微電子制造技術(shù)準(zhǔn)分子激光課件

微電子制造技術(shù)

第14章

光刻：對準(zhǔn)和曝光

微電子制造技術(shù)

第14章

光刻：對準(zhǔn)和曝光概述對準(zhǔn)就是把所需圖形在硅片表面上定位或?qū)?zhǔn)。而曝光是通過曝光燈或其它輻射源將圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠涂層上。如果說光刻膠是光刻工藝的“材料”核心，那么對準(zhǔn)和曝光則是該工藝的“設(shè)備”核心。圖形的準(zhǔn)確對準(zhǔn)是保證器件和電路正常工作的決定性因素之一。因為最終的圖形是用多個掩膜版按照特定的順序在晶園表面一層一層疊加建立起來的。圖形定位的要求就好像是一幢建筑物每一層之間所要求的正確對準(zhǔn)。如果每一次的定位不準(zhǔn)，將會導(dǎo)致成品率下降或者整個電路失效。

概述對準(zhǔn)就是把所需圖形在硅片表面上定位或?qū)?zhǔn)。而掩膜版上設(shè)計的每一層圖形都有一個特殊功能，如接觸孔、MOS的源漏區(qū)或金屬線等，光刻過程中掩膜版把這些圖形彼此套準(zhǔn)來制成硅片上的器件或電路。版圖套準(zhǔn)過程有對準(zhǔn)規(guī)范，就是前面提出的套準(zhǔn)容差。怎樣精確地把亞微米尺寸套準(zhǔn)，對光學(xué)光刻提出了特殊的對準(zhǔn)挑戰(zhàn)。掩膜版上設(shè)計的每一層圖形都有一個特殊功能，如接觸孔、學(xué)習(xí)目標(biāo)1. 解釋光刻中對準(zhǔn)和曝光的目的；2. 描述光刻中光的特性及光源的重要性；3. 了解光學(xué)系統(tǒng)對光刻工藝的重要性；解釋分辨率，說明它對光刻的重要性；了解光刻中獲得精確對準(zhǔn)的方法。學(xué)習(xí)目標(biāo)1. 解釋光刻中對準(zhǔn)和曝光的目的；單視場曝光，包括：聚焦、對準(zhǔn)、曝光、步進(jìn)和重復(fù)過程UV光源投影掩膜版（在投影掩膜版視場內(nèi)可能包含一個或多個芯片）快門承片臺在X,Y,Z,q方向控制硅片的位置投影透鏡（縮小的投影掩膜版的視場到硅片表面）快門在聚焦和對準(zhǔn)過程中閉合，而在曝光過程中打開對準(zhǔn)曝光Figure14.1掩模版圖型轉(zhuǎn)移到光刻膠上單視場曝光，包括：聚焦、對準(zhǔn)、曝光、步進(jìn)和重復(fù)過程UV光源頂視圖12345768剖面圖Figure14.2CMOS剖面和投影掩膜版的頂視圖

頂視圖12345768剖面圖Figure14.2CMOS4)多晶硅柵刻蝕1)STI刻蝕2)P-阱注入3)N-阱注入8)金屬刻蝕5)N+S/D注入6)P+S/D注入7)氧化層接觸刻蝕Figure14.2投影掩膜版的分解圖

4)多晶硅柵刻蝕1)STI刻蝕2)P-阱注入3)光學(xué)曝光在曝光過程中，從光源發(fā)出的光通過對準(zhǔn)的掩膜版（版上有黑白分明的區(qū)域，這些區(qū)域形成了要轉(zhuǎn)移到硅片表面的圖形）對涂膠的硅片曝光。曝光的目的就是要把掩膜版上的圖形精確地復(fù)制到涂膠的硅片上。曝光的一個方面是在所有其它條件相同時，曝光光線波長越短能曝出的特征尺寸就越小。此外，曝光的光線必須具有一定的能量，以便對光刻膠產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)。為了提高曝光質(zhì)量，光必須均勻地分配到整個曝光區(qū)域。為了獲得精細(xì)光刻的關(guān)鍵尺寸，光刻需要在短波長下進(jìn)行強曝光。

光學(xué)曝光在曝光過程中，從光源發(fā)出的光通過對準(zhǔn)的掩膜版光的實質(zhì)就是電磁波，光也能輻射能量。這兩個描述反映了光的波粒兩相性的本質(zhì)。因此可以用波長（λ）和頻率（?）來描述。這兩者的關(guān)系如圖14.3所示，其中υ是光的速度。

l=vf激光器v=光的速度,3E108m/secf=以Hz為單位的頻率(每秒周期)l=波長，頻率對應(yīng)周期的物理長度，以米為單位Figure14.3光的波長和頻率

光的實質(zhì)就是電磁波，光也能輻射能量。這兩個描述波的干涉

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。有兩種類型的干涉基于波是否有相同的相位（見下圖）。ABA+B同相位波不同相位波相長干涉相消干涉Figure14.4

波的干涉光學(xué)濾波器濾光器利用光的干涉阻止不需要的入射光，通過反射或干涉來獲得一個特定波長的波（見圖14.5）二次反射

(干涉)涂層1(不反射)涂層3玻璃涂層2被反射的波長透射的波長寬帶光Figure14.5光學(xué)濾波

光學(xué)濾波器濾光器利用光的干涉阻止不需要的入射光，通過整個可見和不可見的電磁波被稱作電磁波譜，它由從極短到極長波長的各種輻射能組成。

黃光和紅光因為它處在可見光區(qū)含極少紫外光，因此不會影響光刻膠。所以光刻區(qū)的照明通常使用黃光或紅光。13（極紫外）l(nm)700455060065050045040035030025020015010050紫外光譜可見光譜（白光）汞燈準(zhǔn)分之激光光刻光源ghi365405248193436157126紫紅藍(lán)綠黃橙Mid-UVEUVDUVVUVFigure14.6電磁波譜整個可見和不可見的電磁波被稱作電磁波譜，它由從極短到曝光光源在光刻膠曝光過程中，是通過光刻膠材料發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)來轉(zhuǎn)移掩膜版的圖形，而且必須在最短的時間內(nèi)完成，同時要求在批量生產(chǎn)中是可重復(fù)的。紫外光用于光刻膠的曝光是因為光刻膠材料與這個特定波長的光反應(yīng)滿足上述要求。因為較短的波長可以獲得光刻膠上較小尺寸的分辨率。所以現(xiàn)今最常用光學(xué)光刻的兩種紫外光源是：汞燈和準(zhǔn)分之激光。除此之外其它用于先進(jìn)的或特殊應(yīng)用的光刻膠曝光有X射線、電子束和離子束。

曝光光源在光刻膠曝光過程中，是通過光刻膠材料120100806040200200 300 400 500 600波長(nm)相對強渡(%)h-line405nmg-line436nmi-line365nmDUV248nm高強度汞燈的發(fā)射光譜Figure14.7典型的高壓汞燈的發(fā)射光譜

120200 300 400 500 600波長Table14.2汞燈的強度峰

Table14.2汞燈的強度峰通過表14.2可以看出，要得到0.25μm以下的特征尺寸，對應(yīng)的光源波長應(yīng)該是小于248nm的深紫外（DUV）光，但是從圖14.7可以看出，248nm的深紫外發(fā)射是365nm的I線發(fā)射強度的1/5。照在硅片表面上光的能量（mJ/cm2）是光強(功率)和時間的乘積。所以光刻膠在248nm下曝光要得到相同的效果，就需要5倍的曝光時間，顯然這是光刻工藝不能接受的。因此既要得到小的特征尺寸還要短的曝光時間，就必須改變光刻膠的性質(zhì)或者使用具有較高功率的光源。這就是發(fā)展化學(xué)放大深紫外光刻膠和具有較高功率的激光光源的原因。通過表14.2可以看出，要得到0.25μm以下的特征準(zhǔn)分子激光激光光源用于光學(xué)光刻是因為它們可以在248nm深紫外以及以下波長提供較大光強。而汞燈在這些波長發(fā)射效率很低。迄今惟一用于光學(xué)曝光的激光光源是準(zhǔn)分子(由兩個相同原子構(gòu)成的分子)激光，準(zhǔn)分子是不穩(wěn)定分子，由惰性氣體原子和鹵素構(gòu)成，例如氟化氬、氟化克（ArF、KrF）。通常用于深紫外光刻膠的準(zhǔn)分子激光器是波長248nm的氟化氪（KrF）激光器，其功率范圍是10～20W，頻率1KHz。這種激光器產(chǎn)生的高能脈沖輻射光能可對光刻膠曝光。表14.3突出了光刻中用于硅片制造的準(zhǔn)分子激光器。準(zhǔn)分子激光激光光源用于光學(xué)光刻是因為它們可以在248Table14.3半導(dǎo)體光刻中使用的準(zhǔn)分之激光器

Table14.3半導(dǎo)體光刻中使用的準(zhǔn)分之激光器光學(xué)系統(tǒng)光的反射光的折射透鏡衍射數(shù)值孔徑抗反射涂層

光學(xué)系統(tǒng)光的反射抗反射涂層由于光刻膠下面需要刻蝕的底層膜(金屬、多晶硅、氧化硅、氮化硅等)和光刻膠的材料不近相同，正是由于入射光的反射作用，所以就有入射光透過光刻膠抵達(dá)底層膜而造成反射光。反射光有可能損害鄰近不需要曝光的光刻膠。這個損害能夠?qū)€寬控制產(chǎn)生不利影響。

兩種最主要的光反射問題是反射切口和駐波。在刻蝕形成的垂直側(cè)墻表面，反射光進(jìn)入不需要曝光的光刻膠中就會形成反射切口(見圖14.22)?？梢园岩环N抗反射涂層(ARC)直接用于反射材料的表面來減小光刻膠的駐波效應(yīng)(見圖14.24)。使用最新的抗反射涂層能夠減少99％的襯底反射?？狗瓷渫繉佑捎诠饪棠z下面需要刻蝕的底層膜(金屬、多晶多晶硅SubstrateSTISTIUV曝光光線掩膜版被曝光的光刻膠未被曝光的光刻膠Notchedphotoresist邊緣衍射表面反射Figure14.22光反射引起的光刻膠反射切口多晶硅SubstrateSTISTIUV曝光光線掩膜版被曝使用抗反射涂層、著色和濾光片能幫助防止干涉入射波抗反射涂層PhotoresistFilmSubstrateFigure14.24用抗反射涂層阻止駐波使用抗反射涂層、著色和濾光片能幫助防止干涉入射波抗反射涂層PBARCPolysiliconSubstrateSTISTIUV曝光光線MaskExposedphotoresist未被曝光的光刻膠Figure14.25通過底部抗反射涂層的光抑制BARCPolysiliconSubstrateSTISTI分辨率在光刻中，分辨率被定義為清晰分辯出硅片上間隔很近的特征圖形的能力（例如相等的線條和間距）。這種性質(zhì)顯示在圖14.28中。在先進(jìn)的半導(dǎo)體制造中，獲得高集成度器件分辨率很關(guān)鍵。分辨率對任何光學(xué)系統(tǒng)都是一個很重要的參數(shù)，并且對光刻非常關(guān)鍵。因為我們需要在硅片上制造出亞微米級的器件尺寸。

分辨率在光刻中，分辨率被定義為清晰分辯出硅線寬和間距的尺寸必須相等，隨著特征尺寸的減小，要將特征圖形彼此分開更困難Figure14.28器件的分辨率

線寬和間距的尺寸必須相等，隨著特征尺寸的減小，要將特征圖形彼光刻設(shè)備

現(xiàn)代光刻設(shè)備以光學(xué)光刻為基礎(chǔ)，它利用光學(xué)系統(tǒng)把掩膜版上的圖形精確地投影、曝光到涂過光刻膠的硅片上。基本上包括一個紫外光源、一個光學(xué)系統(tǒng)、一個對準(zhǔn)系統(tǒng)和一個掩膜版。光學(xué)光刻的關(guān)鍵設(shè)備是分步重復(fù)光刻機（也稱步進(jìn)光刻機）。它把掩膜版上的圖形與涂膠硅片進(jìn)行對準(zhǔn)，而后從一點到另一點逐場曝光。在光學(xué)光刻中，步進(jìn)光刻機有三個基本目標(biāo)：1.使硅片表面和石英掩膜版對準(zhǔn)并聚焦。2.通過對光刻膠曝光，把掩膜版上的圖形復(fù)制到硅片上。3.在單位時間內(nèi)生產(chǎn)足夠多的符合產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)格的硅片。光刻設(shè)備現(xiàn)代光刻設(shè)備以光學(xué)光刻為基礎(chǔ)，它利用光學(xué)系根據(jù)生產(chǎn)時期的不同，光刻設(shè)備可以分為五代。每一代都有代表性的光刻設(shè)備，具體如下：接觸式光刻機接近式光刻機掃描投影光刻機步進(jìn)重復(fù)光刻機步進(jìn)掃描光刻機

根據(jù)生產(chǎn)時期的不同，光刻設(shè)備可以分為五代。每一代都有反光裝置對準(zhǔn)顯微鏡掩膜版硅片真空吸盤承掩膜版臺(X,Y,Z,q)

承片臺

(X,Y,Z,q)

汞燈Figure14.32接觸/接近式光刻系統(tǒng)反光裝置對準(zhǔn)顯掩膜版硅片真空承掩膜版臺承片臺汞燈FigurUVMask邊緣的光衍射造成從掩膜版下側(cè)反射引起的不希望的光刻膠曝光UV曝光光線Substrate光刻膠衍射和反射光間隙掩膜版襯底Figure14.33接近式光刻膠上的衍射和表面反射UVMask邊緣的光衍射造成從掩膜版下側(cè)反射引起的不希望的光掩膜版硅片汞燈照明裝置投影光學(xué)組件掃描方式曝光光線(UV狹縫逐漸掃描過整個掩膜版視場到硅片上)Figure14.34掃描式投影光刻機掩膜版硅片汞燈照明裝置投影光學(xué)組件掃描方式曝光光線(UV狹縫Figure14.35分步重復(fù)光刻機Figure14.35分步重復(fù)光刻機UVlight投影掩膜版尺寸20mm×15mm,每場4個芯片5:1縮小透鏡硅片圖形曝光在硅片上是投影掩膜版視場的4mm×3mm,每次曝光4個芯片曲折的步進(jìn)圖形Figure14.36步進(jìn)光刻機的曝光場UVlight投影掩膜版尺寸5:1縮小透鏡硅片圖形曝光在5:1lensUVUV步進(jìn)和掃描像場掃描分步重復(fù)光刻機像場(單次曝光)4:1lens投影掩膜版投影掩膜版掃描掃描WaferWafer步進(jìn)方向Figure14.37步進(jìn)掃描光刻機的硅片曝光場5:1lensUVUV步進(jìn)和掃描掃描分步重復(fù)光刻機像場4:投影掩膜版投影掩膜版上只包括硅片上一部分圖形，這個圖形必須通過分步重復(fù)來覆蓋整個硅片表面。在硅片制造過程中投影掩膜版用于分步重復(fù)光刻機和步進(jìn)掃描光刻機。而掩膜版則包含了整個硅片的芯片陣列，可通過一次曝光完成圖形轉(zhuǎn)?。?:1圖形轉(zhuǎn)?。糜谳^老的接近式光刻機和掃描對準(zhǔn)投影機中。表14.6把投影掩膜版和掩膜版做了比較?？梢詭椭覀兞私夤饪坦I(yè)把掩膜版改成投影掩膜版的原因。

投影掩膜版投影掩膜版上只包括硅片上一部分圖形Table14.6投影掩膜版和掩膜版的比較

Table14.6投影掩膜版和掩膜版的比較光學(xué)增強技術(shù)隨著關(guān)鍵尺寸減小到0.15μm及以下，衍射和散射會明顯影響投影掩膜版上圖形有效地轉(zhuǎn)印到硅片上。光學(xué)增強技術(shù)用于投影掩膜版上，以改善圖像質(zhì)量和分辨率。用于光學(xué)增強技術(shù)的光刻稱作亞波長光刻。所謂光學(xué)增強技術(shù)就是采用像移掩膜技術(shù)和光學(xué)鄰近修正技術(shù)。像移掩膜技術(shù)就是投影掩膜版被一層附加透明層修正以改變透光區(qū)域使光像移180度，從而克服光通過掩膜版上小孔時發(fā)生衍射的有關(guān)問題。而光學(xué)鄰近修正技術(shù)就是引入可選擇的圖像尺寸偏差到掩膜版圖形上，來補償光學(xué)鄰近效應(yīng)。因為掩膜版設(shè)計者可以利用計算機算法，對掩膜版上小特征尺寸生成光學(xué)鄰近修正。光學(xué)增強技術(shù)隨著關(guān)鍵尺寸減小到0.15μm及以下，衍對準(zhǔn)為了成功地在硅片上復(fù)印圖形，必須把硅片上的圖形正確地與投影掩膜版上的圖形對準(zhǔn)。只有每個投影的圖形都能正確地和硅片上的圖形匹配，才能實現(xiàn)集成電路相應(yīng)的功能。對準(zhǔn)就是確定硅片上圖形的位置、方向和變形的過程，然后利用這些數(shù)據(jù)與投影掩膜版圖形建立起正確的關(guān)系。對準(zhǔn)必須快速、重復(fù)和精確，對準(zhǔn)過程的結(jié)果，或者每個連續(xù)的圖形與先前層匹配的精度，被稱作套準(zhǔn)。套準(zhǔn)精度是測量對準(zhǔn)系統(tǒng)把版圖套準(zhǔn)到硅片上圖形的能力。套