集成电路制造技术 课件 第二章-光刻工艺

集成电路制造技术光刻工艺一、光刻工艺概述二、光刻工艺流程三、匀胶显影机四、光刻机五、光刻掩模版六、计算光刻第一节光刻工艺概述集成电路制造的主要工序在整个集成电路制造工艺中，光刻工艺的成本约为整个芯片制造工艺的35%，并且耗费时间约占整个芯片工艺的40%-60%。集成电路制造中光刻工艺的作用光刻是前道制造的核心环节光刻技术和设备的不断发展推动摩尔定律延续集成电路制造中光刻工艺的作用半导体技术的发展和摩尔定律的延续，主要归功于光刻技术和设备的不断发展光刻基本原理1.业界主流光刻类型半导体制造中光刻曝光工艺发展进程及分类光刻基本原理2.投影式曝光投影式光刻投影式光刻=用光将掩模上的图形转移到晶圆表面系统关键构成：光源（i-line、DUV、EUV）掩模（二值掩模、相移掩模、EUV掩模）投影系统（透射式、反射式）光刻胶（正胶、负胶、CAR、EUV光刻胶）

95分辨率是光刻机能清晰投影最小图案的能力，是光刻机的三大技术指标之一，决定了光刻机能够被应用于的工艺节点水平，又称为关键尺寸（criticaldimension,CD）瑞利判据光刻工艺参数k1——工艺因子λ

——波长NA——数值孔径为减小CD，可以：采用更小的波长增大数值孔径光刻波长演进过程采用浸没式光刻提升NA投影式光刻成像系统分析分辨率受限的原因分析实际系统中光学元件的尺寸（数值孔径NA）有限，收集高阶光的能力有限。当掩模上的图形间距逐渐减小，光的衍射现象愈发强烈(即各阶衍射光的衍射角度增大)。衍射受限系统随着CD减小的成像过程示意图线宽粗糙度光刻胶线条示意图线宽粗糙度是衡量光刻胶形成的线条或沟槽这样具有两个相互平行边缘的图形之间距离变化的参数，可以反映由于边缘粗糙导致的光刻胶线宽相对于目标值的偏离，可通过高分辨率的电子显微镜测量得到。光刻工艺参数套刻误差套刻简化过程套刻误差(overlay)用于定量描述当前层图形相对于参考层图形沿X和Y方向的偏差，以及这种偏差在晶圆表面的分布。为保证上下层间电路的可靠连接，一般要求当前层中某一点与参考层中对应点之间的对准偏差须小于图形最小间距的1/3。光刻工艺参数工艺窗口光刻工艺窗口是半导体制造中用于衡量光刻工艺稳定性和可靠性的关键指标，反映了光刻工艺在关键参数（如曝光剂量、焦距等）允许偏差范围内仍能实现合格图形转移的能力。工艺窗口越大，工艺的容错性越高，良率也越有保障。光刻工艺参数光刻工艺窗口的核心参数曝光剂量(ExposureDose)：光刻胶接收的光能量，直接影响光刻胶的化学反应程度。窗口要求：剂量不足会导致光刻胶残留，剂量过大会导致图形过曝。工艺窗口需确保在剂量波动时仍能形成清晰图形。焦距(Focus)：光刻机光学系统的聚焦位置。窗口要求：焦距偏离理想值会导致图形模糊或分辨率下降。工艺窗口需允许一定焦距偏差（即焦深DepthofFocus,DOF）。聚焦值对光刻胶CD和形貌的影响工艺窗口FEM实验设置与结果示意图光刻工艺参数光刻工程师要保证对掩膜上所有图形都有足够的工艺窗口，通常的做法是首先做FEM(曝光-能量矩阵)实验，找出最佳曝光能量和聚焦值，并使用FEM数据来确定工艺窗口。每个小方格代表一个shot，从左往右曝光能量逐渐增大，步长ΔE，从下往上聚焦值增大，步长ΔF，这样每个shot里图形的线宽对应一组E，F值，做两次及以上的FEM实验通常就能找到最佳的曝光能量和聚焦值(所谓最佳，就是在这个能量下曝光出来的线宽等于目标值，且聚焦值有最大的允许范围)，并且使得最佳能量和聚焦值位于正中间的shot。工艺窗口EL和DOF定义示意图光刻工艺参数光刻工艺窗口分析：通过对FEM数据进行分析处理以获得工艺窗口的过程，一般希望得到曝光剂量和焦距的范围(即EL和DOF)，还有最佳曝光剂量(BE)和最佳焦距(BF)。光刻工艺窗口分析(BF,BE)第二节光刻工艺光刻工艺流程1.光刻工艺流程概述光刻工艺流程的一般顺序是：衬底表面清洗、涂胶、曝光前烘焙、掩模版对准及曝光、曝光后烘焙、显影及冲洗、显影后烘焙。典型的光刻工艺流程现代光刻的基本流程及主要设备2.表面清洗衬底表面清洗旨在提高光刻胶材料对衬底的附着力。硅基衬底表面清洗会用到疏水化处理，常用到六甲基二硅烷(HMDS)，以将亲水性基团置换为疏水性基团来提高光刻胶的附着力。HMDS气体预处理3.涂胶旋转涂胶工艺可以在特定的转速下得到薄且均匀的光刻胶涂层。光刻胶按照用途又可以分为正性光刻胶和负性光刻胶。正负光刻胶图形转移机理4.曝光前烘焙曝光前烘焙(PAB)，简称前烘，也称为软烘(SB)，以去除旋涂后光刻胶中的绝大部分多余溶剂。减少溶剂含量的主要原因是为了稳定光刻胶抗蚀剂膜。前烘完成后晶圆要转移到低于室温的冷板上。冷却后，晶圆准备好进行光刻曝光。5.掩模版对准及曝光最常见的曝光方法是投影式曝光。投影式曝光的名称来源于将掩模的图像投影到晶圆上的事实，掩模版被移动到晶圆上预先定义的恰当位置，然后由投影透镜将图形转移到硅片上。对于第一层图形，由于衬底上没有图形，直接将掩模版相对移动到预先定义的(芯片区域的划分方式)大致位置。对第二层及以后层的图形转移，光刻机需要对准前层曝光留下的对准标记，将本层掩模套印在已有的图形上。影响光刻对准的因素有很多，主要包括对准标记、光刻胶厚度、对准方式等。6.曝光后烘焙曝光完成后，光刻胶需要再进行一次烘焙，称为曝光后烘焙(PEB)，简称后烘。曝光后烘焙旨在通过加热使得光化学反应进行完全，同时可以有效减少驻波效应。驻波效应是指曝光时光线透过光刻胶照射在衬底上，在光刻胶和衬底的界面处的光线会被反射，而这些反射光和入射光会形成干涉，使得光强沿胶深方向的分布不均匀。7.显影与冲洗由于常用的光刻胶呈酸性，使用强碱性溶液作为显影剂。光刻胶-显影剂相互作用的特性在很大程度上决定了光刻胶轮廓的形状和线宽的控制。对于正性光刻胶，曝光区域被显影液洗去，掩模版的图形在晶圆上便在光刻胶薄膜上以二元图形的方式显示出来。对于负性光刻胶，显影区域恰好相反。预润湿显影喷淋显影液表面停留显影液清洗旋转甩干显影工艺的一般步骤8.显影后烘焙显影后烘焙，又称坚膜烘焙(HB)。用于最终固化光刻胶图像，使其能够承受离子注入或刻蚀的恶劣环境。9.光刻测量在显影后烘焙完成之前或之后，出于质量控制的目的，对光刻胶图形的一些样本进行检查和测量。这一步测量和检查称为显影后检测(ADI)。不符合要求的晶圆(或整批)可以返工。10.光刻图形二次转移及去胶刻蚀是最常见的光刻图形二次转移方法，将要图形化的材料的均匀沉积在衬底上。刻蚀完成后，需要剥离光刻胶，留下蚀刻到沉积层中的所需图形。主要有两类光刻胶剥离技术：湿法剥离和等离子干法剥离。第三节匀胶显影机匀胶显影机1.匀胶显影机的功能光刻过程仅仅依靠光刻机是不够的，还需要匀胶显影一体机的配套使用。匀胶显影一体机是光刻机的输入和输出设备。在曝光前，由匀胶显影一体机中的匀胶设备对硅片进行光刻机涂布；而在曝光后，由显影设备对光刻图案进行显影处理。匀胶显影一体机承担着除了曝光以外的所有光刻工艺，包括光刻机的涂布、烘烤、显影、硅片背面的清洗，是集成电路制造过程中不可或缺的关键设备。2.匀胶显影机的发展在早期较低端半导体制造工艺中，匀胶显影设备往往单独使用（OffLine），随着技术的提升和对工艺精度的要求，在大型生产线中，匀胶显影设备与光刻设备联机使用（OnLine）。早在20世纪70年代，美国的柯比尔特(Cobilt)公司就已经推出了匀胶显影一体机，但在20世纪80年代初，该产品被卖给了东京电子有限公司(TokyoElectronLimited,TEL)，后者更是成为了如今光刻涂胶显影设备领域市场份额最大的企业。匀胶显影一体机—TelPROZ3.匀胶显影机的结构匀胶显影机一般由四部分构成：第一部分是晶圆盒工作站：机械手从晶圆盒中把晶圆抽出来,传送到工艺处理部分。第二部分是工艺处理部分：主要包括增粘模块、热板、冷板、旋涂、显影等主要工艺单元。第三部分是和光刻机联机的接口界面：包括暂时储存晶圆的缓冲盒、晶圆边缘曝光和光刻机交换晶圆的接口等。晶圆盒工作站联机接口工艺处理部分匀胶显影机结构配置图9595第四部分：匀胶显影机还配置有几个独立的机柜,分别是电力柜、温湿度控制器、化学品柜等。这些机柜分别通过电缆、微环境控制系统、化学品输送管路、水管、废液收集管路和匀胶显影机中的工艺单元连接,提供工艺保证。配套系统匀胶显影机及其配套机柜和化学品柜在晶圆厂内的一个典型布置。结构布置4.匀胶显影机的控制程序序号单元编号单元单元菜单功能101-*STARTSTAGE

开始311-33SLIMCHILLPLATE22C27S把晶圆温度确定在22℃411-1ADVANCEDBARCOATERARC160-75NM-EBR0.65NM旋涂抗反射涂层511-12CHILLINGCGHB-CH220C60S26S220℃烘烤60S611-31SLIMCHILLPLATE22C27S把晶圆温度确定在22℃711-3ADVANCEDCOATERAR2772-150NM旋涂光刻胶811-14CHILLINGPRECISIONHP115C60S35S115℃烘烤60S911-16WAFEREDGEEXPSUPERIORDBRKA/DBRKA-PCZ-WEE1.1MM晶圆边缘曝光1130-1EXPOSUREINTERFACE

晶圆传送到光刻机曝光1214-15CSHPWARPAGELEVEING115C60S22S115℃烘烤60S1314-31SLIMCHILLPLATE22C27S把晶圆温度确定在22℃1414-1DEVELOPERP-MGP-B61-5S显影1514-11CHILLINGLOWTEMPHP110C60S22S110℃烘烤60S1614-33SLIMCHILLPLATE22C27S把晶圆温度确定在22℃1801-*ENDSTAGE结束95晶圆在匀胶显影机里的工艺流程由一个程序来控制,称为流程控制程序(trackflowrecipe)。这个程序确定晶圆经过哪些工艺单元,在每一个工艺单元内部应该使用哪一个单元程序。首先是两次光刻材料(抗反射涂层、光刻胶)的旋涂和对应的烘烤;然后是晶圆背面清洗及送到光刻机做曝光;曝光之后显影。recipe匀胶显影机的流程控制程序5.匀胶显影机的主要工艺单元一、光刻胶旋涂单元光刻胶旋涂单元结构光刻胶的涂布是在匀胶显影机的涂胶单元(CoatingUnit)中完成的。旋涂单元负责：对晶圆表面做光刻胶涂覆,实现指定的厚度和均匀性；边缘清洗(即去边),把边缘多余的光刻胶清洗掉:晶圆背面的冲洗,把溢流到晶圆背面的光刻胶和其他原因污染的颗粒冲洗干净单元中多个机械部件必须在程序控制下联动,以保证按顺序,在指定的位置,完成规定的动作。晶圆边缘和背面光刻机堆积一、光刻胶旋涂单元二、烘烤和冷却单元烘干是在匀胶显影机内的热板(HotPlate)上进行的。光刻胶旋涂完成后,下一道工序就是烘干(PostApplyBake,PAB),又叫软烘(SoftBake)。曝光后晶圆需要立即被传送到匀胶显影机内的热盘上，进行烘烤，这一步叫曝光后烘烤(PostExposureBake,

PEB)。显影之后需要去除残余的显影液、水、有机溶剂，要进行烘烤，称为坚膜(HardBake)。烘烤和冷却单元结构三、边缘曝光单元晶圆边缘多余的光刻胶还可以通过光学的办法来清除,称为晶圆边缘曝光(WaferEdgeExposure,WEE)。在涂胶和烘烤完成后,晶圆被传送到边缘曝光单元。边缘曝光单元也是匀胶显影机的一部分。晶圆的边缘部分被曝光,激发光化学反应。这样在最后显影时,边缘的光刻胶就与曝光图形同时溶解在显影液里。边缘曝光单元结构四、显影单元显影是在匀胶显影机的显影单元(DevelopUnit)中进行的。显影单元包含一个转台用于承载晶圆,几个喷嘴分别用于喷洒显影液、去离子水(DIWater)。机械手把晶圆放置在转台上,喷嘴把显影液喷洒到晶圆表面,显影开始。规定的显影时间结束后,用去离子水冲洗晶圆。最后,转台高速旋转甩干晶圆。显影液喷嘴可以分成三类：第一是扫描式细长喷口,第二种是多个喷嘴的动态喷淋第三种是一个喷嘴。晶圆显影过程显影液喷嘴分类第四节光刻机光刻机1.光刻机的功能光刻机是半导体制造中用于将电路图形精确转印到硅片表面的核心设备。它通过特定波长的光源发出光，经照明系统调制后，穿过带有集成电路图案的掩模版，再由投影物镜系统将图案缩小并精确投影到硅片表面的光刻胶上，引发光刻胶的光化学反应。随后通过显影等工艺将掩模版图案复制并微缩到硅片上，从而确定芯片的关键尺寸，实现集成电路图案的精准复制。光刻机—ASML2.光刻机的发展历程3.光刻机的结构晶圆台掩模版台晶圆传输控制台掩模版传输控制台投影系统光刻机结构示意图95光刻机主要由光源、光学系统、掩模台、硅片台、对准系统、控制系统等构成，其中光学系统负责图案投影，掩模台和硅片台实现精密定位，对准系统确保图案精确对齐。ASML一、成像系统光源光源装置投影物镜掩模版晶圆照明系统衍射成像系统光刻机的成像系统是曝光的核心环节，主要由光源、照明系统、掩模版、投影物镜和晶圆承载台构成，工作时先由特定波长的光源（如EUV极紫外光）经照明系统匀光后照射掩模版，再由投影物镜将图案按比例缩小并精准投射到涂有光刻胶的晶圆表面，最终通过光刻胶的感光反应实现电路图案的转移。成像系统光学成像规律二、掩模版掩模版对应的图案光刻工艺的作用是将掩模版上的图形转移到硅片上，而掩模版的发展也经历了从接触式(接近式)到投射式的演变。投射式光刻技术通过透镜将掩模版上图形按照一定比例(一般为４：１)投射到硅片上，无接触、污染少，分辨率极限小，目前已经在集成电路制造领域占主导。掩模版三、投影物镜系统投影物镜投影物镜系统是光刻机的“成像核心”，它的核心任务是将光刻掩模版上绘制的芯片电路图案，按固定比例（如1:4）精准缩小，并清晰投影到涂有光刻胶的晶圆表面。在这个过程中，它既要消除球差、像差等光学误差以保证高分辨率和高对比度，避免电路图案模糊影响芯片良率，又要与光刻机的光源（如深紫外DUV、极紫外EUV）波长精准匹配，同时在晶圆移动或曝光时始终维持稳定成像效果晶圆掩模版四、晶圆-双工件台系统ASML光刻机双工件台系统ASML的双工件台系统是其光刻机的核心技术之一。该系统包含两个独立的工件台，当其中一个工件台在曝光区域接受光束扫描、完成电路图案曝光时，另一个工件台可在非曝光区域同步进行晶圆加载卸载、对准测量、参数调整等准备工作。两个工件台通过高精度机械结构和控制系统快速切换位置，实现曝光与准备流程的无缝衔接。这种设计能将光刻机的产能提升约30%。第五节光刻掩模版光刻掩模版95光刻工艺的作用是将掩模版上的图形转移到硅片上，而掩模版的发展也经历了从接触式(接近式)到投射式的演变。投射式光刻技术通过透镜将掩模版上图形按照一定比例(一般为４：１)投射到硅片上，无接触、污染少，分辨率极限小，目前已经在集成电路制造领域占主导。应用于投射式光刻技术的掩模版主要分以下几类：双极型掩模版、衰减相移掩模版、交替相移掩模版。1.掩模版的分类双极型掩模版95双极型掩模版(BIM)是指掩模版上区域只存在透光和不透光两种情况(见右图)，按照光阻挡材料，可分为采用铬材料的(chromeonglass,COG)双极型掩模版和采用不透明硅化钼的(opaqueMoSionglass,OMOG)双极型掩模版。（1）双极型掩模版95相移掩模版可以允许将转移到硅片上的图形线宽小于光刻机光源波长，提供更高的分辨率，同时增加了工艺窗口，是当今将实现硅片图形小于光源波长的标准光刻技术。如图是三种掩模版断面结构及成像原理图。（2）相移掩模版相移掩模版极紫外掩模版95极紫外光刻是指波长为13.5nm的极紫外光完成曝光，波长可以提供极高的光刻分辨率。但是几乎所有的光学材料对13.5nm波长的极紫外光都有很强的吸收，因此EUV的光学系统采用反射镜，掩模版也采用反射式。EUV掩模版反射光带有掩模版上的图案信息，经过光刻机的光学系统将图案投射到晶圆表面实现光刻。对于EUV，任何材料的反射率都不高，一般不足1%，对光刻胶曝光时无法提供足够的反射光。因此需要采用多层膜结构提升EUV反射率，EUV的掩模版的结构如图所示。（3）极紫外掩模版2.掩模版图处理设计版图转换成掩模版图形的具体流程电路设计工程师完成设计的版图和用于晶圆制造的掩模版上图案并不相同，需要集成电路制造公司Fab的工程师将设计版图处理成掩模版图形，具体的流程如图所示。第六节计算光刻计算光刻分辨率增强技术流程示意图95分辨率增强技术实际上就是根据已有的掩模版设计图形，通过模拟计算确定最佳光源条件，采用合适的光掩模技术，加入辅助图形和OPC修正，以实现最大共同工艺窗口，流程如图。分辨率增强技术1.光学邻近效应修正95掩模上的图形通过光刻机曝光系统投影在光刻胶上，由于光学系统的不完善