半导体光刻技术

1、光刻工艺介绍Outline 1.光刻工艺及材料2.光刻胶的成像机理3.光刻工艺交流1. 光刻工艺及材料光刻就是将掩膜版上的几何图形转移到涂有一层光刻胶的硅片表面的工艺过程。光刻概述PHOTOLITHOGRAPHY光刻总的质量要求： 条宽符合指标要求 套刻精度符合指标要求 胶厚符合指标要求 无缺陷 胶图形具有较好的抗腐蚀能力关键层： 直接影响器件的电学性能或对最终成品率有重大影响 条宽要求最严格 套刻精度要求最严格光刻概述PHOTOLITHOGRAPHY光刻工艺流程Hard bakeStrip PREtchPrevious ProcessIon ImplantRejectedSurface pr

2、eparationPR coatingSoft bakeAlignment& ExposureDevelopmentInspectionPEBApprovedCleanTrack systemPhoto BayPhoto cellPhoto process光刻设备及材料光刻版 HMDS光刻胶显影液 EBR设备：材料光刻机匀胶机 显影机HMDSHydrophilic SurfaceSubstrateSiSiSiSiOOOO(H3C)3Si(H3C)3Si(H3C)3Si(H3C)3SiT-n NH3Hydrophobic SurfaceLow Contact AngleHigh Contact

3、AngleSubstrateSiSiSiSiOHOHOHOH(H3C)3SiSi(CH3)#NH(H3C)3SiSi(CH3)#NH* We can check wafer surface condition by contact angle* Need to clean the vaporized gas supply pipe to remove particle source 3HMDS聚合物材料 固体有机材料 光照下不发生化学反应 作用：保证光刻胶的附着性和抗蚀性，同时也决定光刻胶的厚度、 热稳定性。感光材料(PAC)： 被曝光而发生化学反应，改变光刻胶的溶解性 正性光刻胶：不可溶变为

4、可溶 负性光刻胶：可溶变为不可溶溶剂： 使光刻胶被涂到硅片表面前保持液态 添加剂：改变光刻胶的特性性能，比如降低反射率等。 光刻胶 Photo and Photoresist Photoresist classify (base on light source and )R = k1* /NADOF= k2* /(NA)NA = n * sinImage PlaneLensfdn : Air R.I(1)Mercury lamp 为了得到更小的线条（分辨率），就必须选用更短波长的光源。汞灯中波长小于365nm的光光强太弱，不能用于化学放大光刻胶中。所以，在248nm以下光刻中，光源选用准分子激

5、光或氟分子激光。它们是单一波长的光。一般stepper或scanner的曝光源，都是通过滤光片将其他不需要的光过滤掉，只留下365nm或436nm的光。接触式曝光机一般用宽谱曝光，即没有将光源的其他光过滤掉。 光刻胶的基本要求EBREdge Bead Removal EBR化剂的成份一般和光刻胶的溶剂成份相同。正胶的EBR一般 成份为PGMEA(丙二醇甲醚醋酸酯)和PGME(丙二醇甲醚),比例 为30%和70%。 EBR除了用于去边、背清之外，也用于金属层之后返工去胶用。 EBR的控制点为金属杂质含量。光刻版Reticle(NIKON Stepper)ShotReticleBladeGuard

6、 RingUv LightStagePellicleCr PATTERNParticleOut of FocusWaferParticle size on the reticle is decided by its printablityResolution limit AND DOF2光刻机的发展31光刻机基础介绍光 刻 机 的 发 展光刻机的发展主要从二十世纪70年代到现在，从早期的线宽5微米以上到现在的亚微米尺寸，从汞灯光源到KrF等，按曝光方式大致将光刻机分为五代。Future步进扫描光刻机分步重复光刻机扫描投影光刻机接触式光刻机接近式光刻机光 刻 机 的 发 展工作能力下降减小了分辨

7、能力，获得小的关键尺寸成问题接近式光刻机缓解了沾污问题。机器容许偏差控制的要求，定位容差要求不超过几十纳米机器制造难度和镜头的制造难度大步进传动误差小于特征尺寸的1/10是一种混合设备融合了扫描和分步光刻机解决了细线条下CD的均一度为了解决曝光场的限制和关键尺寸减小等问题20世纪80年代后期，可以使用缩小透镜提高了套刻均一度，提供了高分辨率因为采用1:1的掩模版，若芯片中存在亚微米尺寸，掩模版不能做到无缺陷20世纪80年代初解决了沾污和边缘衍射 接近式光刻机扫描投影光刻机分步重复光刻机步进扫描光刻机接触式、接近式、投影式光刻机光路示意图分步重复光刻机光路示意图制约分辨率的因素接触式曝光机，膜厚

8、越薄，越有利于提高分辨率。5:1 lensUVUVStep and ScanImage FieldScanStepperImage Field(single exposure)4:1 lensReticleReticleScanScanWaferWaferStepping directionRedrawn and used with permission from ASM Lithography第五代光刻机 stepper和scanner的区别扫描光刻机原理ScannerUV lightReticle field size20 mm 15mm,4 die per field5:1 reduct

9、ion lensWaferImage exposure on wafer 1/5 of reticle field4 mm 3 mm,4 die per exposureSerpentine stepping patternNIKON Stepper设备名称介绍NSR2005G8CNSR NIKON Step and Repeat Exposure System20 Max. Exposure Field is 20mm Square05 Reduction Ratio is 1/5G G-Line is Used as Exposure Light Source8 Body Type Num

10、berC Projection Lens Type光刻机三巨头光刻机简介Exposure FieldNIKON StepperField20mm15mm(mm)28.2821.23Max. Width20000 2000015080 14940Max. Length19166 204009300 18860Square20000 2000015010 15010主要性能参数k : 工艺系数kMIN =0.61NA : 数值孔径: 光源波长G-line (436nm)、I-line (365nm)、KrF (248nm)、ArF、F2、数值孔径 Numerical ApertureNA: 描述多

11、光学元件透镜系统的性能fDn: 透镜折射率2: 像点张角D: 透镜直径f: 透镜焦距Resolution limit定义为清晰分辨出硅片上间隔很近的特征图形的能力。图形的分辨率与设备的光学特性采用的光刻胶及光刻工艺环境有关。ResolutionResolutionLIGHE SOURCEProcess/resist improvementsImproved optical schemesLens design improvementsResolution limit代价Lower k1High NASmaller 更换光源 光源的成本增加，准分子激光的输出功率较小，光刻胶也需要进行改进DOF越

12、小，意味着镜头的材料改变工艺改进的问题Resolution limitFOCUS AND DOFDOF的定义 焦点周围的一个范围，在这个范围内图像连续的保持清晰，这个范围被称为焦深或DOF。描述焦深的方程式是：K2的数值范围在0.8到1.2之间Diffractionintensityposition0 order-1 order+1 orderSlitDiffracted light raysPlane light waveR = k1* /NADepth of Focus-1th Order+1th Order0th OrderDOFDOFShort wavelengthLong wavel

13、ength+-PhotoresistFilmDepth of focusCenter of focusLensUV013571357LensQuartzChromeDiffraction patternsMask下图显示：NA值越大，越能获取1级或者2级的衍射光，分辨率越高。但是，上图显示，NA值增大，则DOF变小。R = k1* /NADOF= k2* /(NA)NA = n * sinn = 0n = 1n = 3Reticle levelWafer levelDC biasResist Zero and +1st order waveformZero and 3rd order wave

14、formDiffraction OrdersZero order waveformsum+First orderThird order Recombination of OrdersZero orderRecombination of OrdersImagePerfect Imagesum of the ordersAmplitudeAmplitude WaferFourier Coefficients-0.4-0.200.20.40.60.8012345678910AmplitudeOrder number-0.4-0.200.20.40.60.8012345678910Order numb

15、erAmplitude-3 -1 0 +1 +3-1 0 +1 -3 +3Mask Technology OverviewCompare with Alternative PSM and Binary maskon waferLENS Binary MaskE-fieldI-fieldCrQzLight00+on waferon wafer0Alternative PSMCrQzLightShifterLENS0+-on wafer主要性能参数型号NAR(k=0.61)R(k=0.80)DOF1505G7D0.45436nm0.59um0.78um2.15um1505I7A0.45365nm0

16、.49um0.65um1.80um1505G6E0.54436nm0.49um0.65um1.50um2005G8C0.54436nm0.49um0.65um1.50um2005I8B0.50365nm0.45um0.58um1.46um2005I10C0.57365nm0.39um0.51um1.12um2005I11D0.63365um0.35um0.46um0.92um对位过程初始化基准标记位置 (Found Coordinates)光刻版对位 (Align to Fiducial Mark)园片对位 (Base on the Coordinates)Pre-Alignment (Fin

17、d the Orientation Flat)Search AlignmentLSA (Laser Step Alignment)FIA (Field Image Alignment)g-EGA Alignment (Enhanced Global Alignment)LSAFIAAlignment ProcessAlignment MarkLSA vs. FIA对位方式光源优点缺点LSA激光灵敏度高，识别能力强，适合绝大多数层次不适合铝层及对位标记不对称的情况FIA卤素灯适合铝层及非对称对位标记对位速度慢，对台阶要求高Wafer Search AlignmentSearch Y-T 对位；确

18、认圆片旋转；确认Y位置；确认X位置；进行EGA对位。Wafer EGA AlignmentEGA CorrectionOffset (um)Scaling (PPM)Wafer Rotation (urad)X-Y Orthogonality (urad)Shot Magnification (PPM)对位点个数对对位精度的影响Misalign影响光刻机的一些因素温度：温度对掩模版台、光学元件、承片台和对准系统产生影响。所以高温照明系统和电源通常放在远离设备主体的地方。湿度：湿度能影响空气密度，不利于光通过；从而对干涉计定位、透镜数值孔径和聚焦产生不利影响。振动：振动的发生将给定位、对准、聚焦

19、和曝光带来问题。可能产生定位错误、对准错误、离焦和不均匀曝光。大气压力：大气压力的变化可能影响投影光学系统中空气的折射率。将导致不均匀线宽控制和极差的套准精度。前烘和前处理涂胶Spin Coating滴胶回吸旋转涂胶EBRReady for soft Bake涂胶Spin Coating 热板加热，wafer直接和热板全面接触，热传导很快，热量从下往上传导。溶剂挥发快。优点：均匀性好！烘箱加热，热量通过空气传导给wafer，需要时间长，且会存在均匀性问题。微波加热，热量从上往下，光刻胶表面会先变硬，如胶厚度较厚，底下的溶剂不好挥发。注意事项：Soft bake 温度过高，会导致曝光能量增大和分

20、辨率降低。因为温度太高，会导致羧酸扩散变差。Soft bake 温度过低，溶剂残留过多，导致光刻胶热稳定性变差。如果测定显影前后光刻胶膜厚的变化较大，增加Soft bake 温度。驻波效应Standing wave effect 前烘PEB Post exposure bakeWithout PEBWith PEBPEB促使光刻胶里面的羧酸扩散，以及树脂有限度的流动，从而有效减小驻波效应的影响。HMDS、前烘、及PEB之后的步骤，都需用通过冷板冷却。前烘后，如果没有冷却到23度，直接曝光，则图形变差。PEB后，如果没有冷却，将会导致过显影。硅片冷却显影显影流程显影形貌坚膜Hard bake2.

21、光刻成像机理和图形控制silicon substrateoxidephotoresistPositive photoresist imaging theory IslandWindowAreas exposed to light become photosoluble.Resulting pattern after the resist is developed.Shadow on photoresistExposed area of photoresistChrome island on glass maskphotoresistsilicon substrateoxideUltraviolet LightPrints a pattern that is