集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理與工藝哈爾濱工業(yè)大學(xué)/田麗光刻技術(shù)第九章光刻技術(shù)JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU9.1光刻掩模的制造第9章光刻技術(shù)CONTENTS9.2光刻膠9.3光學(xué)分辨率增強(qiáng)技術(shù)9.4紫外光曝光技術(shù)9.5其它曝光技術(shù)9.6光刻設(shè)備第9章光刻技術(shù)

掩模就是將設(shè)計(jì)好的特定幾何圖形通過(guò)一定的方法以一定的間距和布局做在基版上，供光刻工藝中重復(fù)使用。制造商將設(shè)計(jì)工程師交付的標(biāo)準(zhǔn)制版數(shù)據(jù)傳送給圖形發(fā)生器，圖形發(fā)生器會(huì)根據(jù)該數(shù)據(jù)完成圖形的產(chǎn)生和重復(fù)，并將版圖數(shù)據(jù)分層轉(zhuǎn)移到各層光刻掩模版（為涂有感光材料的優(yōu)質(zhì)玻璃板）上，稱(chēng)為制版。9.1光刻掩模的制造(A)電路圖(B)版圖(B)第9章光刻技術(shù)9.1.1光刻掩模的制造第9章光刻技術(shù)9.1光刻掩模的制造線路設(shè)計(jì)CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、修改電子束光學(xué)方式電子束直接描寫(xiě)圖形原型掩膜版步進(jìn)對(duì)準(zhǔn)機(jī)母掩膜版子掩膜版10:15:11:1掩膜版掩模板的制作流程1.制版工藝簡(jiǎn)介檢驗(yàn)原圖繪制初縮精縮兼分步重復(fù)復(fù)印陰版復(fù)印陽(yáng)版修補(bǔ)做好的超微粒干版做好的超微粒干版、鉻版、彩色版套準(zhǔn)、檢驗(yàn)、修補(bǔ)成品包裝一般集成電路的制版工藝流程示意圖第9章光刻技術(shù)9.1.1光刻掩模的制造1.制版工藝簡(jiǎn)介掩模版的基本構(gòu)造注意：掩模版上的缺陷（掩模版圖形本身的缺陷；附著在掩模版上的外來(lái)物）通常在掩模版上裝一層保護(hù)膜第9章光刻技術(shù)9.1.3掩模板的基本構(gòu)造及質(zhì)量要求構(gòu)成圖形陣列的每一個(gè)微小圖形要有高的圖像質(zhì)量，即圖形尺寸要準(zhǔn)確，盡可能接近設(shè)計(jì)尺寸的要求，且圖形不發(fā)生畸變。圖形邊緣清晰、銳利，無(wú)毛刺，過(guò)渡區(qū)要小，即充分光密度區(qū)（黑區(qū)）應(yīng)盡可能陡直地過(guò)渡到充分透明區(qū)（白區(qū)）。整套掩模中的各塊掩模能很好地套準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)誤差要盡量地小。圖形與襯底要有足夠的反差（光密度差）。掩模應(yīng)盡可能做到無(wú)“針孔”、“小島”和劃痕等缺陷。版面平整、光潔、結(jié)實(shí)耐用；版子要堅(jiān)固耐磨，不易變形；圖形應(yīng)不易損壞。第9章光刻技術(shù)9.1.4掩模板的基本構(gòu)造及質(zhì)量要求9.2光刻膠光刻時(shí)接受圖像的介質(zhì)稱(chēng)為光刻膠。以光刻膠構(gòu)成的圖形作為掩膜對(duì)其它薄膜進(jìn)行刻蝕，圖形就轉(zhuǎn)移到晶元表面的薄膜上，所以也將光刻膠稱(chēng)為光致抗蝕劑。光刻膠的作用：對(duì)于入射光有化學(xué)變化，保持潛像至顯影，從而實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，即空間圖像→潛像。抗蝕劑的作用；129.2光刻膠光刻膠組成感光材料膠的主體，又稱(chēng)光敏劑聚合物材料光的輻照下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，保證光刻膠薄膜的附著性和抗腐蝕性溶劑可以控制光刻膠機(jī)械性能9.2光刻膠光刻膠分類(lèi)按曝光區(qū)在顯影中被去除或保留來(lái)劃分：正（性）膠負(fù)（性）膠按其用途劃分：光學(xué)光刻膠電子抗蝕劑X-射線抗蝕劑9.2光刻膠9.2.1光刻膠的特征量靈敏度：又稱(chēng)光敏度，指最小曝光劑量E0抗蝕性耐酸、堿能力粘滯性流動(dòng)特性的定量指標(biāo)黏附性與硅、二氧化硅表面結(jié)合力的大小光刻膠的膨脹微粒數(shù)量和金屬含量?jī)?chǔ)存壽命

單位面積的膠曝光所需的光能量：mJ/cm2響應(yīng)波長(zhǎng)9.2光刻膠9.2.2光學(xué)光刻膠正膠和負(fù)膠進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移示意圖光刻膠UV輻照掩模版負(fù)膠正膠SiSiO2SiSiO2SiSiO2SiSiO2SiSiO2SiSiO29.2光刻膠1.正膠常用正膠為DQN，組成為光敏劑重氮醌(DQ)，堿溶性的酚醛樹(shù)脂(N)，和溶劑二甲苯等。響應(yīng)波長(zhǎng)330-430nm，膠膜厚1-3μm，顯影液是氫氧化鈉等堿性物質(zhì)。正膠IC主導(dǎo)9.2光刻膠2.負(fù)膠負(fù)膠多由長(zhǎng)鏈高分子有機(jī)物組成：如由順聚異戊二烯和對(duì)輻照敏感的交聯(lián)劑，以及溶劑組成。響應(yīng)波長(zhǎng)330-430nm，膠膜厚度0.3-1μm，顯影液二甲苯等。負(fù)膠二、光刻膠3.正、負(fù)膠比較正膠，顯影容易，圖形邊緣齊，無(wú)溶脹現(xiàn)象，光刻的分辨率高，去膠也較容易。負(fù)膠顯影后保留區(qū)的膠膜是交聯(lián)高分子，在顯影時(shí)，吸收顯影液而溶脹，另外，交聯(lián)反應(yīng)是局部的，邊界不齊，所以圖形分辨率下降。光刻后硬化的膠膜也較難去除。負(fù)膠比正膠抗蝕性強(qiáng)。9.3光學(xué)分辨率增強(qiáng)技術(shù)移相掩模技術(shù)（phaseshiftmask)離軸照明技術(shù)(off-axisillumination)光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù)(opticalproximitycorrection)光瞳濾波技術(shù)（pupilfilteringtechnology）9.3光學(xué)分辨率增強(qiáng)技術(shù)9.3.1移相掩膜技術(shù)(PhaseshiftingMask,PSM)d鉻膜石英移相層移相掩膜的結(jié)構(gòu)示意圖原理：在掩膜版上的某些透明圖形上增加或減少一個(gè)透明的介質(zhì)層，稱(chēng)移相器，使光波通過(guò)介質(zhì)層后產(chǎn)生180°的相位差，與鄰近透明區(qū)域透過(guò)的光波產(chǎn)生干涉，從而抵消圖形邊緣的光衍射效應(yīng)，提高曝光分辨率。圖形尺寸縮小到深亞微米，使用移相掩膜技術(shù)-----最有希望拓展光學(xué)光刻分辨率的技術(shù)之一。9.3光學(xué)分辨率增強(qiáng)技術(shù)附加材料造成光學(xué)路逕差異，達(dá)到反相MaskAmplitudeofMaskAmplitudeatwaterIntensityatWater180°PhaseShift通過(guò)移相層后光波與正常光波產(chǎn)生的相位差d——移相器厚度；n——移相器介質(zhì)的折射率；λ——光波波長(zhǎng)。9.3.1移相掩膜技術(shù)(PhaseshiftingMask,PSM)9.3光學(xué)分辨率增強(qiáng)技術(shù)移相掩模的主要類(lèi)型有交替式PSM衰減型PSM邊緣增強(qiáng)型PSM無(wú)鉻PSM混合PSM9.3.1移相掩膜技術(shù)(PhaseshiftingMask,PSM)9.3光學(xué)分辨率增強(qiáng)技術(shù)9.3.2離軸照明技術(shù)

離軸照明技術(shù)是指在投影光刻機(jī)中所有照明掩模的光線都與主光軸方向有一定夾角，照明光經(jīng)過(guò)掩模衍射后，通過(guò)投影光刻物鏡成像時(shí)，仍無(wú)光線沿主光軸方向傳播。離軸照明實(shí)現(xiàn)方式：環(huán)形照明四極照明兩極照明1.Annularill.2.Quadrupoleill.3.Dipoleill.9.3光學(xué)分辨率增強(qiáng)技術(shù)可以減小對(duì)分辨率的限制、增加成像的焦深是被認(rèn)為最有希望拓展光學(xué)光刻分辨率的一種技術(shù)之一9.3.2離軸照明技術(shù)9.3光學(xué)分辨率增強(qiáng)技術(shù)9.3.3光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù)

光學(xué)鄰近效應(yīng)是指在光刻過(guò)程中，由于掩模上相鄰微細(xì)圖形的衍射光相互干涉而造成像面光強(qiáng)分布發(fā)生改變，使曝光得到的圖形偏離掩模設(shè)計(jì)所要求的尺寸和形狀。光刻圖形的特征尺寸越接近于投影光學(xué)光刻系統(tǒng)的極限分辨率時(shí)，鄰近效應(yīng)就越明顯。光學(xué)鄰近效應(yīng)校正的種類(lèi)有線條偏置法形狀調(diào)整法加襯線法微型灰度法9.3光學(xué)分辨率增強(qiáng)技術(shù)9.3.4光瞳濾波技術(shù)光瞳濾波技術(shù)就是利用濾波器適當(dāng)調(diào)整投影光學(xué)光刻成像系統(tǒng)的光瞳處掩模頻譜的零級(jí)光與高頻光的振幅或相位的關(guān)系，使高頻光部分盡量多的通過(guò)，減少低頻光的通過(guò)，從而提高光刻圖形成像對(duì)比度，達(dá)到提高光刻分辨率和增大焦深的目的。光瞳濾波的種類(lèi)有：振幅濾波相位濾波復(fù)合濾波9.4紫外光曝光技術(shù)光源：主要是UV，DUV水銀弧光燈：準(zhǔn)分子激光DUV光源：KrF248nm

0.35-0.18μm工藝；ArF193nm，可用于130-7nm工藝；i線365nm；h線405nm；g線436nm曝光光源類(lèi)型演變歷程EUV光源：13.5nm，可用于7-3nm或更小特征尺寸工藝9.4紫外光曝光技術(shù)接觸式曝光接近式曝光投影式（步進(jìn)）曝光1:1曝光系統(tǒng)4或5倍縮小曝光系統(tǒng)9.4紫外光曝光技術(shù)接近式曝光S≈5

μm透鏡光源掩模版硅片接近式曝光裝置示意圖9.4紫外光曝光技術(shù)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圖s≥5μm，λ=400nm，a≥

2μm，R=250/mm。只能用于3μm工藝9.4紫外光曝光技術(shù)投影式曝光掩模板投影系統(tǒng)硅片支架支架對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)光源投影光刻系統(tǒng)示意圖Da投影曝光原理示意圖兩像點(diǎn)能分辨最小間隔數(shù)值孔徑NA在0.2-0.45之間，取0.4λ=400nm,δy=0.61μm9.5其它曝光技術(shù)電子束光刻X-射線光刻離子束光刻新技術(shù)展望9.5其它曝光技術(shù)9.5.1電子束光刻電子束曝光是用低功率密度的電子束直接描畫(huà)或投影照射電致抗蝕劑，經(jīng)顯影后在抗蝕劑中產(chǎn)生圖形的一種微細(xì)加工技術(shù)。它的特點(diǎn)是分辨率高、圖形產(chǎn)生與修改容易、制作周期短。電子束光刻已應(yīng)用于制造高精度掩模版、移相掩膜版和x射線掩模版。9.5其它曝光技術(shù)9.5.1電子束光刻電子束掃描方向光刻膠襯底實(shí)際光刻膠圖像電子束散射效應(yīng)示意圖理想線CBA電子束曝光過(guò)程中的鄰近效應(yīng)示意圖電子束的散射有前向散射和背散射，背散射角大，是造成鄰近效應(yīng)的主要原因9.5其它曝光技術(shù)9.5.2X射線光刻以高強(qiáng)度的電子束轟擊金屬靶材，使其發(fā)射X射線，X射線作為曝光光源。掩膜版：為了X-射線能夠透過(guò)，掩膜版很薄，對(duì)X射線透明的Si、SiN、BN和聚酯薄膜為基片在上面淀積金薄膜。電子束制版方法制備掩膜版。9.5其它曝光技術(shù)9.5.2X射線光刻光源光譜掩模版圓片dDSWWrSdSdxx幾何畸變X射線曝光系統(tǒng)圖形畸變示意圖影響分辨率的不是衍射，而是半陰影和幾何畸變。9.5其它曝光技術(shù)9.5.2X射線光刻在電子抗蝕劑中加入銫、鉈等，能增加抗蝕劑對(duì)X-射線的吸收能力，可以使之作為X-射線抗蝕劑。吸收體(Au,W,Ta)薄膜(BN,Si3N4,Si,SiC)襯底(Si芯片)框架IBMX射線掩膜版9.5其它曝光技術(shù)9.5.3離子束光刻利用離子本身具有的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)各種工藝目的；離子束光刻采用液態(tài)原子或液態(tài)原子電離后形成的離子通過(guò)電磁場(chǎng)加速及電磁透鏡的聚焦或準(zhǔn)直后對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光。離子束注入，是利用元素離子本身所具有的化學(xué)性質(zhì)--摻雜效應(yīng)，通過(guò)將高能雜質(zhì)離子注入到半導(dǎo)體晶體表面，以改變晶體表面的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)；離子能量在10keV以下時(shí)，離子束常被用來(lái)作為離子束刻蝕和離子束外延；當(dāng)能量在幾十至70keV時(shí)，則被用作離子束曝光。9.5其它曝光技術(shù)9.5.3離子束光刻金屬離子源質(zhì)量分離器下透鏡基體上透鏡引流管多通道平臺(tái)CVD噴嘴聚焦離子束系統(tǒng)截面示意圖9.5其它曝光技術(shù)9.5.4浸入式光刻全氟聚烷基醚油用水替代空氣9.5其它曝光技術(shù)9.5.5新技術(shù)展望1.多重圖案曝光技術(shù)多重圖案曝光技術(shù)是為提高光刻技術(shù)的特征密度而開(kāi)發(fā)的一種技術(shù)；用于10nm和7nm節(jié)點(diǎn)半導(dǎo)體工藝及以上。自對(duì)準(zhǔn)雙重圖案(SADP)：最簡(jiǎn)單的多重圖案工藝是雙重圖案，它將特征密度提高了兩倍；9.5其它曝光技術(shù)將SADP加倍可以得到四重圖案化工藝(SAQP)。193nm浸沒(méi)式光刻的SADP可以實(shí)現(xiàn)20nm的半間距分辨率，但是SAQP可以實(shí)現(xiàn)~10nm的半間距分辨率。多重圖案理論上是可以實(shí)現(xiàn)7nm節(jié)點(diǎn)工藝制程，但是需要的光罩?jǐn)?shù)量非常多，工藝復(fù)雜，量產(chǎn)難度大。反射鏡由吸收體和非吸收體形成圖案；9.5其它曝光技術(shù)極紫外光刻（EUV）EUV的工作原理如下激光對(duì)準(zhǔn)氙氣噴嘴，使氙氣等離子化，電子逃逸，從而發(fā)出波長(zhǎng)為13.5nm的光；光進(jìn)入聚光器，匯聚并照到掩模反射鏡上；掩模上的圖案被反射到四到六個(gè)曲面反射鏡上，從而將圖像微縮，并將圖像聚投到硅襯底上。9.5其它曝光技術(shù)