第15章光刻-光刻胶显影和先进的光刻技术【课件】

2020/6/10集成电路工艺1第15章光刻：光刻胶显影和先进的光刻技术2020/6/10集成电路工艺2目标•如何对光刻胶进行曝光后烘培以及原因•描述光刻胶的正负胶显影工艺•列出两种最普通光刻胶显影方法和关键的显影参数•陈述显影后要进行坚膜的原因•解释显影后检查的好处•列出并描述4种不同的先进光刻技术及面临的挑战2020/6/10集成电路工艺3提纲•1.引言•2.曝光后烘培•3.显影•4.坚膜•5.显影检查•6.先进的光刻技术•7.显影质量测量2020/6/10集成电路工艺41.引言•通过显影液将可溶解的光刻胶溶解掉就是光刻胶显影，显影除去了由曝光造成的可溶解的光刻胶。•光刻胶显影的目的是在光刻胶中获得准确的掩膜版图案的复制，同时保证光刻胶粘附性可接受。•光刻胶显影和检查是进入下一步刻蚀或离子注入之前的图形转移工艺的中间步骤。光刻胶图形的质量决定了随后工艺的成功与否。•光刻胶的显影步骤依赖于它是正胶或负胶，是常规I线胶(DNQ线性酚醛数值)或化学放大深紫外线光刻胶(CADUV)。•亚微米光刻通常使用正胶，非关键层一般用常规I线胶，关键层通常用深紫外线光刻胶。2020/6/10集成电路工艺52.曝光后烘培•曝光后的硅片从曝光系统转移到硅片轨道系统后，需要进行短时间的曝光后烘培（PEB）。•为了促进关键光刻胶的化学反应，对CADUV光刻胶进行后烘是必需的。•对于基于DNQ化学成分的常规I线胶，进行后烘的目的是提高光刻胶的粘附性并减少驻波。2020/6/10集成电路工艺6DUV曝光后烘培•后烘的温度均匀性和持续时间是影响DUV光刻胶质量的重要因素。•后烘时，硅片被放在自动轨道系统的一个热板上，处理的温度和时间需要根据光刻胶的类型确定。•典型的后烘温度在90℃至130℃之间，时间约为1至2分钟。2020/6/10集成电路工艺7常规I线胶PEB•曝光后烘减少了光刻胶中剩余的溶剂，从曝光前的7％～4％减少到了5％～2％。•曝光后烘减少了曝光过程中的驻波缺陷。•驻波是由于入射光产生干涉造成的，入射光与从衬底反射回来的光在光刻胶中干涉产生不均匀的光强，导致光刻胶的侧面产生驻波。2020/6/10集成电路工艺83.显影•用化学显影液溶解由曝光造成的光刻胶的可溶解区域就是光刻胶显影，其主要目的是把掩膜版图形准确复制到光刻胶中。•显影的要求重点是产生的关键尺寸达到规格要求。•如果不正确地控制显影工艺，光刻胶图形就会出现问题。三个主要缺陷：显影不足、不完全显影和过显影。2020/6/10集成电路工艺9光刻胶显影问题2020/6/10集成电路工艺10负胶•负胶通过紫外线曝光发生交联(crosslink)或变硬，使曝光的光刻胶变得在显影液中不可溶解。•对于负胶显影工艺，显影过程中几乎不需要化学反应，主要包括未曝光的光刻胶的溶剂清洗。未曝光的光刻胶由于没有发生交联，因此很软而且可溶解。•显影液通常是一种有机溶剂（如二甲苯）。显影后用清洗液去除剩余的显影液，以确保显影工艺停止。2020/6/10集成电路工艺11正胶•由于提高了线宽分辨率，正胶是亚微米工艺制造中最普遍的光刻胶。•两种类型的正胶：常规DNQI线胶和化学放大DUV光刻胶。•显影液溶解光刻胶的速度称为溶解率或者显影速度。高的溶解率有助于生产率的提高，但太高的溶解率会影响光刻胶的特性。•显影液具有选择性，高的显影选择比意味着显影液与曝光的光刻胶反应得快，而与未曝光的光刻胶反应得慢。高密度的图形需要高选择比的显影液。2020/6/10集成电路工艺12正胶显影液•显影液通常用碱性溶液•早期：NaOH或KOH水溶液，但这两种显影液都包含有可动离子沾污(MIC)，对于对污染很敏感的高特性集成电路是不可接受的。•改用四甲基氢氧化铵（TMAH），这种显影液的金属离子浓度非常低，避免了硅片表面MIC的注入。2020/6/10集成电路工艺13显影方法•连续喷雾(continuousspray)显影•旋覆浸没(puddle)显影2020/6/10集成电路工艺14连续喷雾(continuousspray)显影•一个或多个喷嘴喷洒显影液到硅片表面，真空吸盘上的单个硅片以很慢的速度旋转。•显影液以雾的形式喷洒。•喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间光刻胶溶解率和均匀性的可重复性的关键可变因素。2020/6/10集成电路工艺15旋覆浸没(puddle)显影•旋覆浸没显影碰到硅片上的少量显影液形成了水坑形状。•为了获得最佳特性，显影液的流动必须保持很低，以减少硅片边缘显影速率的变化。这正是旋覆浸没显影的优点。2020/6/10集成电路工艺16光刻胶显影参数•显影温度•显影时间•显影液量•硅片吸盘•当量浓度•清洗•排风2020/6/10集成电路工艺174.坚膜•显影后的热烘培称为坚膜烘培，目的是蒸发掉剩余的溶剂使光刻胶变硬。•坚膜提高了光刻胶对硅衬底的粘附性，为下一步的工艺加工做好了准备，如提高光刻胶抗刻蚀能力。坚膜也除去了剩余的显影液和水。•通常的坚膜温度正胶130℃，负胶150℃。2020/6/10集成电路工艺185.显影检查•显影检查是为了查找光刻胶中成形图形的缺陷。继续进行随后的刻蚀或离子注入工艺之前必须进行检查以鉴别并除去有缺陷的硅片。•将硅片表面的光刻胶剥离，然后重新进行光学光刻工艺的过程称为硅片返工。2020/6/10集成电路工艺196.先进的光刻技术•减小紫外光源波长•提高光学光刻工具的数值孔径•化学放大深紫外光刻胶•分辨率提高技术（如相移掩膜和光学邻近修正）•硅片平坦化（CMP）以减小表面凹凸度•光学光刻设备的先进性（如步进光刻机或步进扫描光刻机）2020/6/10集成电路工艺20下一代光刻技术•极紫外（EUV）光刻技术•角度限制投影电子束光刻技术(SCALPEL)•离子束投影光刻技术（IPL）•X射线光刻技术2020/6/10集成电路工艺21极紫外（EUV）光刻技术•极紫外(ExtremeUV)•使用激光产生等离子源产生约13nm的紫外波长。这种光源工作在真空环境下以产生极紫外射线，然后由光学聚焦形成光束。•挑战：精密光学系统很难实现高质量表面的严格要求。反射镜反射率需要通过精确的多层表面涂层来最优化。对准方面，对于采用100nm设计规则的器件，总的套准容差大约为35nm。所有设备均工作在真空环境下。2020/6/10集成电路工艺22角度限制投影电子束光刻技术(SCALPEL)•角度限制投影电子束光刻（SCALPEL－SCatteringwithAngularLimitationProjectionElectronBeamLithograhpy)•用电子束源代替了光源来成像硅片图形。•当电子束通过一个掩膜版中的高原子数目层时，该层散射出电子在硅片平面形成一个高对比度的图形。•SCALPEL为线性复制，用步进扫描直写方式产生曝光光刻胶条纹。这种方式要求好的套准精度。2020/6/10集成电路工艺23SCALPEL系统结构•SCALPEL系统主要由电子束光源、干涉仪、掩模工作台、透镜、拼接偏转器、芯片工作台和扫描装置等部件组成。2020/6/10集成电路工艺24SCALPEL工作原理•SCALPEL中平行的电子束入射到由极薄的SiNx薄膜和薄的高原子序数组成的掩模上，穿过氮化硅膜的电子基本不散射，相反穿过金属膜的电子散射严重。这些电子再经过磁透镜聚焦后穿过一个置于焦平面上的角度限制光阑，此时散射严重的电子透过率很低，相反地，低散射电子则基本上穿过去了。所有这些电子再通过一个磁透镜形成平行束，这样就形成了高反差图形。2020/6/10集成电路工艺25离子束投影光刻技术（IPL）•离子束投影光刻技术(IPL,IonProjectionLithography)•用离子束进行光刻胶曝光，或者通过掩膜，或者用精确聚焦的离子束连续在光刻胶上直写。•IPL用多电极静电光学系统将氢或氦离子导向硅片。离子质量比电子大，因而能更有效地将能量转换到光刻胶上。2020/6/10集成电路工艺26X射线光刻技术•X射线源将X射线投影到一种特殊的掩膜上，在已涂胶的硅片上形成图形。•用于光刻的X射线为软X射线(0.1-10nm波长)•X射线光刻技术的系统组件包括：一块掩膜版，该掩膜版由能够传导X射线的材料(如聚酰亚胺)构成，此材料上有吸收X射线的材料（如金、钨、钽）形成的版图X射线源X射线光刻胶2020/6/10集成电路工艺277.显影质量测量•关键尺寸•沾污•表面缺陷•套准对准2020/6/10集成电路工艺28关键尺寸缺陷类型可能原因关键尺寸偏大步进聚焦不正确曝光时间或能量不足显影时间不足或显影液浓度太低曝光或显影步骤中工艺不正确关键尺寸偏小曝光时间过长或能量过多显影时间过长或显影液过强曝光或显影步骤中工艺不正确2020/6/10集成电路工艺29沾污•来自微粒或光刻胶表面外来的污染•可能原因：设备需要清洗，特别是轨道类设备硅片清洗不干净显影化学药品或冲洗用水需要过滤去除沾污源2020/6/10集成电路工艺30表面缺陷缺陷类型可能原因光刻胶表面划伤硅片传送错误或与片盒分格和自动传送系统有关的微调错误微粒、污点或瑕疵腔体排风、喷涂器对准、喷涂压力、硅片水平、水滴、旋转速度等胶缺少、胶过多或胶有残渣不正确的旋覆浸没时间不正确的显影液量和位置显影工艺后不正确的冲洗过程不正确或不均匀的烘培光刻胶图形的测墙条痕驻波或反射槽口（不能接受的关键尺寸偏差）不正确或没有使用ARC2020/6/10集成电路工艺31套准对准•不正确的对准或与上一层套准•可能原因：步进机引起的问题错误的工艺步骤或版图的使用温度和湿度控制不当2020/6/10集成电路工艺32小结•曝光后，为了使化学放大深紫外光刻胶催化关键的光刻胶化学反应，需要进行后烘。•光刻胶显影去掉了经过曝光过程后变得可溶的区域。•负胶显影主要是未曝光部分光刻胶的溶剂清洗过程。已曝光负胶在显影时易膨胀，限制了其应用。•正胶显影包括显影液和已曝光部分光刻胶之间的化学反应，其参数是溶解率和选择比。2020/6/10集成电路工艺33小结•坚膜即显影后的加热烘培过程，目的是去除残留的溶剂并坚膜。•显影后检查是为了检查缺陷，同时将有缺陷的硅片在还未进行刻蚀或离子注入前从工艺线上取走或进行返工。•四种下一代光刻技术：极紫外(EUV)光刻技术、角度限制投影电子束光刻技术（SCALPEL）、离子束投影光刻技术（IPL）和X射线光刻技术。2020/6/10集成电路工艺34作业•复习题•1、6、212020/6/10集成电路工艺35