半导体 第十讲 光刻技术

1、半导体材料与集成电路基础 第10讲 光刻技术 光学光刻概述 集成电路的设计从定义芯片的功能开始 如果芯片功能复杂，可以分为几个层次的次级功能 设计者要构筑一个芯片的高层次模型以进行功能检验，并 得到其性能评估。然后设计者应用客户端设计所需的软件， 把预先已设计好的电路块(单元)组装为芯片 设计完成后，需要再次按版图规则检查，以保证符合规则。 最后，从实际版图出发进行再次的模拟。若不符合技术规 范，需要继续修改设计直至达到要求。 上列过程的一部分或全部可以自动执行。在CAD系统中， 可输入要实现的功能的高层次描述和一个包含设计规则的 文件。程序将产生芯片的版图以及其性能评估。 设计者要监督这个过

2、程，并作必要的人工修正，以改善性 能 大多数光刻分两步工序完成 设计图分成多个信息层。每一层是一张 某一薄膜在制成的IC上的布局图。通常 这些层被复制成为掩模，一旦掩模制成 了，可用一束光线通过它在圆片上曝光 而形成图形 光照在光敏的材料上，然后这种材料被 显影，以再次构成原先的此层图形。掩 模的生产工艺类似于圆片上的光刻。光 学光刻和电子束光刻都可用于掩模制造 掩模可以与最后完成的芯片有同样的尺寸或是该尺寸 的整数倍 制造中用的大多数母版是150mm的正方形，然而为适 应不久将来对大面积微处理器芯片的需要，预期会增 大到225mm。 掩模制作在不同类型的石英玻璃上。版的最重要的性 能包括：曝

3、光波长下的高透光度，小的热膨胀系数和 平坦的精细抛光面(可减小光散射) 在玻璃的一面有形成图形的不透光层。大多数掩模的 不透光层是铬层。掩模上形成图形后，图形可通过与 数据库对比检查而得到确认。任何不希望有的铬可用 激光烧化剥落 铬层的针孔可用额外的淀积来修理。这是一个关键的 工序，因为掩模会用于在成千上万圆片上形成图形。 版上的任何一缺陷，只要大到能够被复制，就会存在 于用这块版的每一圆片上 微电子制造过程中，光刻是最复杂、昂贵和关键 的工艺 现在光刻占了总制造成本的13，所占的百分比 还正在上升 一个典型的硅工艺包括1520块不同的掩模，对 于某些BiCMOS工艺，可以多到28块 虽然传统

4、的GaAs工艺只需要很少的掩模层，但是 现在这个数目一样在增加 工艺性能往往按照生产非常细线条的能力来预测 存储器制造商应当要求对成千上万圆片上超过10 亿个的晶体管的关键特征尺寸有严格的控制 对于一个器件研究者，圆片上有50%的特征尺寸 落在可接受的范围内 圆片光学曝光简单系统的剖面图 光源用于发出透过掩模的光 图形投影在圆片表面上，圆片表面涂上一薄层 称为光刻胶(photoresist)的光敏材料 曝光工具在圆片表面产生掩模图形，它的设计 和工作是光学系统设计的主要问题。 一旦辐照的图形被光刻胶吸收和图形被显影时， 化学过程就发生了。通过掩模上分离线条的光 线形成照射圆片表面的辐照图形，它

5、也称为掩 模的实像。 应用可见光、紫外光(UV)、深紫外光(DUV)或 极深紫外光(EUV)作曝光光源 最常用的光刻光源是高压弧光灯。是可得到的最亮的 非相干光源 灯包括两个密封在石英外壳内的导电电极一个针 尖电极和一个圆形电极，其间距为5mm左右。大多数 弧光灯包含汞蒸气，灯处于冷却状态时压力接近1个大 气压 为了点燃弧光灯，在电极间加一个高压电脉冲，此脉 冲电压要能电离气体。通常的冲击电压是几千伏。管 内部分离化气体、电子和高能中性粒子的混合物称为 等离子体 大多数弧光灯的供电电源也包括一个升压电源，典型 的为一个充电到几百伏的电容器，它保证放电后瞬间 等离子体的稳定性 在灯中离化的气体非

6、常热，灯泡内的压力可达到40个 大气压 典型的光刻弧光灯的电力消耗为5001000W。发射光 功率略小于它的一半 灯有两个发光源 电弧中的高温电子弧光灯等离子区中的典型温 度是40 000K量级 相当于波长75nm的峰值发射，是非常深的紫外 光 这个能量超过了石英玻璃外壳的禁带宽度，大 多数发射光在离开灯外壳前将被吸收 高能发射会在灯装置中产生臭氧，灯的制造商 有时会添加一些杂质到石英玻璃中，以增强吸 收 灯的第二个光源是汞原子本身 与高能电子的碰撞，推动汞原子的电子进入能 带的高能态。当它们回到低能态时，它们发射 出光的波长相应于其能量跃迁 这些光发射线谱非常尖锐，所以可用于确定等 离子体中

7、的主要产生物 这些线按它们的能量命名。常常过滤掉除了一 条单线外的全部线，以g线(436nm)和i线(365nm) 最常用 为将弧光灯的使用扩展到更深的紫外区，可用 氙作为填充气体。氙(Xe)在290nm有强线，在 380，265和248nm有很弱的线 工作时，高能汞离子轰击负电极。它们通过称 为溅射(spuefing)的物理过程，打出少量的电 极材料 一些溅射出的电极材料涂敷在石英玻璃壳的内 壁。而且，灯内壁表面的高温会使石英玻璃慢 慢失透，留下白雾状形貌 溅射与失透结合一起减弱了输出强度。附加的 吸收能量使灯外壳更热。最后，灯常常由于爆 裂而失效，这会严重损坏对准光学系统 灯通常在工作时用

8、电扇冷却，而且在使用一定 小时数后更换 波长选择是用一组滤波器完成的。一般用一个冷镜去吸收灯的红 外辐照。这样可避免不希望的曝光和对下游元件的加热。波长选 择可通过使用光学陷波滤波器或高通、低通滤波器的系列组合而 达到 大多数弧光灯在近紫外和可见光波长是有效的辐照源，在深紫外 范围效率不高。准分子激光器在光谱的这一部分是最亮的光源。 大多数近代的准分子激光，是包含两种或更多元素的高压混合物。 这些元素在基态不会起反应。但是，如果一种或两者被激发了， 化学反应就将进行。 多数准分子中，一种原始化合物是卤素或含卤素的化合物如NF3， 而另一种是惰性气体。一个通常的例子是XeCl，导致产生激光的 反

9、应是： Xe*+C12一XeCl*+C1 (713) 激发的分子发射深紫外光，回到基态时马上就分解了。如果加足 够的能量保持大量惰性气体处于激发状态，激光发射将继续进行 接触式/接近式光刻机 对于接触式光刻机，曝光时，掩模压在涂覆光 刻胶的圆片上 其主要优点是可以使用相对不贵的设备制出小 的特征尺寸 掩模铬面朝下，放在显微镜物镜下的框架内。 微调螺丝用于相对于掩模移动圆片。 一旦圆片与掩模对准，两者被互相夹紧，显微 镜物镜移开，圆片/掩模组合送入曝光台。高强 度灯辐照曝光圆片。曝光后，载片器回到观察 台，取出圆片 硬接触光刻机的主要缺点是由于涂覆光刻胶的 圆片与掩膜的接触会产生缺陷 每一次接触

10、过程，会在圆片和掩模两者上造成 缺陷 接触光刻机一般限用于能容忍较高缺陷水平的 器件研究或其他应用方面 为了避免产生缺陷，发展了接近式光刻。在这 种类型的曝光工具中，掩模浮在圆片表面，一 般在一层氮气气垫上。圆片与掩模的间隙受进 入的氮气流控制。通常间隔为1050m。因为 圆片与掩模间不存在任何(设计的)接触，产生 的缺陷大大减少 接近式曝光的问题是分辨率下降 投影光刻机 投影光刻机是为了得到接触式光刻的高分辨率，而又 不会产生缺陷 系统的数值孔径(NA)定义为：NA=nsin() n=10。NA的典型值范围是016到08 分辨率：W=k / NA k是一个常数，决定于光刻胶区分光强少量变化的能力 (一般k为0.75量级)。NA为0.6，365nm光源的