半导体制造工艺_05光刻(下)

半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)1光刻胶的一些问题1、由于硅片表面高低起伏，可能造成曝光不足或过曝光。线条宽度改变！半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)22、下层反射造成驻波，下层散射降低图像分辨率。DUV胶—ARCg线和i线胶—使用添加剂，吸光并降低反射，曝光后显影前的烘烤也有利于缓解其驻波现象。半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)3驻波对于光刻图形的影响半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)4光刻步骤简述前烘对准及曝光坚膜曝光后烘半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)5光刻步骤详述硅片增粘处理高温烘培增粘剂处理：六甲基二硅胺烷（HMDS）匀胶机涂胶：3000～6000rpm，0.5~1mm前烘：10～30min，90～100C热板去除光刻胶中的溶剂，改善胶与衬底的粘附性，增加抗蚀性，防止显影时浮胶和钻蚀。半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)6硅片对准，曝光每个视场对准曝光强度150mJ/cm2曝光后烘烤（PEB）：10min，100C显影：30～60s浸泡显影或喷雾显影干法显影AlignmentmarkPreviouspattern半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)7坚膜：10～30min，100～140C去除残余溶剂、显影时胶膜所吸收的显影液和残留水分，改善光刻胶的粘附性和抗蚀能力显影检查：缺陷、玷污、关键尺寸、对准精度等，不合格则去胶返工。半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)8Stepper&ScanSystemCanonFPA-4000ES1:248nm,8”wafer×80/hr,fieldview:25mm×33mm,alignment:70nm,NA:0.63,OAI透镜成本下降、性能提升视场大尺寸控制更好变形小半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)9图形转移——刻蚀半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)10图形转移——剥离（lift-off）半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)11去胶溶剂去胶（strip）：Piranha(H2SO4:H2O2)。正胶：丙酮氧化去胶450CO2+胶CO2+H2O等离子去胶（Oxygenplasmaashing）高频电场O2电离O－＋O＋O＋活性基与胶反应CO2，CO，H2O。干法去胶（Ash)半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)12光源NGL:X射线(5Å)，电子束(0.62Å)，离子束(0.12Å)光源波长(nm)术语技术节点汞灯436g线0.5mm汞灯365i线0.5/0.35mmKrF(激光)248DUV0.25/0.13mmArF(激光)193193DUV90/65…32nmF2(激光)157VUVCaF2lenses激光激发Xe等离子体13.5EUVReflectivemirrorsNAkR11、Usinglightsourcewithshorter提高分辨率的方法半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)13248nm157nm13.5nm193nm半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)142、Reducingresolutionfactork1PhaseShiftMaskPatterndependent•k1canbereducedbyupto40%NAkR1NormalMask*EEI1.相移掩模技术PSM(phaseshiftmask)附加材料造成光学路迳差异，达到反相半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)15AlternatingPSMAttenuatedPSM……相移技术提高图形分辨率选择性腐蚀石英基板造成光学路迳差异，达到反相i~e2)1/(5.0nd半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)162.光学光刻分辨率增强技术(RET)光学临近修正OPC(opticalproximitycorrection)在光刻版上进行图形修正，来补偿衍射带来的光刻图形变形半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)17OPC实例半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)183、离轴照明技术OAI(off-axisillumination)可以减小对分辨率的限制、增加成像的焦深且提高了MTF半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)19Maskdesignandresistprocess[nm]k14360.83650.62480.3-0.41930.3-0.4NAkR1Resistchemistry436,365nm:Photo-Active-Component(PAC)248,193nm:Photo-Acid-Generator(PAG)Contrast436,365nm:=2-3,(Qf/Q02.5)248,193nm:=5-10(Qf/Q01.3)4、光刻胶对比度改进半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)20Lensfabrication[nm]NA4360.15-0.453650.35-0.602480.35-0.821930.60-0.93NAkR1StateoftheArt:=193nm,k1=0.3,NA=0.93R60nm=1.36R40nmNumericalAperture:NA=nsinaImmersionLithography36.144.12NAnOHanH2O5、增加数值孔径半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)21半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)22半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)23EUV超紫外光曝光半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)24MinimumfeaturesizeProduction20032005200720092011TechnologyNode90nm65nm45nm32nm22nmHalfpitch[nm]110105~80~55~39LG[nm]6042~30~21~16193nm193nmimmersion•193nmimmersionwithhighern?pitchLGP.Bai,et.al.,IEDM2005半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)25EUV（Extremeultraviolet)半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)26反射式掩模版半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)27电子束图形曝光电子束图形曝光主要版。用于掩模版的制作，只有相当少数装置用于将电子束直接对抗蚀剂曝光而不需掩模优点：可以参数亚微米的几何抗蚀剂图案、高自动化及高精度控制的操作、比光学图形曝光有较大的聚焦深度与不同掩模版可直接在半导体晶片上描绘图案。缺点：电子束光刻机产率低，在分辨率小于0.25um时，约为每小时10片晶片。这对生产掩模版、需求量小的定制电路或验证性电路是足够了。而对不用掩模版的直写形成图案方式，设备必须尽可能提供产率，故要采用与器件最小尺寸相容的最大束径。聚焦电子束扫描主要分成两种形式：光栅扫描、向量扫描。半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)28光栅扫描（左）和矢量扫描半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)29电子束光刻问题：1）速度慢！半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)30电子束光刻问题：2）电子散射及二次电子：线条宽束斑真空下工作焦深大直写，无掩膜版半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)31电子束源：热电子发射场发射光发射电子束发射后,被准直或聚焦，然后加速到20kV束斑直径≈100Å和离子注入类似半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)32电子束抗蚀剂电子束抗蚀剂是一种聚合物，其性质与一般光学用抗蚀剂类似。换言之，通过光照造成抗蚀剂产生化学或物理变化，这种变化可使抗蚀剂产生图案。PMMA和PBS分辨率可达0.1微米或更好COP分辨率可达1微米左右半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)33邻近效应在光学图形曝光中，分辨率的好坏是由衍射来决定的。在电子束图形曝光中，分辨率好坏是由电子散射决定的。当电子穿过抗蚀剂与下层的基材时，这些电子将经历碰撞而造成能量损失与路径的改变。因此入射电子在行进中会散开，直到能量完全损失或是因背散射而离开为止。100个能量为20keV的电子在PMMA中的运动轨迹模拟在抗蚀剂与衬底界面间，正向散射与背散射的剂量分布半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)34X射线图形曝光（XRL）XRL图形曝光极有潜力继承光学图形曝光来制作100nm的集成电路。当利用同步辐射光储存环进行批量生产时，一般选择X射线源。它提供一个大的聚光通量，且可轻易容纳10-20台光刻机。XRL是利用类似光学遮蔽接近式曝光的一种遮蔽式曝光。掩模版为XRL系统中最困难且关键的部分，而且X射线掩模版的制作比光学掩模版来得复杂。为了避免X射线在光源与掩模版间被吸收，通常曝光都在氦的环境下完成。可以利用电子束抗蚀剂来作为X射线抗蚀剂，因为当X射线被原子吸收，原子会进入激发态而射出电子。激发态原子回到基态时，会释放出X射线，此X射线被原子吸收，故此过程一直持续进行。所有这些过程都会造成电子射出，所以抗蚀剂在X射线照射下，就相当于被大量的二次电子照射。半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)35半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)36X射线图形曝光的几何效应半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)37离子束图形曝光离子束图形曝光比光学、X射线与电子束图形曝光技术有更高的分辨率，因为离子有较高的质量而且比电子有较小的散射。最主要的应用为修补光学图形曝光用的掩模版。下图为60keV的50个氢离子注入PMMA及不同衬底中的电脑模拟轨迹。半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)38不同图形曝光方法的比较先前讨论的图形曝光方法，都有100nm的或更好分辨率。每种都有其限制：光学法的衍射现象、电子束的邻近效应、X射线的掩模版制作复杂、EUV的掩模版空片的制作困难、离子束的随机空间电荷效应。对于IC的制造，多层掩模版是必需的，然而，所有的掩模版层并不需要都用相同的图形曝光方法。采用混合与配合的方法，可利用每一种图形曝光工艺的优点来改善分辨率与提供产率。根据半导体工业协会的设想，IC制作技术将在2010年时会达到50nm。对于每一代新技术，由于要求更小的特征尺寸与更严格的套准容差，图形曝光技术更成为推动半导体工业的关键性技术。半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)39各种图形曝光技术的比较如下光学248/193nmSCALPELEUVX射线离子束光刻机光源激光电子束极远紫外线同步辐射离子束衍射限制有没有有有没有曝光法折射式折射式折射式直接光照全区折射式步进与扫描是是是是步进机200mm硅晶片的产率（片/h）4030-3520-303030掩模版缩小倍率4x4x4x1x4x光学邻近修正需要不需要需要需要不需要辐射路径穿透穿透反射穿透印刷式抗蚀剂单层或多层单层单层表面成像单层单层化学放大抗蚀剂是是不是是不是半导体制备工艺基础第四章光刻原理(下)40光刻总结理论分辨率：NAkR1短波长光源大NA：透镜系统、浸润小k1：RET及工艺和光刻胶改进实际分辨率：光刻胶、曝光系统、光源PSMOPCOAI焦深:22)(NAkDOF