IC工艺图形加工技术 光刻课件

1、第二单元：图形加工技术（光 刻 Optical Lithography ）（书:第八章8.18.10）问题的提出Ion Implant in Process FlowImplantDiffusionTest/SortEtchPolishPhotoCompleted waferUnpatterned waferWafer startThin FilmsWafer fabrication (front-end) Hard mask (oxide or nitride)Anneal after implantPhotoresist mask单片微波集成电路MMIC（Monolithic Microw

2、ave Integrated Circuit）0.6 BiCMOS Micrograph courtesy of Integrated Circuit Engineering PolysiliconTungsten LITungsten plugMag. 17,000 XLayout and Dimensions of Reticle Patterns4) Poly gate etch1) STI etch2) P-well implant3) N-well implant8) Metal etch5) N+ S/D implant6) P+ S/D implant7) Oxide conta

3、ct etchTop view12345768Cross sectionResulting layers 图形加工（光刻）：包括图形转移（复印）和图形刻蚀基本要求：高分辨率（光学仪器、光源和感光膜、刻蚀技术）高灵敏度（感光膜 光致抗蚀剂）精密的套刻对准（自动化精密机械）大尺寸硅片加工（光学仪器、硅片加工精度）低缺陷（超净、掩膜版的完整）完美的刻蚀图形转移技术（光刻技术）Ch 8核心：光致抗蚀剂两种抗蚀剂You will learn!光刻的8个基本工艺步骤(工艺流程)；要求、方法和检测。光刻胶的类型和特点光源和曝光技术的发展趋势Fig. 8.156.1光刻的基本工艺流程： （page 210）W

4、afer增粘 涂胶（光致抗蚀剂） 前烘（软烘） 曝光 后烘* 显影和定影 坚膜 检测 （刻蚀）8) Develop inspect5) Post-exposure bake6) Develop7) Hard bakeUV LightMask4) Alignment and ExposureResist2) Spin coat3) Soft bake1) Vapor primeHMDS6.1.1光致抗蚀剂与涂胶工艺两种类型的抗蚀剂： 1）负性胶：抗蚀剂在曝光前对某些溶剂是可溶的，而曝光后硬化成不可溶解的物质。 （本实验室）Ultraviolet lightIslandAreas exposed

5、to light become crosslinked and resist the developer chemical.Resulting pattern after the resist is developed.WindowExposed area of photoresistShadow on photoresistChrome island on glass maskSilicon substratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSilicon substrate对抗蚀剂性能的要求：1）高分辨率：光刻胶光刻时所能得到的光 刻图形的最小尺寸。 常用1

6、/W（条线/毫米）表示。这里的分辨率包含光刻胶和曝光两种因素正胶的分辨率高于负胶平均分子量越大，分子量的分散性越大，则分辨率越小。W/2W/2W/2W/2对比度The last paragraph of 8.43）粘附性：与待刻介质之间粘附的牢固程度，直接影响光刻质量。绝大多数抗蚀剂都是疏水性的，而许多介质（特别是SiO2是亲水的。4）成膜性：能形成致密性好的、针孔密度小的薄膜。5）稳定性：主要指烘烤干燥时的热稳定性，不发生热交联，不发生热形变。6）抗蚀性：能够较长时间抵抗腐蚀剂的侵蚀。整体的抗蚀性与粘附性、成膜性也关。7）颗粒度和纯度常见光致抗蚀剂及工作原理 光致抗蚀剂有多种，一般主要根据刻

7、蚀对象（线条粗细、刻蚀深度、光源和材料）而定。根据需要也有采取多层抗蚀剂的。2-叠氮1-萘醌5-硫酰氯与聚酚团（AZ-1350正性胶）紫外光照射后，使邻-叠氮萘醌基团分解，并在有水存在的情况下，形成五元环羧酸 溶于弱碱液。重氮醌（DNQ）涂胶工艺1）增粘处理SiO2膜的干燥处理增粘剂： 如：HMDS 六甲基二硅亚胺Effect of Poor Resist Adhesion Due to Surface ContaminationResist liftoff6.1.2 前烘工艺 使溶剂（70%）充分挥发，获得固化膜，增强黏附性；时间与温度烘箱：由外向内的固化热板烘烤：由内向外的固化Hot pl

8、ateWaferSolvent exhaustChamber cover6.1.3 曝光 分辨率 线宽、光源图形畸变 细线条与大晶片（设备与曝光方式）、 光学畸变（光源和掩膜版设计）套准精度 设备的机械性能、光路设计和传感系统图形完整性 曝光方式、环境净化、晶片平整度（膜厚与刻蚀）1）曝光方式接触式曝光：page 165，（紫外光）5m接近式曝光： page 166， （紫外光、软x射线）投影式曝光： （Stepper） pages 167-172 （紫外光、平行电子束）直写式曝光：（电子束）Reticle Pattern Transfer to ResistSingle field expo

9、sure, includes: focus, align, expose, step, and repeat processUV light sourceReticle (may contain one or more die in the reticle field)ShutterWafer stage controls position of wafer in X, Y, Z, q)Projection lens (reduces the size of reticle field for presentation to the wafer surface)Shutter is close

10、d during focus and alignment and removed during wafer exposureAlignment laserStepper Exposure FieldUV lightReticle field size20 mm 15mm,4 die per field5:1 reduction lensWaferImage exposure on wafer 1/5 of reticle field4 mm 3 mm,4 die per exposureSerpentine stepping patternPhotolithography Track Syst

11、em准分子激光2）光源光源的选择：分辨率、量子效应、衍涉、散射和漫反射（与界面和光刻胶有关）l (nm)700455060065050045040035030025020015010050Ultraviolet spectrumVisible spectrumMercury lampExcimer laserPhotolithography light sourcesghi36540524819313436157126VioletRedBlueGreenYellowOrangeMid-UVEUVDUVVUVPhotoresist Reflective Notching Due to Light

12、 ReflectionsPolysiliconSubstrateSTISTIUV exposure lightMaskExposed photoresistUnexposed photoresistNotched photoresistEdge diffractionSurface reflectionIncident and Reflected Light Wave Interference in Photoresist Standing waves cause nonuniform exposure along the thickness of the photoresist film.I

13、ncident waveReflected wavePhotoresistFilmSubstrateEmission Spectrum of Typical High Pressure Mercury Arc Lamp120100806040200200300 400 500 600Wavelength (nm)Relative Intensity (%)h-line405 nmg-line436 nmi-line365 nmDUV248 nmEmission spectrum of high-intensity mercury lampMercury lamp spectrum used w

14、ith permission from USHIO Specialty Lighting ProductsFigure 14.7 紫外光(g-line 436nm, I-line 365nm)、远紫外光 (DUV)（ 193nm, 157nm， P 160162）软x射线（420）、电子束（Ch9）焦距深度： DOF （p 167169，例7。1）Excimer Laser Sources for Semiconductor PhotolithographyMercury Arc Lamp Intensity PeaksDepth of Focus (DOF)+-PhotoresistFilm

15、Depth of focusCenter of focusLensResolution Versus Depth of Focus for Varying NA 2(NA)2DOF = PhotoresistFilmDepth of focusCenter of focus+-Lens, NAWaferMaskIlluminator, DOFR DOF365 nm 0.45 486 nm901 nm365 nm 0.60365 nm507 nm193 nm 0.45257 nm476 nm193 nm 0.60193 nm268 nmi-lineDUV3）掩膜版衬底材料：Pages 16316

16、5，168铬版氧化版光刻版设计中的光学校正（Pages 172-175）光学邻近校正（OPC）、相移版（PSM）Pellicle on a ReticleThe particle on the pellicle surface is outside of optical focal range.Antireflective coatingsPellicle filmChrome patternDepth of focusMask materialReticlePellicle filmFrameChrome pattern4）表面、界面反射，驻波5）灰度掩膜 （微光学器件）6）多光束无掩膜全息

17、干涉光刻曝光工艺条件：时间，（实际的应用中可以适当采用欠、过度曝光在光刻机（含光源）确定后，可以选择不同型号光刻胶二级曝光效应8.7, reading7）平行电子束8）电子束扫描（Ch9）7.1.4后烘和显影（P 191-193）后烘：某些光刻胶需要后烘，如：目前0.25以下线宽采用的CA DUV（化学放大深紫外8.8reading，248nm、193nm）。显影：温度、时间；显影液当量浓度Vacuum chuckSpindle connected to spin motorTo vacuum pump Developer spray dispenser(b) Spin-off excess

18、developer(d) Spin dry(c) DI H2O rinse(a) Puddle dispenseDeveloperdispenserPuddle formationNegative Resist CrosslinkingUVCrosslinksUnexposed resistExposed resistFigure 15.4 Development of Positive ResistResist exposed to light dissolves in the develop chemical.Unexposedpositive resistCrosslinked resi

19、stFigure 15.5 Photoresist Development ProblemsXXXUnder developIncomplete developCorrectdevelopSevere overdevelopResistSubstrate7.1.5 坚膜通常在热板上进行高温（接近溶剂沸点）处理，最大限度实现光刻胶增密和硬化、提高黏附性和抗蚀能力。温度与时间：通常由光刻胶生产商设定，在根据产品对粘附性和尺寸控制需求对工艺进行调整。对于某些光刻胶，可以进行“深紫外线坚膜”。使表面形成“硬壳”，以能在等离子刻蚀和离子注入工艺的高温（200C）中不会流动。Softened Resist

20、 Flow at High TemperaturePhotoresistSpray Develop-RinseLoad StationTransfer StationVapor PrimeResist CoatEdge-bead RemovalSoft BakeCool PlateCool PlateHard BakeWafer Transfer SystemStep-and-Scan AlignerPhotolithography Track System7.1.6 腐蚀*7.1.7 去胶：溶剂去胶、氧化去胶、等离子去 胶增粘涂胶 前烘 曝光 显影(和定影) 坚膜 （刻蚀）7.2光刻工艺中的

21、质量问题应在每一道工序后都要进行质量检测和分析图形畸变：小尺寸光学效应、曝光时间、显 影时间浮胶：粘附、前烘时间、曝光时间、 显影时间毛刺和钻蚀：清洁、显影时间针孔：膜厚不足、曝光不足、清洁、掩膜版小岛：曝光、清洁、湿法显影、掩膜版Develop Inspect Rework Flow1. Vapor primeHMDS2. Spin coatResist3. Soft bake4. Align and exposeUV lightMask5. Post-exposure bake6. Develop7. Hard bake8. Develop inspectO2PlasmaStrip and

22、 cleanRejected wafersPassed wafersIon implantEtchReworkAutomated Inspection Tool for Develop Inspect7.3下一代光刻技术(Ch9)1)极紫外光刻技术希望13nm波长，30nm的特征尺寸Step-and-scan wafer stageStep-and-scan 4 reflection reticleHigh power laserTarget materialEUVPlasmaMultilayer coated mirrors image of reticleVacuum chamber2）角度限制投影电子束光刻技术（SCALPEL）Electron beamStep-and-scan wafer stageElectrostatic lens system(4:1 reducti