现代半导体器件物理与工艺

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图形曝光与光刻 5
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图形曝光与光刻 6
投影式曝光
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图形曝光与光刻 7
对遮蔽式曝光，最小线宽（临界尺寸）可用下式表示
lCD g
其中，λ是曝光光源的波长，g是掩模版与晶片间的间隙距离。当λ与g 减小时，可以得到lCD缩小的优势。然而，当给定一个g，任何大于g的微 尘粒子都会对掩模版造成损坏。
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图形曝光与光刻 4
光刻机
光刻机的性能由三个参数判断：分辨率、套准精度与产率。 分辨率：能精确转移到晶片表面抗蚀剂膜上图案的最小尺寸； 套准精度：后续掩模版与先前掩模版刻在硅片上的图形相互对准的程度； 产率：对一给定的掩模版，每小时能曝光完成的晶片数量。 光学曝光方法：遮蔽式曝光和投影式曝光。 遮蔽式曝光：可分为掩模版与晶片直接接触的接触式曝光和二者紧密相 邻的接近式曝光。若有尘埃或硅渣嵌入掩模版中，将造成掩模版永久性 损坏，在后续曝光的晶片上形成缺陷。 投影式曝光：在掩模版与晶片间有一距离，10-50um。但这一间隙会在掩 模版图案边缘造成光学衍射。导致分辨率退化。
100个能量为20keV的电子 在PMMA中的运动轨迹模拟
在抗蚀剂与衬底界面间，正向散射 与背散射的剂量分布
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图形曝光与光刻 33
极远紫外光图形曝光（EUV）
EUV技术极有肯成为下一代图形曝光系统技术。可将曝光波长延伸到30 nm而不会降低产率。
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图形曝光与光刻 12
IC掩模版
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图形曝光与光刻 13
缺陷密度是掩模版好坏的主要原因之一。掩模版缺陷可能在制造掩模版 时或是接下来的图形曝光工艺步骤中产生。即使是一个很小的掩模版缺 陷密度都会对IC的成品率产生很大的影响。成品率的定义是：每一晶片 中正常的芯片数与中芯片数之比。若取一级近似，某一层掩模版与成品 率Y之间的关系式为
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图形曝光与光刻 8
一个投影系统的分辨率可以表示为
lm k1

DNA
λ是光源波长，k1为与工艺有关的参数，DNA是数值孔径。 DNA的定义为
DNA n sin
N是影像介质的折射率，θ是圆锥体光线聚于晶片上一点的半角度值。其 聚焦深度为
lDOF
lm / 2 lm / 2 k2 tan sin DNA
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图形曝光与光刻 25
电子束图形曝光
电子束图形曝光主要用于掩模版的制作，只有相当少数装臵用于将电子 束直接对抗蚀剂曝光而不需掩模版。
优点：可以参数亚微米的几何抗蚀剂图案、高自动化及高精度控制的操 作、比光学图形曝光有较大的聚焦深度与不同掩模版可直接在半导体晶 片上描绘图案。 缺点：电子束光刻机产率低，在分辨率小于0.25um时，约为每小时10片 晶片。这对生产掩模版、需求量小的定制电路或验证性电路是足够了。 而对不用掩模版的直写形成图案方式，设备必须尽可能提供产率，故要 采用与器件最小尺寸相容的最大束径。 聚焦电子束扫描主要分成两种形式：顺序扫描、向量扫描。
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图形曝光与光刻 34
因为EUV光束很窄，必须利用光束扫描方式将描述电路图案的掩模版层 完全扫描。
EUV已经证实可利用波长为13nm的光源，在PMMA抗蚀剂上制作出50 nm的图案。
挑战：所以的材料对EUV光都有强的吸收能力，所以曝光过程必须在真 空下进行。照相机必须使用反射透镜器件，而且必须覆盖多层的覆盖层 才可以参数1/4波长的布喇格反射分布。掩模版空片必须覆盖多层膜，以 便在波长为10-14nm得到最大的反射率。
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图形曝光与光刻 16
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图形曝光与光刻 17
曝光、显影后残存抗蚀剂的百分率与曝光能量有关。值得注意的是，即 使未被曝光，少量抗蚀剂也会溶解。
当曝光能量增加，抗蚀剂的溶解度也会增加，直到阈值能量ET时，抗蚀 剂完全溶解。
正抗蚀剂的灵敏度定义为曝光区域抗蚀剂完全溶解时所需的能量。除ET 外，另一称为反差比（γ）参数也用来表征抗蚀剂。
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图形曝光与光刻 32
邻近效应
在光学图形曝光中，分辨率的好坏是由衍射来决定的。在电子束图形曝 光中，分辨率好坏是由电子散射决定的。当电子穿过抗蚀剂与下层的基 材时，这些电子将经历碰撞而造成能量损失与路径的改变。因此入射电 子在行进中会散开，直到能量完全损失或是因背散射而离开为止。
尘埃粒子在掩模版图案上 所造成的不同腐蚀的影响
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图形曝光与光刻 3
英制系统等级数值是每立方 英尺中直径大于或等于0.5 um的尘埃粒子总数不准超 过设计等级数值。 公制系统等级数值是每立方 米中直径大于或等于0.5um 的尘埃粒子总数不准超过设 计等级数值（以指数计算， 底数为10）。
d

2(n 1)
光学邻近修正（OPC）利用邻近的次解析几何图案来修正图像，因而改善成像能 力。
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图形曝光与光刻 23
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图形曝光与光刻 24
新一代图形曝光技术
高产率、好的分辨率、低成本且容易操作是曝光技术的基本要求。为了 满足深亚微米工艺，光学图形曝光技术仍未解决。虽然可以利用PSM和 OPC来延长光学图形曝光的使用期限，但是复杂的掩模版制作与检查并 不是容易解决的。另外，掩模版成本也很高。
图12.15
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图形曝光与光刻 30
SCALPEL writing strategy
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电子束抗蚀剂
电子束抗蚀剂是一种聚合物，其性质与一般光学用抗蚀剂类似。换言之， 通过光照造成抗蚀剂产生化学或物理变化，这种变化可使抗蚀剂产生图 案。
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简单的成像系统
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图形曝光与光刻 10
由于有较高的光强度与稳定度，高压汞灯被广泛用作曝光光源。
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图形曝光与光刻 11
掩模版
用于IC制造的掩模版通常为缩小倍数的掩模版。掩模版的第一步为设计 者用CAD系统完整地将版图描绘出来。然后将CAD得到的数据信息传送 到电子束图形曝光的图形产生器。再将图案直接转移至对电子束敏感的 掩模版上。掩模版是由融凝硅土的基底覆盖一层铬膜组成。电路图案先 转移至电子敏感层进而转移至底下的铬膜层，掩模版便完成了。 一般而言，一组完整的IC工艺流程包含10-20道不同的掩模版。 标准尺寸的掩模版衬底由15× 10cm2、0.6cm厚的融凝硅土制成。掩模 版尺寸是为了满足4:1与5:1的曝光机中透镜透光区域的尺寸。厚度的要 求是避免衬底扭曲而造成图案位移的错误。融凝硅土衬底则利用其热膨 胀系数低，对短波长光的透射率高与高机械强度。
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Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices
图形曝光与光刻
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图形曝光与光刻 1
图形曝光与刻蚀
图形曝光（lithography）是利用掩模版（mask）上的几何图形，通过光 化学反应，将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜层上（光致抗 蚀剂、光刻胶、光阻）的一种工艺步骤。 这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域，如离子注入、接触窗与 压焊垫区。而由图形曝光所形成的抗蚀剂图案，并不是电路器件的最终 部分，而只是电路图形的印模。为了产生电路图形，这些抗蚀剂图案不 像再次转移至下层的器件层上。这种图案转移是利用腐蚀工艺，选择性 地将未被抗蚀剂掩蔽的区域除去。
图形曝光与光刻 15
抗蚀剂
抗蚀剂是对光敏感的化合物，依其对光照的反应分成正性和负性。 正性抗蚀剂：被曝光的区域将变得较易溶解，可以在显影步骤时较容易 被去除。所产生的图案将会与掩模版上的图案一样。 负性抗蚀剂：被曝光区域的抗蚀剂将变得较难溶解，所产生的图案与掩 模版上的相反。 正性抗蚀剂包括：感光化合物、树脂基材和有机溶剂；曝光后，曝光区 的感光化合物因吸光改变了本身的化学结构而可以溶解于显影液中。 负性抗蚀剂包括：聚合物和感光化合物合成。曝光后，感光化合物吸收 光变成化学能而引起聚合物链反应，是聚合物分子发生交联，变得难溶 解于显影液中。缺点：显影中抗蚀剂吸收显影液而膨胀，限制了分辨率。
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顺序扫描（左）和矢量扫描
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图形曝光与光刻 29
SCALPEL
利用电子束投影的图形曝光技术，SCALPEL系统（散射角度限制的投影 电子束图形曝光），此技术集电子束图形曝光特有的高分辨率和工艺宽 容度（聚焦深度20-30um，传统为1um）以及高产率。
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图案转移
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图形曝光与光刻 21
相关的图案转移工艺还有剥离与浮脱技术。
1、旋涂抗蚀剂 2、曝光 3、显影 4、淀积金属膜 5、浸泡腐蚀液中
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图形曝光与光刻 22
分辨率增加技术
在IC工艺中，提供较佳的分辨率、较深的聚焦深度 与较广的曝光宽容度 一直是光学图形曝光系统发展的挑战。已经可以用缩短光刻机的波长与 发展新的抗蚀剂来克服。另外，开发了新的技术，如相移掩模版。 传统掩模版的透光区的电场是相同的，由于衍射与分辨率使得晶片上的 电场分散开来。相邻缝隙的衍射使得光被干涉而增强缝隙间的电场强度。 因此两个投影的像若太接近，就不容易分辨出来。 相移掩模版（PSM）是将相移层覆盖于相邻的缝隙上，使得电场反相。 要反相，使用一透明层，厚度满足：
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图形曝光与光刻 2
光学图形曝光－洁净室
在集成电路制造中，主要的图形曝光设备是利用紫外光[λ=0.2-0.4μm]的 光学仪器。主要讨论曝光装臵、掩模版、抗蚀剂与分辨率。 在IC制造中必须要求洁净的厂房， 特别是图形曝光的工作区域，因为 尘埃可能会粘附于晶片或掩模版上 造成器件的缺陷从而是电路失效。
ET ln E1

1
γ值越大，即表示曝光能量增加时，抗蚀剂溶解度增加越快，可得陡峭的图形。
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正性和负性抗蚀剂
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三层抗蚀剂的工艺步骤
源自文库
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Y e
DA
D为每单位面积致命缺陷的平均数；A为IC芯片的面积。若D对所有的掩模版层 都是相同值（如N＝10层），则最后成品率为
Y e
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NDA
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10道掩模版的成品率，每道 掩模版中包含不同缺陷密度 所产生的影响
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X射线图形曝光（XRL）
XRL图形曝光极有潜力继承光学图形曝光来制作100nm的集成电路。当 利用同步辐射光储存环进行批量生产时，一般选择X射线源。它提供一个 大的聚光通量，且可轻易容纳10-20台光刻机。 XRL是利用类似光学遮蔽接近式曝光的一种遮蔽式曝光。 掩模版为XRL系统中最困难且关键的部分，而且X射线掩模版的制作比光 学掩模版来得复杂。为了避免X射线在光源与掩模版间被吸收，通常曝光 都在氦的环境下完成。 可以利用电子束抗蚀剂来作为X射线抗蚀剂，因为当X射线被原子吸收， 原子会进入激发态而射出电子。激发态原子回到基态时，会释放出X射线， 此X射线被原子吸收，故此过程一直持续进行。所有这些过程都会造成电 子射出，所以抗蚀剂在X射线照射下，就相当于被大量的二次电子照射。