工艺技术-半导体制造工艺之光刻原理课件(ppt 40页)

半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 光刻胶的一些问题 1、由于硅片表面高低起伏，可能造成曝光不足或过曝光。 线条宽度改变！ 1 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 2、下层反射造成驻波，下层散射降低图像分辨率。 DUV胶 ARC g线和 i线胶 使 用添加剂，吸光并 降低反射，曝光后 显影前的烘烤也有 利于缓解其驻波现 象。 2 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 驻波对于光刻图形的影响 3 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 光刻步骤简述 前烘 对准及曝光 坚膜曝光后烘 4 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 光刻步骤详述 硅片 增粘处理 高温烘培 增粘剂处理 ：六甲基二硅胺烷 （ HMDS） 匀胶机 涂胶： 3000 6000 rpm， 0.51 mm 前烘： 10 30 min， 90 100 C 热板 去除光刻胶中的溶剂，改 善胶与衬底的粘附性，增 加抗蚀性，防止显影时浮 胶和钻蚀。 5 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 硅片对准，曝光 每个视场对准 曝光强度 150 mJ/cm2 曝光后烘烤（ PEB）： 10 min， 100 C 显影： 30 60 s 浸泡显影或 喷雾显影 干法显影 Alignment mark Previous pattern 6 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 坚膜： 10 30 min， 100 140 C 去除残余溶剂、显影时胶膜所吸收 的显影液和残留水分，改善光刻胶 的粘附性和抗蚀能力 显影检查：缺陷、玷 污、关键尺寸、对准 精度等，不合格则去 胶返工。 7 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) Stepper & Scan System Canon FPA-4000ES1: 248 nm, 8”wafer80/hr, field view: 25 mm33 mm, alignment: 70 nm, NA: 0.63, OAI 透镜成本下降 、性能提升 视场大 尺寸控制更好 变形小 8 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 图形转移 刻蚀 9 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 图形转移 剥离（ lift-off） 10 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 去胶 溶剂去胶 （ strip） ： Piranha (H2SO4:H2O2)。 正胶：丙酮 氧化去胶 450 C O2+胶 CO2+H2O 等离子去胶（ Oxygen plasma ashing） 高频电场 O2电离 O O O 活性基与胶反应 CO2， CO ， H2O。 干法去胶（ Ash) 11 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 光源 NGL: X射线 (5)， 电子束 (0.62)， 离子束 (0.12 ) 光源 波 长 (nm) 术语 技 术节 点 汞灯 436 g线 0.5mm 汞灯 365 i线 0.5/0.35mm KrF(激光 ) 248 DUV 0.25/0.13mm ArF (激光 ) 193 193DUV 90/6532nm F2 (激光 ) 157 VUV CaF2 lenses 激光激 发 Xe 等离子体 13.5 EUV Reflective mirrors 1、 Using light source with shorter l 提高分辨率的方法 12 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 248 nm 157 nm 13.5 nm 193 nm 13 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 2、 Reducing resolution factor k1 Phase Shift Mask Pattern dependent k1 can be reduced by up to 40 % Normal Mask 1.相移掩模技术 PSM (phase shift mask) 附加材料造成光学 路迳差异，达到反相 14 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) Alternating PSM Attenuated PSM 相移技术提高 图形分辨率 选择性腐蚀石英基板造成光学 路迳差异，达到反相 i e2 15 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 2.光学光刻分辨率增强技术 (RET) 光学临近修正 OPC (optical proximity correction) 在光刻版上进行图形 修正，来补偿衍射带 来的光刻图形变形 16 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) OPC实例 17 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 3、离轴照明技术 OAI (off-axis illumination) 可以减小对分辨率的限制、增加成像的焦深且 提高了 MTF 18 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) Mask design and resist process l nm k1 436 0.8 365 0.6 248 0.3-0.4 193 0.3-0.4 Resist chemistry 436,365 nm: Photo-Active-Component (PAC) 248,193 nm: Photo-Acid-Generator (PAG) Contrast 436,365 nm: =2-3, (Qf/Q02.5) 248,193 nm: =5-10 (Qf/Q01.3) 4、光刻胶对比度改进 19 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) Lens fabrication l nm NA 436 0.15-0.45 365 0.35-0.60 248 0.35-0.82 193 0.60-0.93 State of the Art: l=193 nm, k1=0.3, NA=0.93 R60 nm =1.36 R40 nm Numerical Aperture: NA=nsina Immersion Lithography an H 2O 5、增加数值孔径 20 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 21 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 22 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) EUV超紫外光曝光 23 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) Minimum feature size Production 2003 2005 2007 2009 2011 Technology Node 90 nm 65 nm 45 nm 32 nm 22 nm Half pitch nm 110 105 80 55 39 LG nm 60 42 30 21 16 l=193 nm l=193 nm immersion 193 nm immersion with higher n? pitch LG P. Bai, et. al., IEDM2005 24 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) EUV（ Extreme ultra violet) 25 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 反射式掩模版 26 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 电子束图形曝光 电子束图形曝光主要版。 用于掩模版的制作，只有相当少数装置用于将电子束直接对抗蚀剂曝光 而不需掩模 优点：可以参数亚微米的几何抗蚀剂图案、高自动化及高精度控制的操 作、比光学图形曝光有较大的聚焦深度与不同掩模版可直接在半导体晶 片上描绘图案。 缺点：电子束光刻机产率低，在分辨率小于 0.25um时，约为每小时 10片 晶片。这对生产掩模版、需求量小的定制电路或验证性电路是足够了。 而对不用掩模版的直写形成图案方式，设备必须尽可能提供产率，故要 采用与器件最小尺寸相容的最大束径。 聚焦电子束扫描主要分成两种形式：光栅扫描、向量扫描。 27 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 光栅扫描（左）和矢量扫描 28 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 电子束光刻问题： 1）速度慢！ 29 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 电子束光刻问题： 2）电子散射及二次电子：线条宽 束斑 真空下工作 焦深大 直写，无掩膜版 30 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 电子束源： 热电子发射 场发射 光发射 电子束发射后 , 被准 直或聚焦，然后加速 到 20 kV 束斑直径 100 和离子注入类似 31 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 电子束抗蚀剂 电子束抗蚀剂是一种聚合物，其性质与一般光学用抗蚀剂类似。换言之 ，通过光照造成抗蚀剂产生化学或物理变化，这种变化可使抗蚀剂产生 图案。 PMMA和 PBS 分辨率可达 0.1 微米或更好 COP 分辨率可达 1 微米左右 32 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 邻近效应 在光学图形曝光中，分辨率的好坏是由衍射来决定的。在电子束图形曝 光中，分辨率好坏是由 电子散射 决定的。当电子穿过抗蚀剂与下层的基 材时，这些电子将经历碰撞而造成能量损失与路径的改变。因此入射电 子在行进中会散开，直到能量完全损失或是因背散射而离开为止。 100个能量为 20keV的电子 在 PMMA中的运动轨迹模拟 在抗蚀剂与衬底界面间，正向散射 与背散射的剂量分布 33 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) X射线图形曝光（ XRL） XRL图形曝光极有潜力继承光学图形曝光来制作 100nm的集成电路。当 利用同步辐射光储存环进行批量生产时，一般选择 X射线源。它提供一个 大的聚光通量，且可轻易容纳 10-20台光刻机。 XRL是利用类似光学遮蔽接近式曝光的一种遮蔽式曝光。 掩模版为 XRL系统中最困难且关键的部分，而且 X射线掩模版的制作比光 学掩模版来得复杂。为了避免 X射线在光源与掩模版间被吸收，通常曝光 都在氦的环境下完成。 可以利用电子束抗蚀剂来作为 X射线抗蚀剂，因为当 X射线被原子吸收， 原子会进入激发态而射出电子。激发态原子回到基态时，会释放出 X射线 ，此 X射线被原子吸收，故此过程一直持续进行。所有这些过程都会造成 电子射出，所以抗蚀剂在 X射线照射下，就相当于被大量的二次电子照射 。 34 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 35 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) X射线图形曝光的几何效应 36 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 离子束图形曝光 离子束图形曝光比光学、 X射线与电子束图形曝光技术有更高的分辨率， 因为离子有较高的质量而且比电子有较小的散射。最主要的应用为修补 光学图形曝光用的掩模版。下图为 60keV的 50个氢离子注入 PMMA及不同 衬底中的电脑模拟轨迹。 37 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 不同图形曝光方法的比较 先前讨论的图形曝光方法，都有 100nm的或更好分辨率。每种都有其限 制：光学法的衍射现象、电子束的邻近效应、 X射线的掩模版制作复杂、 EUV的掩模版空片的制作困难、离子束的随机空间电荷效应。 对于 IC的制造，多层掩模版是必需的，然而，所有的掩模版层并不需要 都用相同的图形曝光方法。采用混合与配合的方法，可利用每一种图形 曝光工艺的优点来改善分辨率与提供产率。 根据半导体工业协会的设想， IC制作技术将在 2010年时会达到 50nm。 对于每一代新技术，由于要求更小的特征尺寸与更严格的套准容差，图 形曝光技术更成为推动半导体工业的关键性技术。 38 半导体制备工艺基础 第四章 光刻原 理 (下 ) 各种图形曝光技术的比较如下 光学 248/193nm SCALPEL EUV X射 线 离子束 光刻机 光源 激光 电 子束 极 远 紫外 线 同步 辐 射 离子束 衍射限制 有 没有 有 有 没有 曝光法 折射式 折射式 折射式 直接光照 全区折射式 步 进 与 扫 描 是 是 是 是 步 进 机 200mm硅晶片的 产 率（