半導(dǎo)體制造工藝_04光刻(上)

1、半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 1 光刻的作用和目的光刻的作用和目的 圖形的產(chǎn)生和布局圖形的產(chǎn)生和布局 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 2 光刻的定義光刻的定義 光刻是一種光刻是一種圖形復(fù)印圖形復(fù)印和和化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕相結(jié)合的精相結(jié)合的精 密表面加工技術(shù)。用密表面加工技術(shù)。用照相復(fù)印的方法將掩模版上的圖照相復(fù)印的方法將掩模版上的圖 案轉(zhuǎn)移到硅片表面的光刻膠上案轉(zhuǎn)移到硅片表面的光刻膠上，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的有選擇，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的有選擇 刻蝕或注入摻雜刻蝕或注入摻雜 光刻的目的光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金光刻的目的就是在二氧化硅或金 屬

2、薄膜上面刻蝕出與掩膜版完全對(duì)應(yīng)的幾何圖屬薄膜上面刻蝕出與掩膜版完全對(duì)應(yīng)的幾何圖 形，形，把掩模版上的圖形轉(zhuǎn)換成晶圓上的器件結(jié)把掩模版上的圖形轉(zhuǎn)換成晶圓上的器件結(jié) 構(gòu)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)從而實(shí)現(xiàn)選擇性擴(kuò)散選擇性擴(kuò)散和和金屬薄膜布線金屬薄膜布線的目的的目的。 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 3 集成電路的集成電路的特征尺寸特征尺寸是否能夠進(jìn)一是否能夠進(jìn)一 步減小，也與步減小，也與光刻技術(shù)光刻技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展有的進(jìn)一步發(fā)展有 密切的關(guān)系。密切的關(guān)系。 通常人們用特征尺寸來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)集通常人們用特征尺寸來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)集 成電路生產(chǎn)線的技術(shù)水平成電路生產(chǎn)線的技術(shù)水平。 所謂特征尺寸（所謂

3、特征尺寸（CDCD：characteristic dimensioncharacteristic dimension） 是指設(shè)計(jì)的多晶硅柵長(zhǎng)，它標(biāo)志了器件工藝的總是指設(shè)計(jì)的多晶硅柵長(zhǎng)，它標(biāo)志了器件工藝的總 體水平，是設(shè)計(jì)規(guī)則的主要部分。體水平，是設(shè)計(jì)規(guī)則的主要部分。 通常我們所說(shuō)的通常我們所說(shuō)的0.13 m,0.09 m工藝就是工藝就是 指的光刻技術(shù)所能達(dá)到最小線條的工藝。指的光刻技術(shù)所能達(dá)到最小線條的工藝。 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 4 光刻的要求光刻的要求 對(duì)光刻的基本要求：對(duì)光刻的基本要求： （1）高分辨率高分辨率 （2）高靈敏度高靈敏度 （3）精密的

4、套刻對(duì)準(zhǔn)精密的套刻對(duì)準(zhǔn) （4）大尺寸硅片上的加工大尺寸硅片上的加工 （5）低缺陷低缺陷 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 5 1. 高分辨率高分辨率 分辨率是將硅片上兩個(gè)鄰近的特征圖形區(qū)分開來(lái)分辨率是將硅片上兩個(gè)鄰近的特征圖形區(qū)分開來(lái) 的能力，即對(duì)光刻工藝中可以達(dá)到的最小光刻圖的能力，即對(duì)光刻工藝中可以達(dá)到的最小光刻圖 形尺寸的一種描述，是光刻精度和清晰度的標(biāo)志形尺寸的一種描述，是光刻精度和清晰度的標(biāo)志 之一。之一。 隨著集成電路的集成度提高，加工的線條越來(lái)越隨著集成電路的集成度提高，加工的線條越來(lái)越 細(xì)，對(duì)分辨率的要求也越來(lái)越高。細(xì)，對(duì)分辨率的要求也越來(lái)越高。 通

5、常以每毫米內(nèi)能刻蝕出可分辨的最多線條數(shù)目通常以每毫米內(nèi)能刻蝕出可分辨的最多線條數(shù)目 來(lái)表示。來(lái)表示。 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 6 2.2.高靈敏度高靈敏度 靈敏度是指光刻膠感光的速度。為了提高產(chǎn)量靈敏度是指光刻膠感光的速度。為了提高產(chǎn)量, , 要求光刻周期越短越好，這就要求曝光時(shí)間越短要求光刻周期越短越好，這就要求曝光時(shí)間越短 越好，也就要求高靈敏度。越好，也就要求高靈敏度。 3.3.精密的套刻對(duì)準(zhǔn)精密的套刻對(duì)準(zhǔn) 集成電路制作需要十多次甚至幾十次光刻，每集成電路制作需要十多次甚至幾十次光刻，每 次光刻都要相互套準(zhǔn)。次光刻都要相互套準(zhǔn)。 由于圖形的特征尺寸在

6、亞微米數(shù)量級(jí)上，因此，由于圖形的特征尺寸在亞微米數(shù)量級(jí)上，因此， 對(duì)套刻要求很高。要求套刻誤差在特征尺寸的對(duì)套刻要求很高。要求套刻誤差在特征尺寸的 1010左右。左右。 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 7 4.大尺寸硅片的加工大尺寸硅片的加工 提高了經(jīng)濟(jì)效益提高了經(jīng)濟(jì)效益 但是要在大面積的晶圓上實(shí)現(xiàn)均勻的膠膜涂覆，但是要在大面積的晶圓上實(shí)現(xiàn)均勻的膠膜涂覆， 均勻感光，均勻顯影，比較困難均勻感光，均勻顯影，比較困難 高溫會(huì)引起晶圓的形變，需要對(duì)周圍環(huán)境的溫高溫會(huì)引起晶圓的形變，需要對(duì)周圍環(huán)境的溫 度控制要求十分嚴(yán)格，否則會(huì)影響光刻質(zhì)量度控制要求十分嚴(yán)格，否則會(huì)影響光

7、刻質(zhì)量 5.低缺陷低缺陷 缺陷會(huì)使電路失效，因此應(yīng)該盡量減少缺陷缺陷會(huì)使電路失效，因此應(yīng)該盡量減少缺陷 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 8 光學(xué)圖形曝光潔凈室 在集成電路制造中，主要的圖形曝光設(shè)備是利用紫外光=0.2-0.4m的 光學(xué)儀器。主要討論曝光裝置、掩模版、抗蝕劑與分辨率。 塵埃粒子在掩模版圖案上 所造成的不同腐蝕的影響 在IC制造中必須要求潔凈的廠房， 特別是圖形曝光的工作區(qū)域，因?yàn)?塵埃可能會(huì)粘附于晶片或掩模版上 造成器件的缺陷從而是電路失效。 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 9 35的成的成 本來(lái)自于本來(lái)自于 光刻工藝光

8、刻工藝 圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)組成：圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)組成： 掩膜版掩膜版/電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì) 掩膜版制作掩膜版制作 光刻光刻 光源光源 曝光系統(tǒng)曝光系統(tǒng) 光刻膠光刻膠 用于IC制造的掩模版通常為縮小倍數(shù)的掩模版。掩模版的第一步為設(shè) 計(jì)者用CAD系統(tǒng)完整地將版圖描繪出來(lái)。然后將CAD得到的數(shù)據(jù)信息傳送到 電子束圖形曝光的圖形產(chǎn)生器。再將圖案直接轉(zhuǎn)移至對(duì)電子束敏感的掩模版上。 掩模版是由融凝硅土的基底覆蓋一層鉻膜組成。電路圖案先轉(zhuǎn)移至電子敏感層 進(jìn)而轉(zhuǎn)移至底下的鉻膜層，掩模版便完成了 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 10 IC掩模版 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (

9、上上) ) 11 空間圖像空間圖像 潛潛在圖在圖像像 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 12 掩膜版制作掩膜版制作 CAD設(shè)計(jì)、模擬、驗(yàn)證后由圖形發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字圖形設(shè)計(jì)、模擬、驗(yàn)證后由圖形發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字圖形 數(shù)字圖形數(shù)字圖形 4或或5投影光投影光 刻版刻版 投影式光刻投影式光刻 1掩膜版制作掩膜版制作 接觸式、接近式光刻接觸式、接近式光刻 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 13 電子束直寫電子束直寫 熔融石英玻璃片熔融石英玻璃片 80nmCr 1015nmARC（anti- reflection coating） 光刻膠光刻膠 高透明度（

10、散射?。└咄该鞫龋ㄉ⑸湫。?熱膨脹小熱膨脹小 4或或5投影光刻版在投影光刻版在 制版時(shí)容易檢查缺陷制版時(shí)容易檢查缺陷 版上缺陷可以修補(bǔ)版上缺陷可以修補(bǔ) 蒙膜蒙膜(pellicle)保護(hù)防止顆保護(hù)防止顆 粒玷污粒玷污 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 14 掩模版制作過(guò)程掩模版制作過(guò)程 12. Finished 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 15 成品率成品率Y: c AND eY 0 D0:單位面積缺陷數(shù)，單位面積缺陷數(shù)， Ac: 芯片面積，芯片面積， N: 掩膜版層數(shù)掩膜版層數(shù) 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上

11、) ) 16 光刻機(jī) 光刻機(jī)的性能由三個(gè)參數(shù)判斷：分辨率、套準(zhǔn)精度與產(chǎn)率。 分辨率：能精確轉(zhuǎn)移到晶片表面抗蝕劑膜上圖案的最小尺寸； 套準(zhǔn)精度：后續(xù)掩模版與先前掩模版刻在硅片上的圖形相互對(duì)準(zhǔn)的程 度； 產(chǎn)率：對(duì)一給定的掩模版，每小時(shí)能曝光完成的晶片數(shù)量。 光學(xué)曝光方法：遮蔽式曝光和投影式曝光。 遮蔽式曝光：可分為掩模版與晶片直接接觸的接觸式曝光和二者緊密相 鄰的接近式曝光。若有塵?；蚬柙度胙谀０嬷?，將造成掩 模版永久性損壞，在后續(xù)曝光的晶片上形成缺陷。 投影式曝光：在掩模版與晶片間有一距離，10-50um。但這一間隙會(huì)在掩 模版圖案邊緣造成光學(xué)衍射。導(dǎo)致分辨率退化。 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章

12、第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 17 三種硅片曝光模式及系統(tǒng)三種硅片曝光模式及系統(tǒng) 接觸式接觸式 接近式接近式 投影式投影式 1:1曝光系統(tǒng)曝光系統(tǒng) 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 18 步進(jìn)投影式光刻機(jī)原理圖步進(jìn)投影式光刻機(jī)原理圖 10:15:11:1 步進(jìn)掃描光刻機(jī)步進(jìn)掃描光刻機(jī) 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 19 DSWdirect step on wafer 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 20 接觸式和接近接觸式和接近 式式近場(chǎng)衍近場(chǎng)衍 射（射（Fresnel） 像平面靠近孔像平面靠近孔

13、徑，二者之間徑，二者之間 無(wú)鏡頭系統(tǒng)無(wú)鏡頭系統(tǒng) 曝光系統(tǒng)曝光系統(tǒng) 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 21 接觸和接近式接觸和接近式 Fresnel衍射理論適用衍射理論適用 的間隔范圍：的間隔范圍： 2 W g 最小分辨尺寸最小分辨尺寸 gW min g10 m， 365 nm（i線）時(shí)，線）時(shí)， Wmin 2 m 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 22 對(duì)遮蔽式曝光，最小線寬（臨界尺寸）可用下式表示 C D lg 其中，是曝光光源的波長(zhǎng)，g是掩模版與晶片間的間隙距離。當(dāng)與g 減小時(shí)，可以得到lCD縮小的優(yōu)勢(shì)。然而，當(dāng)給定一個(gè)g，任何大于g

14、的微 塵粒子都會(huì)對(duì)掩模版造成損壞。 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 23 投影式投影式遠(yuǎn)場(chǎng)衍遠(yuǎn)場(chǎng)衍 射（射（Fraunhofer） 像平面遠(yuǎn)離孔徑，像平面遠(yuǎn)離孔徑， 在孔徑和像之間設(shè)在孔徑和像之間設(shè) 置鏡頭置鏡頭 愛(ài)里斑愛(ài)里斑 d f22. 1 d f22. 1 中心極大半徑 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 24 瑞利給出恰可分辨兩個(gè)物點(diǎn)的判據(jù)：瑞利給出恰可分辨兩個(gè)物點(diǎn)的判據(jù)： 點(diǎn)物點(diǎn)物S1的愛(ài)里斑中心恰好與另一個(gè)點(diǎn)物的愛(ài)里斑中心恰好與另一個(gè)點(diǎn)物S2的愛(ài)里斑的愛(ài)里斑 邊緣（第一衍射極小）相重合時(shí)，恰可分辨兩物點(diǎn)。邊緣（第一衍射極?。┫?/p>

15、重合時(shí)，恰可分辨兩物點(diǎn)。 S1 S2 S1 S2 S1 S2 可分辨可分辨 不可分辨不可分辨 恰可分辨恰可分辨 100% 73.6% 分辨率分辨率 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 25 兩個(gè)愛(ài)里斑之間的分辨率兩個(gè)愛(ài)里斑之間的分辨率(瑞利判據(jù)瑞利判據(jù)): sin 61. 0 )sin2( 22. 122. 1 nfn f d f R sinnNA 數(shù)值孔徑：收集衍射數(shù)值孔徑：收集衍射 光的能力。光的能力。n為折射率為折射率 分辨率分辨率 NA kR 1 k1=0.6-0.8 提高分辨率：提高分辨率： NA ， ，k1 理論計(jì)算人眼愛(ài)里斑理論計(jì)算人眼愛(ài)里斑20 m 分

16、辨率分辨率：100 m 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 26 由于有較高的光強(qiáng)度與穩(wěn)定度，高壓汞燈被廣泛用作曝光光源。 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 27 投影式投影式 基本參數(shù)：基本參數(shù)： 分辨率分辨率(resolution) 焦深焦深(depth of focus) 視場(chǎng)視場(chǎng)(field of view) 調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTFmodulation transfer function) 套刻精度套刻精度(alignment accuracy) 產(chǎn)率產(chǎn)率(throughput) 光學(xué)系統(tǒng)決定光學(xué)系統(tǒng)決定 機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)

17、 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 28 為為軸上光線到極限聚焦位置的光程差。根據(jù)瑞利判據(jù)：軸上光線到極限聚焦位置的光程差。根據(jù)瑞利判據(jù)： cos4/ 很小時(shí)，很小時(shí)，2/)2/1 (1 4/ 22 NA f d 2 sin 焦深焦深 NA ，焦深，焦深 焦深焦深 22 )(NA kDOF 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 29 焦深焦深焦平面焦平面 光刻膠光刻膠 IC技術(shù)中，焦深只有技術(shù)中，焦深只有1 m，甚至更小，甚至更小 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 30 光刻膠光刻膠 光刻膠的作用：對(duì)于入射光光刻膠

18、的作用：對(duì)于入射光 子有化學(xué)變化，通過(guò)顯影，子有化學(xué)變化，通過(guò)顯影， 從而實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移。從而實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移。 靈敏度：?jiǎn)挝幻娣e的膠曝光靈敏度：?jiǎn)挝幻娣e的膠曝光 所需的光能量：所需的光能量：mJ/cm2 負(fù)膠負(fù)膠 烴基高分子材料烴基高分子材料 正膠分辨率高于負(fù)膠正膠分辨率高于負(fù)膠 抗蝕性：刻蝕和離子注入抗蝕性：刻蝕和離子注入 正膠正膠 IC主導(dǎo)主導(dǎo) 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 31 正性光刻膠正性光刻膠受光或紫外線照射后受光或紫外線照射后感光的部感光的部 分發(fā)生光分解反應(yīng)，可溶于顯影液分發(fā)生光分解反應(yīng)，可溶于顯影液，未感光的，未感光的 部分顯影后仍然留在晶圓的表面

19、部分顯影后仍然留在晶圓的表面 負(fù)性光刻膠負(fù)性光刻膠的的未感光部分溶于顯影液中未感光部分溶于顯影液中，而，而 感光部分顯影后仍然留在基片表面。感光部分顯影后仍然留在基片表面。 正膠：曝光前不可溶，曝光后正膠：曝光前不可溶，曝光后 可溶可溶 負(fù)膠：曝光前負(fù)膠：曝光前 可溶，曝光后不可溶可溶，曝光后不可溶 光刻膠對(duì)大部分可見(jiàn)光敏感，光刻膠對(duì)大部分可見(jiàn)光敏感，對(duì)黃光不敏感。對(duì)黃光不敏感。 因此光刻通常在因此光刻通常在黃光室黃光室（Yellow Room）內(nèi)進(jìn)行。）內(nèi)進(jìn)行。 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 32 負(fù)光阻負(fù)光阻正光阻正光阻 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光

20、刻光刻 ( (上上) ) 33 汞燈汞燈436nm (g線線)和和365nm (i線線)光刻膠的組成光刻膠的組成 （正膠（正膠positive photoresist, DNQ） a) 基底：樹脂基底：樹脂 是一種低分子量的酚醛樹脂是一種低分子量的酚醛樹脂 (novolac, a polymer) 本身溶于顯影液，溶解速率為本身溶于顯影液，溶解速率為15 nm/s。 b)光敏材料（光敏材料（PACphotoactive compounds) 二氮醌二氮醌 (diazoquinone, DQ) DQ不溶于顯影液，光刻膠在顯影液中的溶解速率為不溶于顯影液，光刻膠在顯影液中的溶解速率為 12 nm/

21、sec 光照后，光照后，DQ結(jié)構(gòu)發(fā)生重新排列，成為溶于顯影液的烴基酸結(jié)構(gòu)發(fā)生重新排列，成為溶于顯影液的烴基酸 （TMAH四甲基氫氧化銨四甲基氫氧化銨典型顯影液）典型顯影液） 光照后，光刻膠在顯影液中的溶解速度為光照后，光刻膠在顯影液中的溶解速度為100200nm/s c)溶劑溶劑 是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纖劑的混合物，用于調(diào)節(jié)光是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纖劑的混合物，用于調(diào)節(jié)光 刻膠的粘度?？棠z的粘度。 前烘后膜上樹脂前烘后膜上樹脂 : PAC1:1 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 34 負(fù)膠負(fù)膠 (Negative Optical Photoresist) 當(dāng)

22、當(dāng)VLSI電路需分辨率達(dá)電路需分辨率達(dá)2 m之前，基本上是采用負(fù)性光刻之前，基本上是采用負(fù)性光刻 膠。膠。 負(fù)膠在顯影時(shí)線條會(huì)變粗，使其分辨率不能達(dá)到很高。負(fù)膠在顯影時(shí)線條會(huì)變粗，使其分辨率不能達(dá)到很高。 但在分辨率要求不太高的情況，負(fù)膠也有其優(yōu)點(diǎn)：但在分辨率要求不太高的情況，負(fù)膠也有其優(yōu)點(diǎn)： a)對(duì)襯底表面粘附性好對(duì)襯底表面粘附性好 b)抗刻蝕能力強(qiáng)抗刻蝕能力強(qiáng) c)曝光時(shí)間短，產(chǎn)量高曝光時(shí)間短，產(chǎn)量高 d)工藝寬容度較高工藝寬容度較高 （顯影液稀釋度、溫度等）（顯影液稀釋度、溫度等） e)價(jià)格較低價(jià)格較低 （約正膠的三分之一）（約正膠的三分之一） 半導(dǎo)體制備工藝基礎(chǔ) 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 35 負(fù)膠的組成部分：負(fù)膠的組成部分： a) 基底：合成環(huán)化橡膠樹脂基底：合成環(huán)化橡膠樹脂 (cyclized synthetic rubber risin) 對(duì)光照不敏感，但在有機(jī)溶劑如甲苯和二甲苯中溶解很快對(duì)光照不敏感，但在有機(jī)溶劑如甲苯和二甲苯中溶解很快 b) 光敏材料光敏材料 PAC： 雙芳化基雙芳化基 (bis-arylazide) 當(dāng)光照后，產(chǎn)生交聯(lián)的三維分子網(wǎng)