集成电路制造技术-原理与工艺（第3版）课件 第9章 光刻技术

集成电路制造技术集成电路制造技术JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理与工艺哈尔滨工业大学/田丽光刻技术第九章光刻技术JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU9.1光刻掩模的制造第9章光刻技术CONTENTS9.2光刻胶9.3光学分辨率增强技术9.4紫外光曝光技术9.5其它曝光技术9.6光刻设备第9章光刻技术

掩模就是将设计好的特定几何图形通过一定的方法以一定的间距和布局做在基版上，供光刻工艺中重复使用。制造商将设计工程师交付的标准制版数据传送给图形发生器，图形发生器会根据该数据完成图形的产生和重复，并将版图数据分层转移到各层光刻掩模版（为涂有感光材料的优质玻璃板）上，称为制版。9.1光刻掩模的制造(A)电路图(B)版图(B)第9章光刻技术9.1.1光刻掩模的制造第9章光刻技术9.1光刻掩模的制造线路设计CAD计算机辅助设计、修改电子束光学方式电子束直接描写图形原型掩膜版步进对准机母掩膜版子掩膜版10:15:11:1掩膜版掩模板的制作流程1.制版工艺简介检验原图绘制初缩精缩兼分步重复复印阴版复印阳版修补做好的超微粒干版做好的超微粒干版、铬版、彩色版套准、检验、修补成品包装一般集成电路的制版工艺流程示意图第9章光刻技术9.1.1光刻掩模的制造1.制版工艺简介掩模版的基本构造注意：掩模版上的缺陷（掩模版图形本身的缺陷；附着在掩模版上的外来物）通常在掩模版上装一层保护膜第9章光刻技术9.1.3掩模板的基本构造及质量要求构成图形阵列的每一个微小图形要有高的图像质量，即图形尺寸要准确，尽可能接近设计尺寸的要求，且图形不发生畸变。图形边缘清晰、锐利，无毛刺，过渡区要小，即充分光密度区（黑区）应尽可能陡直地过渡到充分透明区（白区）。整套掩模中的各块掩模能很好地套准，对准误差要尽量地小。图形与衬底要有足够的反差（光密度差）。掩模应尽可能做到无“针孔”、“小岛”和划痕等缺陷。版面平整、光洁、结实耐用；版子要坚固耐磨，不易变形；图形应不易损坏。第9章光刻技术9.1.4掩模板的基本构造及质量要求9.2光刻胶光刻时接受图像的介质称为光刻胶。以光刻胶构成的图形作为掩膜对其它薄膜进行刻蚀，图形就转移到晶元表面的薄膜上，所以也将光刻胶称为光致抗蚀剂。光刻胶的作用：对于入射光有化学变化，保持潜像至显影，从而实现图形转移，即空间图像→潜像。抗蚀剂的作用；129.2光刻胶光刻胶组成感光材料胶的主体，又称光敏剂聚合物材料光的辐照下不发生化学反应，保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性溶剂可以控制光刻胶机械性能9.2光刻胶光刻胶分类按曝光区在显影中被去除或保留来划分：正（性）胶负（性）胶按其用途划分：光学光刻胶电子抗蚀剂X-射线抗蚀剂9.2光刻胶9.2.1光刻胶的特征量灵敏度：又称光敏度，指最小曝光剂量E0抗蚀性耐酸、碱能力粘滞性流动特性的定量指标黏附性与硅、二氧化硅表面结合力的大小光刻胶的膨胀微粒数量和金属含量储存寿命

单位面积的胶曝光所需的光能量：mJ/cm2响应波长9.2光刻胶9.2.2光学光刻胶正胶和负胶进行图形转移示意图光刻胶UV辐照掩模版负胶正胶SiSiO2SiSiO2SiSiO2SiSiO2SiSiO2SiSiO29.2光刻胶1.正胶常用正胶为DQN，组成为光敏剂重氮醌(DQ)，碱溶性的酚醛树脂(N)，和溶剂二甲苯等。响应波长330-430nm，胶膜厚1-3μm，显影液是氢氧化钠等碱性物质。正胶IC主导9.2光刻胶2.负胶负胶多由长链高分子有机物组成：如由顺聚异戊二烯和对辐照敏感的交联剂，以及溶剂组成。响应波长330-430nm，胶膜厚度0.3-1μm，显影液二甲苯等。负胶二、光刻胶3.正、负胶比较正胶，显影容易，图形边缘齐，无溶胀现象，光刻的分辨率高，去胶也较容易。负胶显影后保留区的胶膜是交联高分子，在显影时，吸收显影液而溶胀，另外，交联反应是局部的，边界不齐，所以图形分辨率下降。光刻后硬化的胶膜也较难去除。负胶比正胶抗蚀性强。9.3光学分辨率增强技术移相掩模技术（phaseshiftmask)离轴照明技术(off-axisillumination)光学邻近效应校正技术(opticalproximitycorrection)光瞳滤波技术（pupilfilteringtechnology）9.3光学分辨率增强技术9.3.1移相掩膜技术(PhaseshiftingMask,PSM)d铬膜石英移相层移相掩膜的结构示意图原理：在掩膜版上的某些透明图形上增加或减少一个透明的介质层，称移相器，使光波通过介质层后产生180°的相位差，与邻近透明区域透过的光波产生干涉，从而抵消图形边缘的光衍射效应，提高曝光分辨率。图形尺寸缩小到深亚微米，使用移相掩膜技术-----最有希望拓展光学光刻分辨率的技术之一。9.3光学分辨率增强技术附加材料造成光学路迳差异，达到反相MaskAmplitudeofMaskAmplitudeatwaterIntensityatWater180°PhaseShift通过移相层后光波与正常光波产生的相位差d——移相器厚度；n——移相器介质的折射率；λ——光波波长。9.3.1移相掩膜技术(PhaseshiftingMask,PSM)9.3光学分辨率增强技术移相掩模的主要类型有交替式PSM衰减型PSM边缘增强型PSM无铬PSM混合PSM9.3.1移相掩膜技术(PhaseshiftingMask,PSM)9.3光学分辨率增强技术9.3.2离轴照明技术

离轴照明技术是指在投影光刻机中所有照明掩模的光线都与主光轴方向有一定夹角，照明光经过掩模衍射后，通过投影光刻物镜成像时，仍无光线沿主光轴方向传播。离轴照明实现方式：环形照明四极照明两极照明1.Annularill.2.Quadrupoleill.3.Dipoleill.9.3光学分辨率增强技术可以减小对分辨率的限制、增加成像的焦深是被认为最有希望拓展光学光刻分辨率的一种技术之一9.3.2离轴照明技术9.3光学分辨率增强技术9.3.3光学邻近效应校正技术

光学邻近效应是指在光刻过程中，由于掩模上相邻微细图形的衍射光相互干涉而造成像面光强分布发生改变，使曝光得到的图形偏离掩模设计所要求的尺寸和形状。光刻图形的特征尺寸越接近于投影光学光刻系统的极限分辨率时，邻近效应就越明显。光学邻近效应校正的种类有线条偏置法形状调整法加衬线法微型灰度法9.3光学分辨率增强技术9.3.4光瞳滤波技术光瞳滤波技术就是利用滤波器适当调整投影光学光刻成像系统的光瞳处掩模频谱的零级光与高频光的振幅或相位的关系，使高频光部分尽量多的通过，减少低频光的通过，从而提高光刻图形成像对比度，达到提高光刻分辨率和增大焦深的目的。光瞳滤波的种类有：振幅滤波相位滤波复合滤波9.4紫外光曝光技术光源：主要是UV，DUV水银弧光灯：准分子激光DUV光源：KrF248nm

0.35-0.18µm工艺；ArF193nm，可用于130-7nm工艺；i线365nm；h线405nm；g线436nm曝光光源类型演变历程EUV光源：13.5nm，可用于7-3nm或更小特征尺寸工艺9.4紫外光曝光技术接触式曝光接近式曝光投影式（步进）曝光1:1曝光系统4或5倍缩小曝光系统9.4紫外光曝光技术接近式曝光S≈5

μm透镜光源掩模版硅片接近式曝光装置示意图9.4紫外光曝光技术接近式曝光接近式BECLaθB`E`sΔxGG`-2λ/a-λ/a0+2λ/a+λ/a接近式曝光衍射示意图s≥5µm，λ=400nm，a≥

2µm，R=250/mm。只能用于3µm工艺9.4紫外光曝光技术投影式曝光掩模板投影系统硅片支架支架对准系统光源投影光刻系统示意图Da投影曝光原理示意图两像点能分辨最小间隔数值孔径NA在0.2-0.45之间，取0.4λ=400nm,δy=0.61μm9.5其它曝光技术电子束光刻X-射线光刻离子束光刻新技术展望9.5其它曝光技术9.5.1电子束光刻电子束曝光是用低功率密度的电子束直接描画或投影照射电致抗蚀剂，经显影后在抗蚀剂中产生图形的一种微细加工技术。它的特点是分辨率高、图形产生与修改容易、制作周期短。电子束光刻已应用于制造高精度掩模版、移相掩膜版和x射线掩模版。9.5其它曝光技术9.5.1电子束光刻电子束扫描方向光刻胶衬底实际光刻胶图像电子束散射效应示意图理想线CBA电子束曝光过程中的邻近效应示意图电子束的散射有前向散射和背散射，背散射角大，是造成邻近效应的主要原因9.5其它曝光技术9.5.2X射线光刻以高强度的电子束轰击金属靶材，使其发射X射线，X射线作为曝光光源。掩膜版：为了X-射线能够透过，掩膜版很薄，对X射线透明的Si、SiN、BN和聚酯薄膜为基片在上面淀积金薄膜。电子束制版方法制备掩膜版。9.5其它曝光技术9.5.2X射线光刻光源光谱掩模版圆片dDSWWrSdSdxx几何畸变X射线曝光系统图形畸变示意图影响分辨率的不是衍射，而是半阴影和几何畸变。9.5其它曝光技术9.5.2X射线光刻在电子抗蚀剂中加入铯、铊等，能增加抗蚀剂对X-射线的吸收能力，可以使之作为X-射线抗蚀剂。吸收体(Au,W,Ta)薄膜(BN,Si3N4,Si,SiC)衬底(Si芯片)框架IBMX射线掩膜版9.5其它曝光技术9.5.3离子束光刻利用离子本身具有的能量来实现各种工艺目的；离子束光刻采用液态原子或液态原子电离后形成的离子通过电磁场加速及电磁透镜的聚焦或准直后对光刻胶进行曝光。离子束注入，是利用元素离子本身所具有的化学性质--掺杂效应，通过将高能杂质离子注入到半导体晶体表面，以改变晶体表面的化学性质和物理性质；离子能量在10keV以下时，离子束常被用来作为离子束刻蚀和离子束外延；当能量在几十至70keV时，则被用作离子束曝光。9.5其它曝光技术9.5.3离子束光刻金属离子源质量分离器下透镜基体上透镜引流管多通道平台CVD喷嘴聚焦离子束系统截面示意图9.5其它曝光技术9.5.4浸入式光刻全氟聚烷基醚油用水替代空气9.5其它曝光技术9.5.5新技术展望1.多重图案曝光技术多重图案曝光技术是为提高光刻技术的特征密度而开发的一种技术；用于10nm和7nm节点半导体工艺及以上。自对准双重图案(SADP)：最简单的多重图案工艺是双重图案，它将特征密度提高了两倍；9.5其它曝光技术将SADP加倍可以得到四重图案化工艺(SAQP)。193nm浸没式光刻的SADP可以实现20nm的半间距分辨率，但是SAQP可以实现~10nm的半间距分辨率。多重图案理论上是可以实现7nm节点工艺制程，但是需要的光罩数量非常多，工艺复杂，量产难度大。反射镜由吸收体和非吸收体形成图案；9.5其它曝光技术极紫外光刻（EUV）EUV的工作原理如下激光对准氙气喷嘴，使氙气等离子化，电子逃逸，从而发出波长为13.5nm的光；光进入聚光器，汇聚并照到掩模反射镜上；掩模上的图案被反射到四到六个曲面反射镜上，从而将图像微缩，并将图像聚投到硅衬底上。9.5其它曝光技术