1、 微電子制造技術(shù)第 14 章 光刻：對(duì)準(zhǔn)和曝光 概 述 對(duì)準(zhǔn)就是把所需圖形在硅片表面上定位或?qū)?zhǔn)。而曝光是通過(guò)曝光燈或其它輻射源將圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠涂層上。如果說(shuō)光刻膠是光刻工藝的“材料”核心，那么對(duì)準(zhǔn)和曝光則是該工藝的“設(shè)備”核心。圖形的準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)是保證器件和電路正常工作的決定性因素之一。 因?yàn)樽罱K的圖形是用多個(gè)掩膜版按照特定的順序在晶園表面一層一層疊加建立起來(lái)的。圖形定位的要求就好像是一幢建筑物每一層之間所要求的正確對(duì)準(zhǔn)。如果每一次的定位不準(zhǔn)，將會(huì)導(dǎo)致成品率下降或者整個(gè)電路失效。 掩膜版上設(shè)計(jì)的每一層圖形都有一個(gè)特殊功能，如接觸孔、MOS的源漏區(qū)或金屬線(xiàn)等，光刻過(guò)程中掩膜版把這些圖形彼此套準(zhǔn)來(lái)

2、制成硅片上的器件或電路。版圖套準(zhǔn)過(guò)程有對(duì)準(zhǔn)規(guī)范，就是前面提出的套準(zhǔn)容差。怎樣精確地把亞微米尺寸套準(zhǔn)，對(duì)光學(xué)光刻提出了特殊的對(duì)準(zhǔn)挑戰(zhàn)。學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)1.解釋光刻中對(duì)準(zhǔn)和曝光的目的；2.描述光刻中光的特性及光源的重要性；3.了解光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光刻工藝的重要性；解釋分辨率，說(shuō)明它對(duì)光刻的重要性；了解光刻中獲得精確對(duì)準(zhǔn)的方法。單視場(chǎng)曝光，包括：聚焦、對(duì)準(zhǔn)、曝光、步進(jìn)和重復(fù)過(guò)程UV 光源投影掩膜版（在投影掩膜版視場(chǎng)內(nèi)可能包含一個(gè)或多個(gè)芯片）快門(mén)承片臺(tái)在 X, Y, Z, q方向控制硅片的位置投影透鏡（縮小的投影掩膜版的視場(chǎng)到硅片表面）快門(mén)在聚焦和對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中閉合，而在曝光過(guò)程中打開(kāi)對(duì)準(zhǔn)曝光Figure 14.

3、1 掩模版圖型轉(zhuǎn)移到光刻膠上頂視圖12345768剖面圖Figure 14.2 CMOS 剖面和投影掩膜版的頂視圖 4) 多晶硅柵刻蝕1) STI 刻蝕2) P-阱注入3) N-阱注入8) 金屬刻蝕5) N+ S/D 注入6) P+ S/D注入7) 氧化層接觸刻蝕Figure 14.2 投影掩膜版的分解圖 光學(xué)曝光 在曝光過(guò)程中，從光源發(fā)出的光通過(guò)對(duì)準(zhǔn)的掩膜版（版上有黑白分明的區(qū)域，這些區(qū)域形成了要轉(zhuǎn)移到硅片表面的圖形）對(duì)涂膠的硅片曝光。曝光的目的就是要把掩膜版上的圖形精確地復(fù)制到涂膠的硅片上。 曝光的一個(gè)方面是在所有其它條件相同時(shí)，曝光光線(xiàn)波長(zhǎng)越短能曝出的特征尺寸就越小。此外，曝光的光線(xiàn)必須

4、具有一定的能量，以便對(duì)光刻膠產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)。為了提高曝光質(zhì)量，光必須均勻地分配到整個(gè)曝光區(qū)域。 為了獲得精細(xì)光刻的關(guān)鍵尺寸，光刻需要在短波長(zhǎng)下進(jìn)行強(qiáng)曝光。 光的實(shí)質(zhì)就是電磁波，光也能輻射能量。這兩個(gè)描述反映了光的波粒兩相性的本質(zhì)。因此可以用波長(zhǎng)（ ）和頻率（）來(lái)描述。這兩者的關(guān)系如圖14.3所示，其中是光的速度。l =vf激光器v = 光的速度, 3E 108 m/secf = 以 Hz為單位的頻率(每秒周期)l = 波長(zhǎng)，頻率對(duì)應(yīng)周期的物理長(zhǎng)度，以米為單位Figure 14.3 光的波長(zhǎng)和頻率 波的干涉 波本質(zhì)上是正弦曲線(xiàn)。任何形式的正弦波只要有相同的頻率就能相互干涉。有兩種類(lèi)型的干涉基于波

5、是否有相同的相位（見(jiàn)下圖）。ABA+B同相位波不同相位波相長(zhǎng)干涉相消干涉Figure 14.4 光學(xué)濾波器 濾光器利用光的干涉阻止不需要的入射光，通過(guò)反射或干涉來(lái)獲得一個(gè)特定波長(zhǎng)的波（見(jiàn)圖14.5）二次反射 (干涉)涂層 1 (不反射)涂層3玻璃涂層2被反射的波長(zhǎng)透射的波長(zhǎng)寬帶光Figure 14.5 光學(xué)濾波 整個(gè)可見(jiàn)和不可見(jiàn)的電磁波被稱(chēng)作電磁波譜，它由從極短到極長(zhǎng)波長(zhǎng)的各種輻射能組成。 黃光和紅光因?yàn)樗幵诳梢?jiàn)光區(qū)含極少紫外光，因此不會(huì)影響光刻膠。所以光刻區(qū)的照明通常使用黃光或紅光。 13（極紫外）l (nm)7004550600650500450400350300250200150100

6、50紫外光譜可見(jiàn)光譜（白光）汞燈準(zhǔn)分之激光光刻光源ghi365405248193436157126紫紅藍(lán)綠黃橙Mid-UVEUVDUVVUVFigure 14.6 電磁波譜曝光光源 在光刻膠曝光過(guò)程中，是通過(guò)光刻膠材料發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)來(lái)轉(zhuǎn)移掩膜版的圖形，而且必須在最短的時(shí)間內(nèi)完成，同時(shí)要求在批量生產(chǎn)中是可重復(fù)的。 紫外光用于光刻膠的曝光是因?yàn)楣饪棠z材料與這個(gè)特定波長(zhǎng)的光反應(yīng)滿(mǎn)足上述要求。因?yàn)檩^短的波長(zhǎng)可以獲得光刻膠上較小尺寸的分辨率。所以現(xiàn)今最常用光學(xué)光刻的兩種紫外光源是：汞燈和準(zhǔn)分之激光。除此之外其它用于先進(jìn)的或特殊應(yīng)用的光刻膠曝光有X射線(xiàn)、電子束和離子束。 12010080604020020

7、0300 400 500 600波長(zhǎng) (nm)相對(duì)強(qiáng)渡 (%)h-line405 nmg-line436 nmi-line365 nmDUV248 nm高強(qiáng)度汞燈的發(fā)射光譜Figure 14.7 典型的高壓汞燈的發(fā)射光譜 Table 14.2 汞燈的強(qiáng)度峰 通過(guò)表14.2可以看出，要得到0.25m以下的特征尺寸，對(duì)應(yīng)的光源波長(zhǎng)應(yīng)該是小于248nm的深紫外（DUV）光，但是從圖14.7可以看出，248nm的深紫外發(fā)射是365nm的I線(xiàn)發(fā)射強(qiáng)度的1/5。 照在硅片表面上光的能量（mJ/cm2）是光強(qiáng)(功率)和時(shí)間的乘積。所以光刻膠在248nm下曝光要得到相同的效果，就需要5倍的曝光時(shí)間，顯然這是光

8、刻工藝不能接受的。因此既要得到小的特征尺寸還要短的曝光時(shí)間，就必須改變光刻膠的性質(zhì)或者使用具有較高功率的光源。這就是發(fā)展化學(xué)放大深紫外光刻膠和具有較高功率的激光光源的原因。準(zhǔn)分子激光 激光光源用于光學(xué)光刻是因?yàn)樗鼈兛梢栽?48nm深紫外以及以下波長(zhǎng)提供較大光強(qiáng)。而汞燈在這些波長(zhǎng)發(fā)射效率很低。 迄今惟一用于光學(xué)曝光的激光光源是準(zhǔn)分子(由兩個(gè)相同原子構(gòu)成的分子)激光，準(zhǔn)分子是不穩(wěn)定分子，由惰性氣體原子和鹵素構(gòu)成，例如氟化氬、氟化克（ArF、KrF）。 通常用于深紫外光刻膠的準(zhǔn)分子激光器是波長(zhǎng)248nm的氟化氪（KrF）激光器，其功率范圍是1020W，頻率1KHz。這種激光器產(chǎn)生的高能脈沖輻射光能可

9、對(duì)光刻膠曝光。表14.3突出了光刻中用于硅片制造的準(zhǔn)分子激光器。Table 14.3 半導(dǎo)體光刻中使用的準(zhǔn)分之激光器 光學(xué)系統(tǒng)光的反射光的折射透鏡衍射數(shù)值孔徑抗反射涂層 抗反射涂層 由于光刻膠下面需要刻蝕的底層膜(金屬、多晶硅、氧化硅、氮化硅等)和光刻膠的材料不近相同，正是由于入射光的反射作用，所以就有入射光透過(guò)光刻膠抵達(dá)底層膜而造成反射光。反射光有可能損害鄰近不需要曝光的光刻膠。這個(gè)損害能夠?qū)€(xiàn)寬控制產(chǎn)生不利影響。 兩種最主要的光反射問(wèn)題是反射切口和駐波。在刻蝕形成的垂直側(cè)墻表面，反射光進(jìn)入不需要曝光的光刻膠中就會(huì)形成反射切口(見(jiàn)圖14.22)。 可以把一種抗反射涂層(ARC)直接用于反射材

10、料的表面來(lái)減小光刻膠的駐波效應(yīng)(見(jiàn)圖14.24)。使用最新的抗反射涂層能夠減少99的襯底反射。多晶硅SubstrateSTISTIUV 曝光光線(xiàn)掩膜版被曝光的光刻膠未被曝光的光刻膠Notched photoresist邊緣衍射表面反射Figure 14.22光反射引起的光刻膠反射切口使用抗反射涂層、著色和濾光片能幫助防止干涉入射波抗反射涂層PhotoresistFilmSubstrateFigure 14.24 用抗反射涂層阻止駐波BARCPolysiliconSubstrateSTISTIUV 曝光光線(xiàn)MaskExposed photoresist未被曝光的光刻膠Figure 14.25 通

11、過(guò)底部抗反射涂層的光抑制分辨率 在光刻中，分辨率被定義為清晰分辯出硅片上間隔很近的特征圖形的能力（例如相等的線(xiàn)條和間距）。這種性質(zhì)顯示在圖14.28中。在先進(jìn)的半導(dǎo)體制造中，獲得高集成度器件分辨率很關(guān)鍵。分辨率對(duì)任何光學(xué)系統(tǒng)都是一個(gè)很重要的參數(shù)，并且對(duì)光刻非常關(guān)鍵。因?yàn)槲覀冃枰诠杵现圃斐鰜單⒚准?jí)的器件尺寸。 線(xiàn)寬和間距的尺寸必須相等，隨著特征尺寸的減小，要將特征圖形彼此分開(kāi)更困難Figure 14.28 器件的分辨率 光刻設(shè)備 現(xiàn)代光刻設(shè)備以光學(xué)光刻為基礎(chǔ)，它利用光學(xué)系統(tǒng)把掩膜版上的圖形精確地投影、曝光到涂過(guò)光刻膠的硅片上?；旧习ㄒ粋€(gè)紫外光源、一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)、一個(gè)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)和一個(gè)掩膜版。

12、光學(xué)光刻的關(guān)鍵設(shè)備是分步重復(fù)光刻機(jī)（也稱(chēng)步進(jìn)光刻機(jī)）。它把掩膜版上的圖形與涂膠硅片進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，而后從一點(diǎn)到另一點(diǎn)逐場(chǎng)曝光。在光學(xué)光刻中，步進(jìn)光刻機(jī)有三個(gè)基本目標(biāo)：1. 使硅片表面和石英掩膜版對(duì)準(zhǔn)并聚焦 。2. 通過(guò)對(duì)光刻膠曝光，把掩膜版上的圖形復(fù)制到硅 片上。3. 在單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)足夠多的符合產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)格的 硅片。 根據(jù)生產(chǎn)時(shí)期的不同，光刻設(shè)備可以分為五代。每一代都有代表性的光刻設(shè)備，具體如下： 接觸式光刻機(jī) 接近式光刻機(jī) 掃描投影光刻機(jī) 步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī) 步進(jìn)掃描光刻機(jī) 反光裝置對(duì)準(zhǔn)顯微鏡掩膜版硅片真空吸盤(pán)承掩膜版臺(tái) (X, Y , Z , q) 承片臺(tái) (X, Y, Z, q) 汞燈Figur

13、e 14.32 接觸/接近式光刻系統(tǒng)UVMask邊緣的光衍射造成從掩膜版下側(cè)反射引起的不希望的光刻膠曝光UV 曝光光線(xiàn)Substrate光刻膠衍射和反射光間隙掩膜版襯底Figure 14.33 接近式光刻膠上的衍射和表面反射掩膜版硅片汞燈照明裝置投影光學(xué)組件掃描方式曝光光線(xiàn)(UV狹縫逐漸掃描過(guò)整個(gè)掩膜版視場(chǎng)到硅片上)Figure 14.34 掃描式投影光刻機(jī)Figure 14.35 分步重復(fù)光刻機(jī)UV light投影掩膜版尺寸20 mm 15mm,每場(chǎng)4個(gè)芯片5:1 縮小透鏡硅片圖形曝光在硅片上是投影掩膜版視場(chǎng)的 4 mm 3 mm,每次曝光4個(gè)芯片曲折的步進(jìn)圖形Figure 14.36 步進(jìn)

14、光刻機(jī)的曝光場(chǎng)5:1 lensUVUV步進(jìn)和掃描像場(chǎng)掃描分步重復(fù)光刻機(jī)像場(chǎng)(單次曝光)4:1 lens投影掩膜版投影掩膜版掃描掃描WaferWafer步進(jìn)方向Figure 14.37 步進(jìn)掃描光刻機(jī)的硅片曝光場(chǎng)投影掩膜版 投影掩膜版上只包括硅片上一部分圖形，這個(gè)圖形必須通過(guò)分步重復(fù)來(lái)覆蓋整個(gè)硅片表面。在硅片制造過(guò)程中投影掩膜版用于分步重復(fù)光刻機(jī)和步進(jìn)掃描光刻機(jī)。 而掩膜版則包含了整個(gè)硅片的芯片陣列，可通過(guò)一次曝光完成圖形轉(zhuǎn)印（1:1圖形轉(zhuǎn)?。糜谳^老的接近式光刻機(jī)和掃描對(duì)準(zhǔn)投影機(jī)中。表14.6把投影掩膜版和掩膜版做了比較?？梢詭椭覀兞私夤饪坦I(yè)把掩膜版改成投影掩膜版的原因。 Table 1

15、4.6 投影掩膜版和掩膜版的比較 光學(xué)增強(qiáng)技術(shù) 隨著關(guān)鍵尺寸減小到0.15m及以下，衍射和散射會(huì)明顯影響投影掩膜版上圖形有效地轉(zhuǎn)印到硅片上。光學(xué)增強(qiáng)技術(shù)用于投影掩膜版上，以改善圖像質(zhì)量和分辨率。用于光學(xué)增強(qiáng)技術(shù)的光刻稱(chēng)作亞波長(zhǎng)光刻。 所謂光學(xué)增強(qiáng)技術(shù)就是采用像移掩膜技術(shù)和光學(xué)鄰近修正技術(shù)。像移掩膜技術(shù)就是投影掩膜版被一層附加透明層修正以改變透光區(qū)域使光像移180度，從而克服光通過(guò)掩膜版上小孔時(shí)發(fā)生衍射的有關(guān)問(wèn)題。而光學(xué)鄰近修正技術(shù)就是引入可選擇的圖像尺寸偏差到掩膜版圖形上，來(lái)補(bǔ)償光學(xué)鄰近效應(yīng)。因?yàn)檠谀ぐ嬖O(shè)計(jì)者可以利用計(jì)算機(jī)算法，對(duì)掩膜版上小特征尺寸生成光學(xué)鄰近修正。對(duì) 準(zhǔn) 為了成功地在硅片上復(fù)

16、印圖形，必須把硅片上的圖形正確地與投影掩膜版上的圖形對(duì)準(zhǔn)。只有每個(gè)投影的圖形都能正確地和硅片上的圖形匹配，才能實(shí)現(xiàn)集成電路相應(yīng)的功能。對(duì)準(zhǔn)就是確定硅片上圖形的位置、方向和變形的過(guò)程，然后利用這些數(shù)據(jù)與投影掩膜版圖形建立起正確的關(guān)系。對(duì)準(zhǔn)必須快速、重復(fù)和精確，對(duì)準(zhǔn)過(guò)程的結(jié)果，或者每個(gè)連續(xù)的圖形與先前層匹配的精度，被稱(chēng)作套準(zhǔn)。 套準(zhǔn)精度是測(cè)量對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)把版圖套準(zhǔn)到硅片上圖形的能力。套準(zhǔn)容差描述將要形成的圖形層和前層圖形的最大相對(duì)位移（見(jiàn)圖14.46）。一般而言，套準(zhǔn)容差大約是關(guān)鍵尺寸的1/3。對(duì)于0.15m的設(shè)計(jì)規(guī)測(cè)，套準(zhǔn)容差大約為50nm -X+X+Y-YDX-DY套準(zhǔn)偏差-X+X+Y-Y硅片圖形 版圖精確的套準(zhǔn)精度Figure 14.46 套 準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記 對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記置于投影掩膜版和硅片上，用來(lái)確定它們的位置和方向的可見(jiàn)圖形。投影掩膜版的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記（RA）在投影掩膜版的左右兩側(cè)，用于和安裝在步進(jìn)光刻機(jī)身上的基準(zhǔn)標(biāo)