTF0.527光源的空间相干度„理想的点光源经过聚光镜后是理想的平行准直光，这种光源称为完全相干光源。„实际的曝光光源有一定的物理尺寸，因此是一个部分相干的光源。„空间相干度的定义：NANASS投影系统的聚光系统的或聚光镜直径光源直径≈≈实际的光学系统中，S典型值为0.5~0.7为什么S=0不是最佳的选择？（1）光强（2）MTF281:1扫描反射投影光刻机„光源通过一个窄的弧形对掩模和硅片进行曝光扫描。„通过掩模照射的弧形光经过两个球面反光镜反射，可以实现全反射。„设备简单，产量高。„由于NA小（0.2以下），分辨率一般在2µm左右；采用准分子激光光源，可将分辨率提高到1µm。29分布重复投影光刻机„采用折射式光学系统和4X~5X的缩小透镜，因此掩模版上的图形可以比实际硅片的图形大得多，这样可以消除由于掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应，能够克服小图形制版的困难。掩模版制造容易。„曝光场：一次曝光只有硅片的一部分，可以大大提高NA（0.7），并避免了许多与高NA有关的聚焦深度问题，提高了大直径硅片生产可行性。„采用分步对准聚焦技术，提高套刻精度。„主要问题：需要制造像差小，并对深紫外光高度透明的非常大的透镜，而这是非常困难的。产率较低也是一个问题。掩模版上的缺陷被缩小成像在硅片上，因此放宽了对掩模缺陷的尺寸要求。但是，掩模版上的一个缺陷会在所有曝光场内重复出现！30分步扫描投影光刻机„目前大多数先进光刻机已采用分步扫描投影技术，在一个曝光场中进行图形扫描曝光。„继承了扫描投影光刻机的优点：光学系统只需在更小的面积内更加完善，因此容易增大数值孔径NA。„同时具有分布重复光刻机的优点：用4X或5X的掩模版来简化对掩模板的制造要求，曝光场比硅片小得多，从而消除了硅片尺寸问题（可以局部对准）、简化了透镜系统的设计。3132习题1、某一投影曝光系统，其数值孔径为0.6，试计算并画出其理论分辨率和聚焦深度与曝光波长的关系曲线。假设k1=0.6,k2=0.5（以上假设的数值均为实际系统的典型值）。曝光波长从100nm到1000nm（DUV到可见光）。在你的曲线上标出常见的曝光波长（G线，I线，KrF和ArF）。根据这一曲线，你认为ArF光