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1、第第12章章 图形曝光与光刻图形曝光与光刻半导体器件半导体器件Semiconductor Devices概概 述述图形曝光图形曝光(lithography)是利用是利用掩模版掩模版(mask)上的几何图形，通过上的几何图形，通过光化学反应光化学反应，将图案转移到覆盖在半导体晶片上的将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光感光薄膜层薄膜层上（光致抗蚀剂、光刻胶、光阻）上（光致抗蚀剂、光刻胶、光阻）的一种工艺步骤。的一种工艺步骤。这种图案转移是利用这种图案转移是利用腐蚀腐蚀工艺，工艺，选择性选择性地地将未被抗蚀剂掩蔽的区域除去。将未被抗蚀剂掩蔽的区域除去。光学图形曝光光学图形曝光在集成电路制造中，主要
2、的图形曝光设备是利用在集成电路制造中，主要的图形曝光设备是利用紫外光紫外光=0.2-0.4m的光学仪器。主要讨论的光学仪器。主要讨论曝光装置曝光装置、掩模版掩模版、抗蚀剂抗蚀剂与与分辨率分辨率。尘埃粒子在掩模版图案上尘埃粒子在掩模版图案上所造成的不同腐蚀的影响所造成的不同腐蚀的影响在在IC制造中必须要求洁净的制造中必须要求洁净的厂房，特别是图形曝光的工厂房，特别是图形曝光的工作区域，因为尘埃可能会粘作区域，因为尘埃可能会粘附于晶片或掩模版上造成器附于晶片或掩模版上造成器件的缺陷从而是电路失效。件的缺陷从而是电路失效。洁净室洁净室光刻机光刻机光刻机性能的三个参数判断：光刻机性能的三个参数判断：分
3、辨率分辨率、套准精度套准精度与与产率产率。光学曝光方法：遮蔽式曝光和投影式曝光。光学曝光方法：遮蔽式曝光和投影式曝光。遮蔽式曝光遮蔽式曝光：掩模版与晶片直接接触的：掩模版与晶片直接接触的接触式曝光接触式曝光和二者紧和二者紧密相邻（密相邻（10-50um）的）的接近式曝光接近式曝光。前者若曝光时有一尘埃粒。前者若曝光时有一尘埃粒子将产生致命缺点；后者会在掩模版图案边缘造成光学衍射。子将产生致命缺点；后者会在掩模版图案边缘造成光学衍射。投影式曝光投影式曝光：用：用投影的方式投影的方式将掩模版上图案投影至相距好几将掩模版上图案投影至相距好几厘米的晶片上。为增加分辨率，每次只曝光厘米的晶片上。为增加分
4、辨率，每次只曝光一小部分一小部分掩模版掩模版图案，通过图案，通过扫描或步进扫描或步进的方式来完成整片晶片的曝光。的方式来完成整片晶片的曝光。12.13掩模版掩模版用于用于IC制造的掩模版通常为缩小倍数的掩模版。制造的掩模版通常为缩小倍数的掩模版。掩模版的制作：掩模版的制作：设计者用设计者用CAD系统将版图绘出系统将版图绘出。将将CAD得到的数据信息传送到电子束图形曝光的图形产生器。得到的数据信息传送到电子束图形曝光的图形产生器。将图案先转移至电子束敏感层进而转移至底下的铬膜层将图案先转移至电子束敏感层进而转移至底下的铬膜层。掩模版是掩模版是融凝硅土融凝硅土(1510cm2、0.6cm)基底覆盖
5、一层基底覆盖一层铬膜层铬膜层。面积面积是为了满足是为了满足4:1与与5:1的曝光机中透镜透光区域的尺寸。的曝光机中透镜透光区域的尺寸。厚度厚度的要求是避免衬底扭曲而造成图案位移的错误。的要求是避免衬底扭曲而造成图案位移的错误。融凝硅土衬底融凝硅土衬底：热膨胀系数低，短波长透射率高、机械强度高。：热膨胀系数低，短波长透射率高、机械强度高。一般而言，一组完整的一般而言，一组完整的IC工艺流程包含工艺流程包含10-20道道不同掩模版。不同掩模版。缺陷密度缺陷密度是掩模版好坏的主要是掩模版好坏的主要原因之一。掩模版缺陷可能在原因之一。掩模版缺陷可能在制造掩模版制造掩模版或是接下来的或是接下来的图形图形
6、曝光工艺步骤曝光工艺步骤中产生。中产生。其中，其中，D为每单位面积致命缺陷的为每单位面积致命缺陷的平均数；平均数；A为为IC芯片的面积。若芯片的面积。若D对所有的掩模版层都是相同值（如对所有的掩模版层都是相同值（如N=10层），则最后成品率为层），则最后成品率为10道掩模版的成品率，每道道掩模版的成品率，每道掩模版中包含不同缺陷密度掩模版中包含不同缺陷密度所产生的影响所产生的影响成品率成品率：每一晶片中正常的芯：每一晶片中正常的芯片数与中芯片数之比。片数与中芯片数之比。抗蚀剂抗蚀剂抗蚀剂是抗蚀剂是对光敏感对光敏感的化合物，依其对光照的反应分成正的化合物，依其对光照的反应分成正性和负性。性和负性
7、。正性抗蚀剂正性抗蚀剂：被曝光的区域将变得较易溶解，可以在显：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。影步骤时较容易被去除。产生图案与掩模版上图案一致产生图案与掩模版上图案一致。负性抗蚀剂负性抗蚀剂：被曝光区域的抗蚀剂将变得较难溶解，：被曝光区域的抗蚀剂将变得较难溶解，产产生图案与掩模版上的相反生图案与掩模版上的相反。正性抗蚀剂组成正性抗蚀剂组成：感光化合物、树脂基材和有机溶剂合：感光化合物、树脂基材和有机溶剂合成。成。负性抗蚀剂组成负性抗蚀剂组成：聚合物和感光化合物合成。缺点：显：聚合物和感光化合物合成。缺点：显影中抗蚀剂吸收显影液而膨胀，限制了分辨率。影中抗蚀剂吸收显影液
8、而膨胀，限制了分辨率。分辨率增加技术分辨率增加技术光学图形曝光系统发展的挑战：较佳的分辨率、较深的聚光学图形曝光系统发展的挑战：较佳的分辨率、较深的聚焦深度与较广的曝光宽容度。用焦深度与较广的曝光宽容度。用缩短光刻机的波长缩短光刻机的波长与与发展新发展新的抗蚀剂的抗蚀剂来克服。另外，开发了新技术，如来克服。另外，开发了新技术，如相移掩模版相移掩模版。传统掩模版：传统掩模版：两个投影的像太接近，就不容易分辨出来。两个投影的像太接近，就不容易分辨出来。相移掩模版相移掩模版(PSM)是将相移层覆盖于相邻的缝隙上，使得电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：场反相
9、。要反相，使用一透明层，厚度满足：新一代图形曝光技术新一代图形曝光技术曝光技术的基本要求曝光技术的基本要求：高产率、好的分辨：高产率、好的分辨率、低成本且容易操作。率、低成本且容易操作。种类：种类：电子束图形曝光电子束图形曝光极远紫外光图形曝光系统极远紫外光图形曝光系统X射线图形曝光射线图形曝光离子束图形曝光离子束图形曝光等等电子束图形曝光电子束图形曝光主要用于主要用于掩模版的制作掩模版的制作。优点优点：产生亚微米的几何抗蚀剂图案产生亚微米的几何抗蚀剂图案高自动化及高精度控制的操作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比光学图形曝光有较大的聚焦深度不同掩模版可直接在半导体晶片
10、上描绘图案不同掩模版可直接在半导体晶片上描绘图案缺点缺点：电子束光刻机：电子束光刻机产率低产率低。邻近效应邻近效应光学曝光光学曝光：分辨率的好坏是由：分辨率的好坏是由衍射衍射来决定的。来决定的。电子束曝光：电子束曝光：分辨率好坏是由分辨率好坏是由电子散射电子散射决定的。决定的。在抗蚀剂与衬底界面间，正向散射在抗蚀剂与衬底界面间，正向散射与背散射的剂量分布与背散射的剂量分布邻近效应邻近效应：当电子束曝光某：当电子束曝光某一区域，将会影响到附件区一区域，将会影响到附件区的曝光。的曝光。修正方法修正方法：将图案分割成更：将图案分割成更小的区域。小的区域。缺点缺点：进一步降低产率。：进一步降低产率。极
11、远紫外光图形曝光极远紫外光图形曝光(EUV)曝光波长延伸到曝光波长延伸到30nm而不降低产率。而不降低产率。反射式掩模版，光束窄，反射式掩模版，光束窄，光束扫描方式光束扫描方式，扫描，扫描电路图案的掩模版层。电路图案的掩模版层。挑战：挑战：曝光过程必须在曝光过程必须在真空真空下进行下进行。照相机必须使用照相机必须使用反射透镜反射透镜器件。器件。掩模版空片必须覆盖掩模版空片必须覆盖多层膜多层膜。X射线图形曝光射线图形曝光(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的集成电路的集成电路。类似光学遮蔽接近式曝光。类似光学遮蔽接近式曝光。掩模版
12、掩模版是最困难且关键的部分，且制作比光学掩是最困难且关键的部分，且制作比光学掩模版复杂。为了避免模版复杂。为了避免X射线在光源与掩模版间被吸射线在光源与掩模版间被吸收，通常曝光都在收，通常曝光都在氦环境氦环境下完成。下完成。利用利用电子束抗蚀剂电子束抗蚀剂来作为来作为X射线抗蚀剂。射线抗蚀剂。离子束图形曝光离子束图形曝光优点：比光学、优点：比光学、X射线与电子束图形曝光技术有射线与电子束图形曝光技术有更高的分辨率更高的分辨率。因为离子有。因为离子有较高的质量较高的质量且比电子且比电子散散射小射小。缺点：可能受到缺点：可能受到随机（或离散）空间电荷随机（或离散）空间电荷的影响的影响而使离子束变宽
13、。而使离子束变宽。主要应用：主要应用：修补光学图形曝光用的掩模版修补光学图形曝光用的掩模版。不同图形曝光方法的比较不同图形曝光方法的比较都有都有100nm或更好分辨率。或更好分辨率。每种都有其限制：每种都有其限制：光学法的衍射现象光学法的衍射现象、电子束的邻近效电子束的邻近效应应、EUV的掩模版空片的制作困难的掩模版空片的制作困难、X射线的掩模版制作射线的掩模版制作复杂复杂、离子束的随机空间电荷效应离子束的随机空间电荷效应。IC的制造，需多层掩模版；采用的制造，需多层掩模版；采用混合与配合的方法混合与配合的方法，来，来改善分辨率与提供产率。改善分辨率与提供产率。2010年，分辨率将达年，分辨率
14、将达50nm。由于要求更小的。由于要求更小的特征尺寸特征尺寸与更严格的与更严格的套准容差套准容差，图形曝光技术更成为推动半导体工图形曝光技术更成为推动半导体工业的关键性技术业的关键性技术。湿法化学腐蚀湿法化学腐蚀(WCE)WCE在半导体工艺中广泛使用在半导体工艺中广泛使用晶片切割开始，晶片切割开始，研磨与抛光研磨与抛光，平整与无损的表面。，平整与无损的表面。热氧化与外延前热氧化与外延前，去除污染。，去除污染。尤其适合多晶硅、氧化物、氮化物、金属等作尤其适合多晶硅、氧化物、氮化物、金属等作整片的腐蚀整片的腐蚀。WCE三种主要步骤：三种主要步骤：反应物通过反应物通过扩散方式到达扩散方式到达反应表面
15、；反应表面；化学反应在化学反应在表面发生表面发生；反应生成物通过反应生成物通过扩散离开扩散离开表面。表面。搅动搅动、腐蚀液的温度腐蚀液的温度都会影响腐蚀速率。都会影响腐蚀速率。大多数大多数WCE是将是将晶片浸入化学溶液晶片浸入化学溶液中，或是中，或是喷射腐蚀液在喷射腐蚀液在晶片表面晶片表面。干法刻蚀干法刻蚀图形曝光工艺所形成的抗蚀剂图形曝光工艺所形成的抗蚀剂图案，用来当作刻蚀下层材料的图案，用来当作刻蚀下层材料的掩蔽层掩蔽层(a)。下层材料多为非晶或。下层材料多为非晶或多晶系的薄膜。多晶系的薄膜。WCE，由于，由于各向同性各向同性产生侧向产生侧向钻蚀钻蚀(b)。分辨率降低。分辨率降低。各向同性
16、腐蚀各向同性腐蚀薄膜的厚度是预薄膜的厚度是预期分辨率的三分之一或更小；反期分辨率的三分之一或更小；反之，就必须使用之，就必须使用各向异性腐蚀各向异性腐蚀。为了从抗蚀剂图案上得到高准为了从抗蚀剂图案上得到高准确度的图案转移，发展了确度的图案转移，发展了干法刻干法刻蚀蚀(c)。基本等离子体理论基本等离子体理论等离子体由等离子体由完全或部分电离完全或部分电离的的气体离子气体离子、电子电子及及中子中子组成。组成。等离子体刻蚀等离子体刻蚀是利用基态或中性激发态物质的化学反应，将是利用基态或中性激发态物质的化学反应，将固态薄膜去除。固态薄膜去除。干法刻蚀时，等离子体中的电子浓度相当低；干法刻蚀时，等离子体
17、中的电子浓度相当低；因此，等离子因此，等离子辅助干法刻蚀是一种低温工艺过程。辅助干法刻蚀是一种低温工艺过程。基本刻蚀方式：基本刻蚀方式：物理方式物理方式：溅射刻蚀；各向异性轮廓，但低选择比、高的离：溅射刻蚀；各向异性轮廓，但低选择比、高的离子轰击导致的缺陷。子轰击导致的缺陷。化学方式化学方式：纯化学刻蚀；高腐蚀速率、高选择比、低的离子：纯化学刻蚀；高腐蚀速率、高选择比、低的离子轰击导致的缺陷，但各向同性。轰击导致的缺陷，但各向同性。结合上述优点：结合上述优点：反应离子刻蚀反应离子刻蚀(RIE)。课堂小结课堂小结光学图形曝光光学图形曝光新一代图形曝光技术新一代图形曝光技术湿法化学腐蚀湿法化学腐蚀干法刻蚀干法刻蚀Thanks forListening！