第8章 光刻工艺概述3

2014年11月5日2时34分
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Used with permission from Canon USA, FPA-2000 i1
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第8章 光刻工艺概述
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8.3 光刻技术
• 光刻机的性能表现 对准和曝光包括两个系统： 一个是要把图形在晶圆表面上准确定位 （不同的对准机类型的对准系统各不相 同）； 另一个是曝光系统（包括一个曝光光源 和一个将辐射光线导向到晶圆表面上的 机械装置）。
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e coating
Photoresist
Film Substrate
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UV exposure light Mask
Unexposed photoresist Exposed photoresist
Polysilicon
STI
BARC
STI
Substrate
fast medium
air (n 1.0) slow medium
slow medium air (n 1.0)
glass (n = 1.5)
glass (n = 1.5)


fast medium
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8.3 光刻技术
光的衍射 孔径越小，屏幕上的像就越大
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8.3 光刻技术
DRAM对投影光刻技术要求（教材2 P153 表7.1）
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-DY
Perfect overlay accuracy Shift in registration
+Y
-X +X -X
+Y
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8.3 光刻技术
• 光刻机的分类 最初曝光设备是接触式光刻机和接近式光刻机，而今， 光刻机已发展成两大类型，即光学光刻机和非光学光 光刻机的种类 刻机， 如图所示。光学 非光学 光学 光刻机采用紫外 X 射线 线作为光源，而 接触式 电子束 接近式 非光学光刻机的 投影式 光源则来自电磁 步进式 光谱的其他成分。 14
Mask
Wafer
Wafer stage (X, Y, Z, ) Used with permission from Canon USA, Vacuum chuck 37
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8.3 光刻技术
惠更斯-菲涅尔原理 波前上任一点都可看作 发射子波的波源,发出球 面子波,在以后任意时刻 各子波的包迹形成下一 时刻新的波前
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光的特性
= v f v = 光速, 3x108 m/sec f = 频率，Hertz (cycles per second) = 波长, the physical length of one cycle of a frequency, expressed in meters
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8.3 光刻技术
• 光刻机的分类 接触式 接近式 扫描投影 步进式 分步扫描 X射线 电子束 混合和匹配
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8.3 光刻技术
• 对准系统比较
光刻机系统
全局掩 膜版 掩膜版
曝光 光源
分辨 力 （ mm ）
Unexposed photoresist
Surface reflection
Notched photoresist
STI
Substrate
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Incident wave
Reflected wave
Photoresist
Film Substrate Standing waves cause nonuniform exposure along the thickness of the photoresist film.
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8.3 光刻技术
• 曝光光源 普通光源光的波长范围大，图形边缘衍射现象严重， 满足不了特征尺寸的要求。所以作为晶圆生产用的曝 光光源必须是某一单一波长的光源；另外光源还必须 通过反射镜和透镜，使光源发出的光转化成一束平行 光，这样才能保证特征尺寸的要求。 最广泛使用的曝光光源是高压汞灯，它所产生的 光为紫外光（UV），为获得更高的清晰度，光刻胶被 设计成只与汞灯光谱中很窄一段波长的光（称为深紫 外区或DUV）反应。 除自之外，现今用的光源还有：准分子激光器、 X射线和电子束。 17
驻波：频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方 向相反的两列波叠加后形成的波。
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驻波效应: 造成不同厚度光刻胶曝光的不均匀
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解决方法
• 涂抗反射层(ARC) 用来减少来自光刻胶下面反射层的光反射 底部抗反射层BARC 顶部抗反射层 Incident wave Antireflectiv
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(A) Incident light (B) Top surface reflection
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(C) (D)
Photoresist BARC (TiN) Aluminum
C and D cancel due to phase difference
有机抗反射涂层：通过吸收光来减少反射，与光刻 胶一样被涂在晶圆表层 无机抗反射涂层：不吸收光，通过特定的波长相移 相消起作用，受折射率、膜层厚度和其他参数影响
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8.3 光刻技术
接触式光刻机
优点：曝光时掩模版压在涂了光刻胶的 圆片上，从而可以获得小的特征尺寸。 该设备造价低。
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8.3 光刻技术
• 接近式曝光 是以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命，对大 尺寸和小尺寸器件上同时保持线宽容限还有困 难。 一般来说，版和晶圆的距离大致为5-25微米。 掩模浮在晶圆表面，一般在一层氮气气垫上。
FAL/R +
+
+
+
+
+ FAL RAL 1st Mask
+ GAR
+ GAL
For 2nd mask
FAR
1st mask layer
Notch, coarse alignment
+ From 1st mask
FAL
2nd Mask 2nd mask layer 11
{
FAL/R + +
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Substrate reflection
Photoresist
Substrate
Substrate
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光的折射
• • Snell’s Law: sin i = n sin r Index of refraction, n = sin i / sin r
Incident light
i
r
Reflected light
Law of Reflection: i = r
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反射造成的影响
UV exposure light Mask
Edge diffraction Exposed photoresist Polysilicon STI
+X
-Y
DX
-Y
Reticle pattern
Wafer pattern
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8.3 光刻技术
• 对准法则 第一次光刻只是把掩膜版上的 Y轴与晶圆上的平 边成90º，如图所示。 晶圆 接下来的掩膜版都用对准 标记与上一层带有图形的 掩膜版 掩膜对准。对准标记是一 个特殊的图形（见图）， 分布在每个芯片图形的边 平边 缘。经过光刻工艺对准标 记就永远留在芯片表面，同时作为下一次对准使用。
产量 (150 mm, waf/hr)
30~120 30~100 65~90 50* 20+ 2-10
X 汞 0.25~0.50 接触式 / 接近式 X X 汞 0.9~1.25 扫描投影式 X 汞 / ExL/ 氟化 氪 / 深紫外 0.35~0.80 分步重复式 X 汞 / ExL/ 氟化 氪 / 深紫外 0.25~0.40 分步扫描式 X X X 射线 0.10 X 射线式 直写 电子 束 0.25 电子束式
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• 对准标记
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未对准种类：(a) X方向 (b) 转动 (c) 伸出
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RAR
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+ GA
+ FAR
RA, 投影掩模版对准标记, L/R GA, 晶圆整体对准标记, L/R FA, 晶圆精对准标记, L/R
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8.3 光刻技术
8.3.6 对准和曝光 对准 是把所需图形在晶圆表面上定位或对准。 曝光 是通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻 胶涂层上。 如果说光刻胶是光刻工艺的“材料”核心，那 么对准和曝光则是该工艺的“设备”核心。 图形的准确对准是保证器件和电路正常工作的 决定性因素之一。

Laser
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Constructive（相长）
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Destructive（相消）
A Waves in phase Waves out of phase B
A+B
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光的特性—反射
The angle of incidence of a light wavefront with a plane mirror is equal to the angle of reflection.
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顶部抗反射涂层（TARC）： 在光刻胶和空气的交界面上减少反射
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Incident light
Resist-substrate reflections
Incident light
Top antireflective coating absorbs substrate reflections. Photoresist
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接触/近式曝光系统
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Mercury arc lamp
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Illuminator
Alignment scope (split vision) Mask stage (X, Y , Z , )
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8.3 光刻技术
• 紫外光为光源的曝光方式: 接触式曝光、接近式曝光、投影式曝光 三种
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• 其他曝光方式: X射线曝光、电子束曝光、直接分步重复 曝光、深紫外线曝光。
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8.3 光刻技术
光刻机的性能指标：
分辨率：机器产生特定尺寸的能力， 分 辨率越高越好，机器的性能越好。 套准能力：图形准确定位的能力 产量
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对准机选择标准
分辨力 / 分辨极限 对准精度 污染等级 可靠性 产率 总体所有权成本 (COO)
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• • •
光沿直线传播. 当光遇到物体边缘会发生衍射. 当光波穿过狭缝时会产生衍射或干涉图样.
Diffraction bands
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• 避免光的衍射的方法： • 接触式曝光 在该种情况下衍射效应最小。设备造价 低，而且容易获得小的特征尺寸。 由于掩膜版与硅片相接触磨损，使掩膜 版的寿命降低。 不适用于复杂芯片的大批量生产。