光刻

（375nm厚）
138
化学放大型负性光刻胶
曝光后 烘烤
水性冲洗 显影
六甲氧烷基三聚酰胺 (Hexamethoxymethylmelamine) 作为交联剂
利用酸/加热的交联反应
丙烯 聚合物
含有脂环 基的压克 力聚合物
环烯烃 聚合物 (COP)
139
24 《半导体制造》
ArF光刻胶
ArF光刻胶 - 低吸收 @193nm - 聚合物：碳酸酯 - 耐干刻 - 高敏感度以避免透镜损坏 丙烯聚合物← 透射率 + 脂环基 ← 耐刻蚀 环烯烃聚合物 ← 透射率＋耐刻蚀
第三章
光 刻 (1)
Semiconductor Manufacturing Basic
光刻
● 光刻的原理／roadmap ● 分辨率增强技术
照明方法、掩膜
● 光刻胶
阻碍溶解型光刻胶、化学增幅型光刻胶
● 光刻胶处理
抗反射工艺
● 未来的光刻
浸入式光刻、EUV光刻、双掩膜工艺
81
97
98
17 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
对曝光设备的要求
照明 短波长 灵活的孔径 ● 环状 annular
● 4重（4层） 高输出 高均匀性
掩膜版
投影镜头 高(灵活性)NA
象差小
圆片载物台 高速 高精度（x,y,z轴）
99
常用照明方法
３光束干涉
通常照明
环形
中间色
环形＋ 中间色
大σ→提高分辨率、 大σ→提高分辨率、 小σ→提高分辨率、
焦深Leabharlann Baidu
焦深
焦深
111
光强度模拟(0.18μm孤立生产线)
环形 →仅仅提高焦深 中间色→提高图像对比度 环形＋中间色→对孤立生产线效果明显
112
器件制造的超分辨率技术
通常照明
环形
中间色
环形＋ 中间色
环形 →仅仅提高焦深 中间色→提高图像对比度 环形＋中间色→对孤立生产线效果明显
环状照明的效果
光刻 (1)
相位位移光罩的效果
线＆空间 环状比越大→焦深越大
105
(1)普通光罩
(2)Levenson光罩 (3)辅助图形光罩 (4)中间色光罩 (5)透过型光罩
光振幅的叠加 反向光振幅的叠加 →降低对比度 →提高对比度
(a)光罩构造 (b)光振幅 (c)光强度(圆片上)
● 在光罩的开口部形成合适折射率的 薄膜图形（相位移相器） ● 光罩开口部（石英）的掘进 (依掘进量的大小相位发生反转）
阻碍溶解 光刻胶 （DNQ） 碱不溶抑制剂
感光化合物(PAC) 苯酚甲醛树脂
衬底
深紫外曝光
碱性水溶液的溶解性
阻碍溶解
易于溶解
茚羧酸 碱可溶
碱溶液中显影
由于曝光部分、未曝光部分的溶解性不同从而形成图形
127
128
22 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
光刻 (1)
113
1. 环形＋中间色光罩 → 孤立生产线、密集生产线
2. 中间色光罩 → 接触孔 3. Levenson PSM → (1)缩小栅长
(2)存储单元
114
光学临近效应修正 OPC (Optical Proximity Correction)
设计
掩膜版
硅片
光学临近效应修正
伴随图形的微细化，更容易受到临近图形 影响，光学图形变得不能再现掩膜版图 形，为此而采取的修正方法就是“光学临 近效应修正”。
透过率 0%
透过率 6-8％ 相位 180°
光振幅
光强度
Cr光罩
Levenson光罩的效果：提高1/2波长的分辨率
109
中间色光罩：提高接触孔的焦深
110
19 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
分辨率/常规照明、环形、相位移
光刻 (1)
光强度模拟(0.18μm line & space)
振幅 强度
102
关于σ
高NA→分辨率提高 高NA→窄间距的焦深提高 小NA→宽间距的焦深提高
大σ→分辨率、焦深提高
σ（空间耦合因子）：有效光源的大小
小← σ →大
垂直入射成分多
倾斜入射成分多
σ=0→完全耦合照明
103
104
18 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
KrF光刻胶
缩醛保护基
酸催化的消除保护反应
退火型聚合物（ESCAP型）
t-BOC型胶
133
134
23 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
聚合物中的酸脱离基
（高活性化能量：不宜酸脱离）
t-丁氧基羰酰
四氢化吡喃基 1-苯氧乙烷基
缩醛基 （低活性化能量： 易于酸脱离）
一层构造
透过型
移位遮光型
中间色型
特点
效果大
不需要特别CAD
108
相位位移光罩的效果
波长;i线, KrF,ArF
σ:0.6(普通照明), 0.3(相位移光罩)
焦深(μm):1.0
对比度:0.6
普通照明
i线
i线 相位移光罩
中间色类型PSM(中间色光罩)
移相器←相位反转、透过率、 耐光性
等 光罩构造
光刻 (1)
光刻工艺流程图
（a）前处理 HMDS处理
（b）涂胶 （c）预烘
（d）曝光
基板
光刻胶
近紫外线 光罩
（e）曝光后硬化 （f）显影、冲洗 （g）最后的固化（及UV硬化）
负型光刻胶
正型光刻胶
（h）刻蚀、离子注入
（i）光刻胶剥离 （j）检查
刻蚀
参杂
82
HMDS处理
碱性显影液：TMAH(氢氧化四甲基铵）
87
光刻尺寸和精度
最小加工尺寸
各种超清晰曝 光技术能实现 的分辨性能
88
K1因子的降低 k1因子的降低技术
PEB (曝光后固化) 提高光刻性能
ARC(反射防止膜)、 超清晰技术
CMP、光刻胶薄膜化、OPC 对应低焦深
强超清晰技术 列文森相位位移掩模
超分辨技术促进微细化 孤立线＜密集线＜接触孔
89
ArF采用低K1值
低K1化→技术复杂化
90
ITRS Roadmap(光刻) (1)
间距和栅长
栅长度比间距的一半还要微细
91
92
16 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
ITRS Roadmap(光刻) (2)
光刻 (1)
半导体器件制造对光刻的要求
器件 优先度 案例1
案例2
光刻胶 基板
CMP：减小波长、增大NA可减小λ/(NA)2值
124
曝光光源与光刻胶材料的关系
设计规则 0.30μm以上 0.30～0.13μm 0.13μm以下
曝光光源
UV（G,I线）
DUV（KrF, ArF 准分子激光)
EB, X线
光刻胶 反应形态
溶解抑制
化学放大
聚合物
聚乙烯基苯酚系 线型酚醛树脂、 线型酚醛树脂 列、聚(丙烯酸)系 聚乙烯基苯酚系列
140
Semiconductor Manufacturing Basic
聚合物构造和耐干刻蚀性的关系 大西模型
大西参数 刻蚀速率 ∝ ---N-T---
NC - NO
NT : 全部原子数 NC : 碳原子数 NO : 氧原子数
着眼于碳密度的关系
大西参数： 有效刻蚀的碳密度
投影式曝光：在掩膜版遮光部产生漏光
96
步进式曝光(步进式＆重复式)的原理
步进＆重复式和步进＆扫描
步进＆重复式
×５(×４) 折射镜头
22 mm 静止曝光
类型 光刻胶
镜头
圆片
倍率 光学系 露光面 曝光
步进＆扫描式
×４ 折射镜头或反射光学系
26×33mm 光刻胶、圆片的扫描曝光
扫描：镜头小(低象差、低成本)、曝光面积大
逻辑 栅CD控制
孤立线
微细接触孔
存储器 单元缩小化
密集线
微细接触孔
93
光学光刻的进展
Design rule 接触式
掩膜版 接近式
g线 步进&扫描
掩膜版
大圆片 低缺陷
掩膜版 硅片
低缺陷
高分辨
接近式
掩膜版
硅片
i线 步进&扫描
掩膜版
高分辨
硅片
硅片
接触式曝光→接近式曝光→步进式、扫描式
95
94
曝光方式不同，对比度不同
强度
强度
大圆片
强度
大圆片
强度
掩膜版尺寸偏小时不会成像 （不产生干涉条纹）
101
分辨率、NA、σ(传统曝光)
光刻 (1)
曝光方式的变迁
接触式曝光
接近式式曝光
缩小投影式曝光
100
分辨率增强技术
斜入射（环形）照明 变形照明法 强度
透过掩膜版后，光的相位反转 相位移 强度
大圆片
强度
大圆片
２光束干涉，提高分辨率和焦深
1-乙氧乙烷基
三甲硅烷基 （低活性化能量：易于酸脱离）
135
接近1/2波长的KrF光刻图形
光刻 (1)
KrF光刻的180nm图形
线条和间距
孤立线条
孤立间距（沟槽）
膜厚：300nm
136
KrF光刻的160nm接触孔图形
0.15μm线条和间距
0.125μm 线条和间距
137
１:１密集
（450nm厚）
孤立
光刻 (1)
0.18μm栅OPC的效果(1.5D)
曝光：KrF步进式 光刻胶：化学放大型正性光刻胶
无OPC
有OPC
掩膜版 布局
line, L (nm)
space, S (nm)
117
光刻胶图形形状
(无光学临近效应修正)
118
光刻胶图形形状
（有光学临近效应修正）
119
模型OPC的基本流程
120
Mask Error Factor(MEF)
光刻 (1)
掩膜版成本（相对值）
微细化导致掩膜版成本上升
运行 直接使用材料 工艺 设备
设计规则
123
CMP技术与光刻
CMP(Chemical Mechanical Polishing：化学机械抛光)
CMP技术弥补光刻焦深不足
有段差的基板
CMP处理后平坦化的基板
焦深不足 远紫外光
基板 光刻胶
焦深充足 远紫外光
可溶 溶解性变化
催化反应
（PHS）
基体聚合物 - 248nm透明性 - 干刻耐受性
130
聚合物的吸收
基体聚合物
G、I-line： 线型酚醛树脂 在中紫外领域透明 干刻耐受性良好
线型酚醛树脂
KrF： PHS 248nm时透明 干刻耐受性良好
ArF: PMMA 193nm时透明 干刻耐受性差
波长（nm）
硅片上线宽
设计数据
硅片上的图形
＝ΔCD（硅片上）／ΔCD/缩小比例（掩膜版上）
OPC数据处理
模型化
硅片加工
掩膜版加工
掩膜版上线宽
OPC处理后的图形数据
掩膜版上的图形
硅片上的图形与设计数据接近
121
低k1，MEF增大
122
21 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
列
感光材料 重氮基萘醌 （溶解抑制剂）
酸发生剂
125
正性胶的组成和 重氮基萘醌的光化学反应
(Indene carbon acid) 正性胶的组成
DNQ
ICA (Indene carbon acid)
126
正性光刻胶图形形成的原理
未曝光部分
曝光部分
线型酚醛 树脂
线型酚醛 树脂
线型酚醛 树脂
溶解抑制型正性光刻胶的反应
● 在光罩遮光部形成相位移相器 （控制折射率、透过率）
106
LEVENSON相位位移光罩 的作用原理
光罩
光罩上的 振幅
180°相位移相器
晶圆上的 振幅
晶圆上的 光强度
普通光罩
Levenson相位位移光罩
107
相位位移光罩的分类
原理 二层构造
空间频率调制 Levenson 型
强调边界
辅助图形型
自我整合型
131
化学放大型光刻胶的反应
未曝光部分
不溶于碱 248nm时透明性良好
曝光部分
溶于碱 248nm时透明性良好
曝光部分、未曝光部分极性差异形成图形→高反差
132
化学放大型光刻胶的特征
● 针对碱性水溶液的溶解性变化大 （极性变化大） → 提高分辨率
● 利用酸致催化反应 → 提高敏感度
光酸产生剂 Photoacid Generators
未曝光部分难于溶解的原因分析: 偶氮耦合
聚合高分子，导致溶解受到抑制
129
由G、I线向KrF光刻胶发展
G、I线光刻胶 溶解抑制型光刻胶
重氮基萘醌 PAC (感光化合物)
- 光活性 - 溶解性变化
可溶于碱 高吸收@248nm
线型酚醛树脂 基体聚合物
KrF光刻胶 化学放大型光刻胶
酸性发生剂
光酸发生
不溶于碱
设计与套刻图形差异的原因 ● 光学影响（low k1） ● 胶(光反应试剂的扩散、显影时图形的变动) ● 干法刻蚀
115
20 《半导体制造》
116
Semiconductor Manufacturing Basic
栅CD控制OPC的效果(1D)
曝光：KrF步进式 光刻胶：ARC上化学放大型 正性光刻胶
Semiconductor Manufacturing Basic
光源的波长与分辨率的关系
等倍接近
缩小投影 (反射光学系)
光刻
分辨率的提高
分辨率
光刻 (1)
NA的增大
分辨率（nm）
尺寸或精度(nm)
缩小投影 (折射、反射 折射光学系)
波长（nm） RET (Resolution Enhancement Technology)： 分辨率增强技术
衬底 不需要有机抗反膜涂层
83
使用2.38wt％(0.26N)水溶液
84
新型试剂保管系统：NOWPAK
曝光的原理
分辨率
短波长光源 短λ(波长)
焦深
低K1（分辨率提高技术）
变形照明 相位位移掩膜，光接近效果补正
光刻胶 涂胶工艺
85
15 《半导体制造》
镜头瞳孔滤光器 NA=SINθ 缩小投影镜头的孔径
86