光刻对准和曝光课件

1、集成电路工艺第14章光刻：对准和曝光7/24/20221集成电路工艺目标解释光刻中对准和曝光的目的描述光学光刻中光的特性及光源的重要性解释分辨率，描述它的重要参数并讨论计算方法论述五代用于对准和曝光的设备描述投影掩膜版，如果制造，及在精细光刻中的应用论述用于短波长光刻的光学增强技术解释光刻中对准是怎样获得的7/24/20222集成电路工艺1.提纲1.概述2.光学光刻3.光刻设备4.混合和匹配5.对准和曝光质量测量7/24/20223集成电路工艺1.概述一个紫外光源一个光学系统一块由芯片图形组成的投影掩膜版一个对准系统一个覆盖光敏光刻胶的硅片7/24/20224集成电路工艺光刻机分布重复光刻机(

2、step-and-repeat aligner)光刻机(aligner)步进光刻机(stepper)7/24/20225集成电路工艺步进光刻机的目标使硅片表面和石英掩膜版对准并聚集通过对光刻胶曝光，把高分辨率的投影掩膜版上图形复制到硅片上在单位时间内生产出足够多的符合质量规格的硅片7/24/20226集成电路工艺2.光学光刻光学光刻一直是不断缩小芯片特征尺寸的主要限制因素。光刻的长命归功于设备和工艺的改进。7/24/20227集成电路工艺光在光学光刻中，需要一个光源来把版图投影到光刻胶上并引起光化学反应。光的实质是能被人眼看到的电磁波。光可用波长和频率来描述。v=f7/24/20228集成电路

3、工艺光波的干涉波本质上是正弦曲线。任何形式的正弦波只要有相同的频率就能相互干涉。相长干涉：两列波相位相同彼此相加相消干涉：两列波相位不同彼此相减7/24/20229集成电路工艺光学滤光器滤光器利用光的干涉阻止不需要的入射光，通过反射或干涉来获得一个特定波长。滤光器通常由玻璃制成，玻璃上面有一层或多层薄涂层。涂层的类型和厚度决定了什么波长的光会相消干涉而阻止进入玻璃。7/24/202210集成电路工艺曝光光源汞灯准分子激光7/24/202211集成电路工艺汞灯高压汞灯作为紫外光源被使用在所有常规的I线步进光刻机上。电流通过装有氙汞气体的管子产生电弧放电。这个电弧发射出一个特征光谱，包括240nm

4、到500nm之间有用的紫外辐射。7/24/202212集成电路工艺汞灯强度峰UV光波长(nm)描述符CD分辨率(m )436G线0.5405H线0.4365I线0.35248深紫外(DUV)0.257/24/202213集成电路工艺光的波长与工艺7/24/202214集成电路工艺光强和曝光剂量光强单位面积的功率(mW/cm2)，光强在光刻胶的表面进行测量。曝光剂量光强乘以曝光时间，表示光刻胶表面获得的曝光能量。7/24/202215集成电路工艺光刻胶的吸收问题光刻胶树脂对入射辐射过多的吸收是不希望的。如果光刻胶吸收过多，光刻胶底部接受的光强就会比顶部的少很多，这个差异导致图形测墙倾斜。要获得垂

5、直测墙图形，光刻胶必须只吸收入射辐射的一小部分，一般5m 一旦掩膜版和硅片对准，掩膜版就开始和硅片表面的光刻胶涂层直接接触。因为掩膜版和光刻胶直接接触，颗粒沾污损坏了光刻胶层、掩膜版或两者都损坏了，每5次25次操作就需要更换掩膜版。7/24/202231集成电路工艺接近式光刻机接近式光刻机从接触式光刻机发展而来。适用线宽24m 。掩膜版不与光刻胶直接接触，它与光刻胶表面接近，在掩膜版和硅片表面光刻胶之间大致有2.5-25m 的间距。接近式光刻试图缓解接触式光刻机的沾污问题，但当紫外光线通过掩膜版透明区域和空气时就会发散，减小了系统的分辨率。7/24/202232集成电路工艺扫描投影光刻机扫描投

6、影光刻机试图解决沾污问题、边缘衍射、分辨率限制等问题。适用于线宽1m 的非关键层。它利用基于反射镜系统把1：1图像的整个掩膜图形投影到硅片表面。掩膜版图形和硅片上的图形尺寸相同。7/24/202233集成电路工艺分步重复光刻机分步重复光刻机只投影一个曝光场，然后步进到硅片上另一个位置重复曝光。主要用于图形形成关键尺寸小到0.35m 和0.25m 。投影掩膜版图形尺寸是实际像的4倍、5倍或10倍。这个缩写的比例使得制造投影掩膜版更容易。7/24/202234集成电路工艺步进扫描光刻机步进扫描光学光刻系统是一种混合设备，融合了扫描投影光刻机和分步重复光刻机技术。使用步进扫描光刻机曝光硅片的优点是增

7、大了曝光场，可以获得较大的芯片尺寸。步进扫描光刻机的另一个重要优点是具有在整个扫描过程调节聚集的能力，使透镜缺陷和硅片平整度变化能够得到补偿。7/24/202235集成电路工艺投影掩膜版(reticle)投影掩膜版(reticle)只包括硅片上一部分图形（如4个芯片），这个图形必须通过分步重复来覆盖整个衬底。投影掩膜版用于分步重复光刻机和步进扫描光刻机。掩膜版(mask)包含了整个硅片上的芯片阵列并且通过单一曝光转印图形（1：1图像转印）。掩膜版用于较老的接近式光刻和扫描对准投影机光刻中。7/24/202236集成电路工艺Reticle VS. Mask参数投影掩膜版(reticle)掩膜版(

8、mask)曝光次数多次曝光一次曝光关键尺寸在硅片上容易形成亚微米尺寸图形，由于版图尺寸较大(4:1,5:1)没有缩小的光学系统很难在掩膜版和硅片上形成亚微米尺寸图形曝光场小曝光场需要步进重复过程曝光场就是整个硅片掩膜版技术光学缩小允许较大的投影掩膜版尺寸更易于复印掩膜版与硅片有相同的关键尺寸更难于复印产量要求先进的自动化来步进和重复扫过整个硅片可能较高（要求自动化)芯片对准和聚集可以调节单个芯片的对准和聚集整个硅片对准，但没有单个芯片对准和聚焦缺陷密度增加产品但不允许reticle缺陷，其缺陷会在每个曝光场重复缺陷在硅片上不会多次重复7/24/202237集成电路工艺投影掩膜版的材料投影掩膜版

9、衬底材料是熔融石英因为在深紫外光谱部分（248nm和193nm）有高光学透射，并且有非常低的温度膨胀。淀积在投影掩膜版上的不透明材料通常是一薄层铬。铬的厚度通常小于100nm并且是溅射淀积的。7/24/202238集成电路工艺投影掩膜版的制造通常用电子束形成图形。利用直写把存储的原始图形绘制成版图。在电子束光刻中光刻电子源产生许多电子，这些电子被加速并通过电或磁的方式被聚焦，并在涂有电子束胶的投影掩膜版上扫描形成所需要的图形。电子束可以扫描整个掩膜版（光栅扫描），也可以只扫描要光刻的区域（矢量扫描）在投影掩膜上形成图形。7/24/202239集成电路工艺掩膜版制备流程7/24/202240集成

10、电路工艺相移掩膜技术(PSM)相移掩膜技术(PSM，Phase-Shift Mask)用来克服光通过掩膜版上小孔时发生衍射的问题。利用相消干涉减小光衍射。7/24/202241集成电路工艺像素化掩膜版 7/24/202242集成电路工艺光学临近修正(OPC)光学临近修正(OPC,Optical Proximity Correction)由于投影掩膜版上距离很近结构间的光衍射和干涉引起光学临近效应，光刻图像的线宽受附近结构影响。引入可选择的图像尺寸偏差到掩膜版图形上，来补偿光学临近效应，称为光学临近修正(OPC)。7/24/202243集成电路工艺增强型应变硅（Strained Silicon）

11、 应变硅，指的是一种仅有1.2纳米厚度的超薄氧化物层，利用应变硅代替原来的高纯硅制造晶体管内部的通道，可以让晶体管内的原子距离拉长，单位长度原子数目变少，当电子通过这些区域时所遇到的阻力就会减少，由此达到提高晶体管性能的目的。 90纳米工艺中的应变硅实际上是使用硅锗（PMOS）和含镍的硅化物（NMOS）两种材料 .处理器可以工作在更高的工作频率上 7/24/202244集成电路工艺增强型应变硅（Strained Silicon）7/24/202245集成电路工艺应变硅栅7/24/202246集成电路工艺对准(Alignment)为了成功地在硅片上形成图案，必须把硅片上的图形正确地与掩膜版上的图

12、形对准。只有每个投影的图形都能正确地和硅片上的图形匹配，集成电路才有相应的功能。套准精度（套准）是测量对准系统把版图套刻到硅片上图形的能力。套准容差描述要形成的图形层和前层的最大相对位移。一般，套准容差为关键尺寸的三分之一。7/24/202247集成电路工艺光刻中的环境条件温度湿度振动大气压力颗粒沾污7/24/202248集成电路工艺4.混合和匹配(mix and match)关键层用高级工艺，如深紫外曝光化学放大深紫外光刻胶；非关键层用低级工艺，如I线步进光刻机曝光酚醛DNQ光刻胶。减少拥有成本(COOCost of Ownership)7/24/202249集成电路工艺5.对准和曝光质量测

13、量聚焦曝光剂量光源的光强度步进和步进扫描光刻机的掩膜版对准图形分辨率投影掩膜版的质量7/24/202250集成电路工艺聚焦曝光剂量缺陷类型：系统中不正确的聚焦-曝光。解决方法：检验来自光源的均匀性和最佳曝光在给定的聚焦位置下，进行与一系列曝光量对应的线条的CD测量修改聚焦位置并进行CD测量。最佳焦距下，曝出可接受剂量的变化范围检验光刻胶是否满足所有的质量参数7/24/202251集成电路工艺光源的光强度缺陷类型：在曝光场中不均匀的光强度。解决方法：在硅片的几个位置，检查光强度是否达到标准的能量和均匀性。鉴定光刻胶确保它不释放气体并结在光学器件上。因其会降低透镜的透光能力和像场的均匀性。7/24

14、/202252集成电路工艺步进和步进扫描光刻机的掩膜版对准缺陷类型：掩膜版对准标记不能正确地与硅片标记对准解决方法：检查是否调用了适当的菜单检查是否装载了正确的投影掩膜版和硅片光刻机内部光学系统问题。如温度和压力变化影响了透镜的NA7/24/202253集成电路工艺图形分辨率缺陷类型：硅片上差的CD分辨率。线宽和孔不满足规范要求。解决方法：进行聚焦-曝光测试检查环境（温度、压力等）硅片在卡盘上不平，可能是由于背面沾污或卡盘问题寻找可能引入的与工艺有关的工艺参数寻找光学系统问题7/24/202254集成电路工艺投影掩膜版的质量影响因素投影掩膜版上的灰尘或擦伤投影掩膜版上的图形缺陷（线条断裂、特征图形的桥接、几何图形丢失、不透明的单个铬点、铬线条上的穿孔）玻璃碎裂起铬（粘附不好）投影掩膜版平整度7/24/202255集成电路工艺小结现代光刻以光学光刻为基础。在光刻中对准和曝光对于满足关键的亚微米分辨率的要求非常关键。已经出现过五代设备。分步重复光刻机和步进扫描光刻机是现今最受欢迎的。紫外光源包括传统的汞灯和用于深紫外的准分子激光器。7/24/202256集成电路工艺小结控制光通过透镜系统进行图像投影，光的反射和折射是重要参数。衍射描述当光通过投影掩膜上的狭窄图形时的弯曲方式。透镜俘获光的能力就是数值孔径。分辨率是硅片上光