第14章光刻對(duì)準(zhǔn)與曝光

集成電路工藝第14章光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光2/3/20231集成電路工藝目標(biāo)解釋光刻中對(duì)準(zhǔn)和曝光的目的描述光學(xué)光刻中光的特性及光源的重要性解釋分辨率，描述它的重要參數(shù)并討論計(jì)算方法論述五代用于對(duì)準(zhǔn)和曝光的設(shè)備描述投影掩膜版，如果制造，及在精細(xì)光刻中的應(yīng)用論述用于短波長(zhǎng)光刻的光學(xué)增強(qiáng)技術(shù)解釋光刻中對(duì)準(zhǔn)是怎樣獲得的2/3/20232集成電路工藝1.提綱1.概述2.光學(xué)光刻3.光刻設(shè)備4.混合和匹配5.對(duì)準(zhǔn)和曝光質(zhì)量測(cè)量2/3/20233集成電路工藝1.概述一個(gè)紫外光源一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)一塊由芯片圖形組成的投影掩膜版一個(gè)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)一個(gè)覆蓋光敏光刻膠的硅片2/3/20234集成電路工藝光刻機(jī)分布重復(fù)光刻機(jī)(step-and-repeataligner)光刻機(jī)(aligner)步進(jìn)光刻機(jī)(stepper)2/3/20235集成電路工藝步進(jìn)光刻機(jī)的目標(biāo)使硅片表面和石英掩膜版對(duì)準(zhǔn)并聚集通過(guò)對(duì)光刻膠曝光，把高分辨率的投影掩膜版上圖形復(fù)制到硅片上在單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出足夠多的符合質(zhì)量規(guī)格的硅片2/3/20236集成電路工藝2.光學(xué)光刻光學(xué)光刻一直是不斷縮小芯片特征尺寸的主要限制因素。光刻的長(zhǎng)命歸功于設(shè)備和工藝的改進(jìn)。2/3/20237集成電路工藝光在光學(xué)光刻中，需要一個(gè)光源來(lái)把版圖投影到光刻膠上并引起光化學(xué)反應(yīng)。光的實(shí)質(zhì)是能被人眼看到的電磁波。光可用波長(zhǎng)和頻率來(lái)描述。v=λf2/3/20238集成電路工藝光波的干涉波本質(zhì)上是正弦曲線。任何形式的正弦波只要有相同的頻率就能相互干涉。相長(zhǎng)干涉：兩列波相位相同彼此相加相消干涉：兩列波相位不同彼此相減2/3/20239集成電路工藝光學(xué)濾光器濾光器利用光的干涉阻止不需要的入射光，通過(guò)反射或干涉來(lái)獲得一個(gè)特定波長(zhǎng)。濾光器通常由玻璃制成，玻璃上面有一層或多層薄涂層。涂層的類(lèi)型和厚度決定了什么波長(zhǎng)的光會(huì)相消干涉而阻止進(jìn)入玻璃。2/3/202310集成電路工藝曝光光源汞燈準(zhǔn)分子激光2/3/202311集成電路工藝汞燈高壓汞燈作為紫外光源被使用在所有常規(guī)的I線步進(jìn)光刻機(jī)上。電流通過(guò)裝有氙汞氣體的管子產(chǎn)生電弧放電。這個(gè)電弧發(fā)射出一個(gè)特征光譜，包括240nm到500nm之間有用的紫外輻射。2/3/202312集成電路工藝汞燈強(qiáng)度峰UV光波長(zhǎng)(nm)描述符CD分辨率(μm)436G線0.5405H線0.4365I線0.35248深紫外(DUV)0.252/3/202313集成電路工藝光的波長(zhǎng)與工藝2/3/202314集成電路工藝光強(qiáng)和曝光劑量光強(qiáng)——單位面積的功率(mW/cm2)，光強(qiáng)在光刻膠的表面進(jìn)行測(cè)量。曝光劑量——光強(qiáng)乘以曝光時(shí)間，表示光刻膠表面獲得的曝光能量。2/3/202315集成電路工藝光刻膠的吸收問(wèn)題光刻膠樹(shù)脂對(duì)入射輻射過(guò)多的吸收是不希望的。如果光刻膠吸收過(guò)多，光刻膠底部接受的光強(qiáng)就會(huì)比頂部的少很多，這個(gè)差異導(dǎo)致圖形測(cè)墻傾斜。要獲得垂直測(cè)墻圖形，光刻膠必須只吸收入射輻射的一小部分，一般<20%2/3/202316集成電路工藝準(zhǔn)分子激光主要優(yōu)點(diǎn)：可在248n深紫外及以下波長(zhǎng)提供較大光強(qiáng)。準(zhǔn)分子是不穩(wěn)定分子，由惰性氣體原子和鹵素構(gòu)成，如ArF，這里分子只存在于準(zhǔn)穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。2/3/202317集成電路工藝常用準(zhǔn)分子激光器材料波長(zhǎng)(nm)最大輸出（毫焦每脈沖）頻率（脈沖每秒）脈沖長(zhǎng)度（ns）CD分辨率（μm）KrF248300~150050025≤0.25ArF193175~30040015≤0.18F215761020≤0.152/3/202318集成電路工藝透鏡材料透鏡傳統(tǒng)上由玻璃制成。對(duì)于波長(zhǎng)248nm的深紫外光，一種合適的透鏡材料是熔融石英，它在深紫外波長(zhǎng)范圍有較少的光吸收在193nm深紫外和157nm深紫外波長(zhǎng)，可采用氟化鈣(CaF2)2/3/202319集成電路工藝光的衍射光在傳播路徑中，遇到一個(gè)小孔或縫隙時(shí)，產(chǎn)生偏離直線傳播的現(xiàn)象稱(chēng)為光的衍射。光的衍射和光刻密切相關(guān)。因?yàn)檠谀ぐ嫔嫌屑?xì)小圖形并且間距很窄，衍射圖樣奪走了曝光能量，并使光發(fā)射，導(dǎo)致光刻膠上不要曝光的區(qū)域被曝光。2/3/202320集成電路工藝數(shù)值孔徑一個(gè)透鏡能夠俘獲一些衍射光。透鏡收集衍射光的能力被稱(chēng)做透鏡的數(shù)值孔徑(numericalaperture,NA)。對(duì)于一個(gè)給定的透鏡，NA測(cè)量透鏡能夠接收多少衍射光，并且把衍射光會(huì)聚到一點(diǎn)成像。NA越大就能把更多的衍射光會(huì)聚到一點(diǎn)。2/3/202321集成電路工藝數(shù)值孔徑設(shè)備類(lèi)型數(shù)值孔徑(NA)數(shù)值反射式掃描投影光刻機(jī)0.25分布重復(fù)光刻機(jī)0.60～0.68步進(jìn)掃描式光刻機(jī)0.60～0.682/3/202322集成電路工藝浸沒(méi)式光刻技術(shù)在32納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)乃至進(jìn)一步向下延伸時(shí)將要求193納米浸沒(méi)式光刻技術(shù)在一些領(lǐng)域，如高折射率液體，高折射率光學(xué)鏡頭材料以及高折射率光刻膠等方面取得突破性的進(jìn)展浸沒(méi)式光刻技術(shù)的魅力在于將折射率大于1的水介于鏡頭和硅片之間，從而賦予光刻設(shè)備更高的數(shù)值孔徑，由此也進(jìn)一步提升了193納米光刻技術(shù)的分辨率極限。2/3/202323集成電路工藝更大的NA2/3/202324集成電路工藝干法光刻系統(tǒng)193納米干法光刻系統(tǒng)TwinscanXT:1450是ASML最新推出的193nm干法光刻系統(tǒng)。數(shù)值孔徑為0.93；新Aerial-PT投影光源支持高效偏振化，透鏡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產(chǎn)能達(dá)到了每小時(shí)143片晶圓TwinscanXT:1450還能采用兩次圖形曝光技術(shù)，助力用戶開(kāi)發(fā)32nm節(jié)點(diǎn)工藝。2/3/202325集成電路工藝抗反射涂層曝光光線通過(guò)投影掩膜版后在光刻膠上形成圖案。如果光刻膠的底層膜是反光的（如金屬和多晶硅層），那么光線將從這個(gè)膜層反射并有可能損害臨近的光刻膠。這個(gè)損害對(duì)控制線寬產(chǎn)生不利影響。把一種抗反射層(ARC-antireflectivecoating)直接用于反射材料的表面來(lái)減小影響。2/3/202326集成電路工藝分辨率分辨率——清晰分辨出硅片上間隔很近的特征圖形對(duì)的能力。R=kλ/NAK表示特殊應(yīng)用的工藝因子，范圍0.6-0.8影響分辨率的參數(shù)有哪些？如何提高分辨率？2/3/202327集成電路工藝焦深焦點(diǎn)周?chē)囊粋€(gè)范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)圖像連續(xù)地保持清晰，這個(gè)范圍被稱(chēng)為焦深(DOF-DepthofFocus)焦點(diǎn)是沿透鏡中心出現(xiàn)最佳圖像的點(diǎn)，焦深是焦點(diǎn)上面和下面的范圍。焦點(diǎn)可能不是正好在光刻膠層中心，但是焦深應(yīng)該穿越光刻膠層上下表面。DOF＝λ/2(NA)22/3/202328集成電路工藝NA/R/DOFλNARDOF365nm0.45486nm901nm365nm0.60365nm507nm193nm0.45257nm476nm193nm0.60193nm268nm2/3/202329集成電路工藝3.光刻設(shè)備接觸式光刻機(jī)(Contactaligner)接近式光刻機(jī)(Proximityaligner)掃描投影光刻機(jī)(Scanningprojectionaligner——scanner)分步重復(fù)光刻機(jī)(Step-and-repeataligner——Stepper)步進(jìn)掃描光刻機(jī)(Step-and-scansystem)2/3/202330集成電路工藝接觸式光刻機(jī)SSI時(shí)代線寬>5μm一旦掩膜版和硅片對(duì)準(zhǔn)，掩膜版就開(kāi)始和硅片表面的光刻膠涂層直接接觸。因?yàn)檠谀ぐ婧凸饪棠z直接接觸，顆粒沾污損壞了光刻膠層、掩膜版或兩者都損壞了，每5次～25次操作就需要更換掩膜版。2/3/202331集成電路工藝接近式光刻機(jī)接近式光刻機(jī)從接觸式光刻機(jī)發(fā)展而來(lái)。適用線寬2－4μm。掩膜版不與光刻膠直接接觸，它與光刻膠表面接近，在掩膜版和硅片表面光刻膠之間大致有2.5-25μm的間距。接近式光刻試圖緩解接觸式光刻機(jī)的沾污問(wèn)題，但當(dāng)紫外光線通過(guò)掩膜版透明區(qū)域和空氣時(shí)就會(huì)發(fā)散，減小了系統(tǒng)的分辨率。2/3/202332集成電路工藝掃描投影光刻機(jī)掃描投影光刻機(jī)試圖解決沾污問(wèn)題、邊緣衍射、分辨率限制等問(wèn)題。適用于線寬1μm的非關(guān)鍵層。它利用基于反射鏡系統(tǒng)把1：1圖像的整個(gè)掩膜圖形投影到硅片表面。掩膜版圖形和硅片上的圖形尺寸相同。2/3/202333集成電路工藝分步重復(fù)光刻機(jī)分步重復(fù)光刻機(jī)只投影一個(gè)曝光場(chǎng)，然后步進(jìn)到硅片上另一個(gè)位置重復(fù)曝光。主要用于圖形形成關(guān)鍵尺寸小到0.35μm和0.25μm。投影掩膜版圖形尺寸是實(shí)際像的4倍、5倍或10倍。這個(gè)縮寫(xiě)的比例使得制造投影掩膜版更容易。2/3/202334集成電路工藝步進(jìn)掃描光刻機(jī)步進(jìn)掃描光學(xué)光刻系統(tǒng)是一種混合設(shè)備，融合了掃描投影光刻機(jī)和分步重復(fù)光刻機(jī)技術(shù)。使用步進(jìn)掃描光刻機(jī)曝光硅片的優(yōu)點(diǎn)是增大了曝光場(chǎng)，可以獲得較大的芯片尺寸。步進(jìn)掃描光刻機(jī)的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是具有在整個(gè)掃描過(guò)程調(diào)節(jié)聚集的能力，使透鏡缺陷和硅片平整度變化能夠得到補(bǔ)償。2/3/202335集成電路工藝投影掩膜版(reticle)投影掩膜版(reticle)只包括硅片上一部分圖形（如4個(gè)芯片），這個(gè)圖形必須通過(guò)分步重復(fù)來(lái)覆蓋整個(gè)襯底。投影掩膜版用于分步重復(fù)光刻機(jī)和步進(jìn)掃描光刻機(jī)。掩膜版(mask)包含了整個(gè)硅片上的芯片陣列并且通過(guò)單一曝光轉(zhuǎn)印圖形（1：1圖像轉(zhuǎn)?。Ｑ谀ぐ嬗糜谳^老的接近式光刻和掃描對(duì)準(zhǔn)投影機(jī)光刻中。2/3/202336集成電路工藝ReticleVS.Mask參數(shù)投影掩膜版(reticle)掩膜版(mask)曝光次數(shù)多次曝光一次曝光關(guān)鍵尺寸在硅片上容易形成亞微米尺寸圖形，由于版圖尺寸較大(4:1,5:1)沒(méi)有縮小的光學(xué)系統(tǒng)很難在掩膜版和硅片上形成亞微米尺寸圖形曝光場(chǎng)小曝光場(chǎng)需要步進(jìn)重復(fù)過(guò)程曝光場(chǎng)就是整個(gè)硅片掩膜版技術(shù)光學(xué)縮小允許較大的投影掩膜版尺寸——更易于復(fù)印掩膜版與硅片有相同的關(guān)鍵尺寸——更難于復(fù)印產(chǎn)量要求先進(jìn)的自動(dòng)化來(lái)步進(jìn)和重復(fù)掃過(guò)整個(gè)硅片可能較高（要求自動(dòng)化)芯片對(duì)準(zhǔn)和聚集可以調(diào)節(jié)單個(gè)芯片的對(duì)準(zhǔn)和聚集整個(gè)硅片對(duì)準(zhǔn)，但沒(méi)有單個(gè)芯片對(duì)準(zhǔn)和聚焦缺陷密度增加產(chǎn)品但不允許reticle缺陷，其缺陷會(huì)在每個(gè)曝光場(chǎng)重復(fù)缺陷在硅片上不會(huì)多次重復(fù)2/3/202337集成電路工藝投影掩膜版的材料投影掩膜版襯底材料是熔融石英因?yàn)樵谏钭贤夤庾V部分（248nm和193nm）有高光學(xué)透射，并且有非常低的溫度膨脹。淀積在投影掩膜版上的不透明材料通常是一薄層鉻。鉻的厚度通常小于100nm并且是濺射淀積的。2/3/202338集成電路工藝投影掩膜版的制造通常用電子束形成圖形。利用直寫(xiě)把存儲(chǔ)的原始圖形繪制成版圖。在電子束光刻中光刻電子源產(chǎn)生許多電子，這些電子被加速并通過(guò)電或磁的方式被聚焦，并在涂有電子束膠的投影掩膜版上掃描形成所需要的圖形。電子束可以掃描整個(gè)掩膜版（光柵掃描），也可以只掃描要光刻的區(qū)域（矢量掃描）在投影掩膜上形成圖形。2/3/202339集成電路工藝掩膜版制備流程2/3/202340集成電路工藝相移掩膜技術(shù)(PSM)相移掩膜技術(shù)(PSM，Phase-ShiftMask)用來(lái)克服光通過(guò)掩膜版上小孔時(shí)發(fā)生衍射的問(wèn)題。利用相消干涉減小光衍射。2/3/202341集成電路工藝像素化掩膜版2/3/202342集成電路工藝光學(xué)臨近修正(OPC)光學(xué)臨近修正(OPC,OpticalProximityCorrection)由于投影掩膜版上距離很近結(jié)構(gòu)間的光衍射和干涉引起光學(xué)臨近效應(yīng)，光刻圖像的線寬受附近結(jié)構(gòu)影響。引入可選擇的圖像尺寸偏差到掩膜版圖形上，來(lái)補(bǔ)償光學(xué)臨近效應(yīng)，稱(chēng)為光學(xué)臨近修正(OPC)。2/3/202343集成電路工藝增強(qiáng)型應(yīng)變硅（StrainedSilicon）

應(yīng)變硅，指的是一種僅有1.2納米厚度的超薄氧化物層，利用應(yīng)變硅代替原來(lái)的高純硅制造晶體管內(nèi)部的通道，可以讓晶體管內(nèi)的原子距離拉長(zhǎng)，單位長(zhǎng)度原子數(shù)目變少，當(dāng)電子通過(guò)這些區(qū)域時(shí)所遇到的阻力就會(huì)減少，由此達(dá)到提高晶體管性能的目的。90納米工藝中的應(yīng)變硅實(shí)際上是使用硅鍺（PMOS）和含鎳的硅化物（NMOS）兩種材料.處理器可以工作在更高的工作頻率上2/3/202344集成電路工藝增強(qiáng)型應(yīng)變硅（StrainedSilicon）2/3/202345集成電路工藝應(yīng)變硅柵2/3/202346集成電路工藝對(duì)準(zhǔn)(Alignment)為了成功地在硅片上形成圖案，必須把硅片上的圖形正確地與掩膜版上的圖形對(duì)準(zhǔn)。只有每個(gè)投影的圖形都能正確地和硅片上的圖形匹配，集成電路才有相應(yīng)的功能。套準(zhǔn)精度（套準(zhǔn)）是測(cè)量對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)把版圖套刻到硅片上圖形的能力。套準(zhǔn)容差描述要形成的圖形層和前層的最大相對(duì)位移。一般，套準(zhǔn)容差為關(guān)鍵尺寸的三分之一。2/3/202347集成電路工藝光刻中的環(huán)境條件溫度濕度振動(dòng)大氣壓力顆粒沾污2/3/202348集成電路工藝4.混合和匹配(mixandmatch)關(guān)鍵層用高級(jí)工藝，如深紫外曝光化學(xué)放大深紫外光刻膠；非關(guān)鍵層用低級(jí)工藝，如I線步進(jìn)光刻機(jī)曝光酚醛DNQ光刻膠。減少擁有成本(COO－CostofOwnership)2/3/202349集成電路工藝5.對(duì)準(zhǔn)和曝光質(zhì)量測(cè)量聚焦－曝光劑量光源的光強(qiáng)度步進(jìn)和步進(jìn)掃描光刻機(jī)的掩膜版對(duì)準(zhǔn)圖形分辨率投影掩膜版的質(zhì)量2/3/202350集成電路工藝聚焦－曝光劑量缺陷類(lèi)型：系統(tǒng)中不正確的聚焦-曝光。解決方法：檢驗(yàn)來(lái)自光源的均勻性和最佳曝光在給定的聚焦位置下，進(jìn)行與一系列曝光量對(duì)應(yīng)的線條的CD測(cè)量修改聚焦位置并進(jìn)行CD測(cè)量。最佳焦距下，曝出可接受劑量的變化范圍檢驗(yàn)光刻膠是否滿足所有的質(zhì)量參數(shù)2/3/202351集成電路工藝光源的光強(qiáng)度缺陷類(lèi)型：在曝光場(chǎng)中不均勻的光強(qiáng)度。解決方法：在硅片的幾個(gè)位置，檢查光強(qiáng)度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的能量和均勻性。鑒定光刻膠確保它不釋放氣體并結(jié)在光學(xué)器件上。因其會(huì)降低透鏡的透光能力和像場(chǎng)的均勻性。2/3/202352集成電路工藝步進(jìn)和步進(jìn)掃描光刻機(jī)的掩膜版對(duì)準(zhǔn)缺陷類(lèi)型：掩膜版對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記不能正確地與硅片標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)解決方法：檢查是否調(diào)用了適當(dāng)?shù)牟藛螜z查是否裝載了正確的投影掩膜版和硅片光刻機(jī)內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)問(wèn)題。如溫度和壓力變化影響了透鏡的NA2/3/202353集成電路工藝圖形分辨率缺陷類(lèi)型：硅片上差的CD分辨率。線寬和孔不滿足規(guī)范要