1、集成電路工藝第14章光刻：對準和曝光7/24/20221集成電路工藝目標解釋光刻中對準和曝光的目的描述光學光刻中光的特性及光源的重要性解釋分辨率，描述它的重要參數并討論計算方法論述五代用于對準和曝光的設備描述投影掩膜版，如果制造，及在精細光刻中的應用論述用于短波長光刻的光學增強技術解釋光刻中對準是怎樣獲得的7/24/20222集成電路工藝1.提綱1.概述2.光學光刻3.光刻設備4.混合和匹配5.對準和曝光質量測量7/24/20223集成電路工藝1.概述一個紫外光源一個光學系統一塊由芯片圖形組成的投影掩膜版一個對準系統一個覆蓋光敏光刻膠的硅片7/24/20224集成電路工藝光刻機分布重復光刻機(

2、step-and-repeat aligner)光刻機(aligner)步進光刻機(stepper)7/24/20225集成電路工藝步進光刻機的目標使硅片表面和石英掩膜版對準并聚集通過對光刻膠曝光，把高分辨率的投影掩膜版上圖形復制到硅片上在單位時間內生產出足夠多的符合質量規格的硅片7/24/20226集成電路工藝2.光學光刻光學光刻一直是不斷縮小芯片特征尺寸的主要限制因素。光刻的長命歸功于設備和工藝的改進。7/24/20227集成電路工藝光在光學光刻中，需要一個光源來把版圖投影到光刻膠上并引起光化學反應。光的實質是能被人眼看到的電磁波。光可用波長和頻率來描述。v=f7/24/20228集成電路

3、工藝光波的干涉波本質上是正弦曲線。任何形式的正弦波只要有相同的頻率就能相互干涉。相長干涉：兩列波相位相同彼此相加相消干涉：兩列波相位不同彼此相減7/24/20229集成電路工藝光學濾光器濾光器利用光的干涉阻止不需要的入射光，通過反射或干涉來獲得一個特定波長。濾光器通常由玻璃制成，玻璃上面有一層或多層薄涂層。涂層的類型和厚度決定了什么波長的光會相消干涉而阻止進入玻璃。7/24/202210集成電路工藝曝光光源汞燈準分子激光7/24/202211集成電路工藝汞燈高壓汞燈作為紫外光源被使用在所有常規的I線步進光刻機上。電流通過裝有氙汞氣體的管子產生電弧放電。這個電弧發射出一個特征光譜，包括240nm

4、到500nm之間有用的紫外輻射。7/24/202212集成電路工藝汞燈強度峰UV光波長(nm)描述符CD分辨率(m )436G線0.5405H線0.4365I線0.35248深紫外(DUV)0.257/24/202213集成電路工藝光的波長與工藝7/24/202214集成電路工藝光強和曝光劑量光強單位面積的功率(mW/cm2)，光強在光刻膠的表面進行測量。曝光劑量光強乘以曝光時間，表示光刻膠表面獲得的曝光能量。7/24/202215集成電路工藝光刻膠的吸收問題光刻膠樹脂對入射輻射過多的吸收是不希望的。如果光刻膠吸收過多，光刻膠底部接受的光強就會比頂部的少很多，這個差異導致圖形測墻傾斜。要獲得垂

5、直測墻圖形，光刻膠必須只吸收入射輻射的一小部分，一般5m 一旦掩膜版和硅片對準，掩膜版就開始和硅片表面的光刻膠涂層直接接觸。因為掩膜版和光刻膠直接接觸，顆粒沾污損壞了光刻膠層、掩膜版或兩者都損壞了，每5次25次操作就需要更換掩膜版。7/24/202231集成電路工藝接近式光刻機接近式光刻機從接觸式光刻機發展而來。適用線寬24m 。掩膜版不與光刻膠直接接觸，它與光刻膠表面接近，在掩膜版和硅片表面光刻膠之間大致有2.5-25m 的間距。接近式光刻試圖緩解接觸式光刻機的沾污問題，但當紫外光線通過掩膜版透明區域和空氣時就會發散，減小了系統的分辨率。7/24/202232集成電路工藝掃描投影光刻機掃描投

6、影光刻機試圖解決沾污問題、邊緣衍射、分辨率限制等問題。適用于線寬1m 的非關鍵層。它利用基于反射鏡系統把1：1圖像的整個掩膜圖形投影到硅片表面。掩膜版圖形和硅片上的圖形尺寸相同。7/24/202233集成電路工藝分步重復光刻機分步重復光刻機只投影一個曝光場，然后步進到硅片上另一個位置重復曝光。主要用于圖形形成關鍵尺寸小到0.35m 和0.25m 。投影掩膜版圖形尺寸是實際像的4倍、5倍或10倍。這個縮寫的比例使得制造投影掩膜版更容易。7/24/202234集成電路工藝步進掃描光刻機步進掃描光學光刻系統是一種混合設備，融合了掃描投影光刻機和分步重復光刻機技術。使用步進掃描光刻機曝光硅片的優點是增

7、大了曝光場，可以獲得較大的芯片尺寸。步進掃描光刻機的另一個重要優點是具有在整個掃描過程調節聚集的能力，使透鏡缺陷和硅片平整度變化能夠得到補償。7/24/202235集成電路工藝投影掩膜版(reticle)投影掩膜版(reticle)只包括硅片上一部分圖形（如4個芯片），這個圖形必須通過分步重復來覆蓋整個襯底。投影掩膜版用于分步重復光刻機和步進掃描光刻機。掩膜版(mask)包含了整個硅片上的芯片陣列并且通過單一曝光轉印圖形（1：1圖像轉印）。掩膜版用于較老的接近式光刻和掃描對準投影機光刻中。7/24/202236集成電路工藝Reticle VS. Mask參數投影掩膜版(reticle)掩膜版(

8、mask)曝光次數多次曝光一次曝光關鍵尺寸在硅片上容易形成亞微米尺寸圖形，由于版圖尺寸較大(4:1,5:1)沒有縮小的光學系統很難在掩膜版和硅片上形成亞微米尺寸圖形曝光場小曝光場需要步進重復過程曝光場就是整個硅片掩膜版技術光學縮小允許較大的投影掩膜版尺寸更易于復印掩膜版與硅片有相同的關鍵尺寸更難于復印產量要求先進的自動化來步進和重復掃過整個硅片可能較高（要求自動化)芯片對準和聚集可以調節單個芯片的對準和聚集整個硅片對準，但沒有單個芯片對準和聚焦缺陷密度增加產品但不允許reticle缺陷，其缺陷會在每個曝光場重復缺陷在硅片上不會多次重復7/24/202237集成電路工藝投影掩膜版的材料投影掩膜版

9、襯底材料是熔融石英因為在深紫外光譜部分（248nm和193nm）有高光學透射，并且有非常低的溫度膨脹。淀積在投影掩膜版上的不透明材料通常是一薄層鉻。鉻的厚度通常小于100nm并且是濺射淀積的。7/24/202238集成電路工藝投影掩膜版的制造通常用電子束形成圖形。利用直寫把存儲的原始圖形繪制成版圖。在電子束光刻中光刻電子源產生許多電子，這些電子被加速并通過電或磁的方式被聚焦，并在涂有電子束膠的投影掩膜版上掃描形成所需要的圖形。電子束可以掃描整個掩膜版（光柵掃描），也可以只掃描要光刻的區域（矢量掃描）在投影掩膜上形成圖形。7/24/202239集成電路工藝掩膜版制備流程7/24/202240集成

10、電路工藝相移掩膜技術(PSM)相移掩膜技術(PSM，Phase-Shift Mask)用來克服光通過掩膜版上小孔時發生衍射的問題。利用相消干涉減小光衍射。7/24/202241集成電路工藝像素化掩膜版 7/24/202242集成電路工藝光學臨近修正(OPC)光學臨近修正(OPC,Optical Proximity Correction)由于投影掩膜版上距離很近結構間的光衍射和干涉引起光學臨近效應，光刻圖像的線寬受附近結構影響。引入可選擇的圖像尺寸偏差到掩膜版圖形上，來補償光學臨近效應，稱為光學臨近修正(OPC)。7/24/202243集成電路工藝增強型應變硅（Strained Silicon）

11、 應變硅，指的是一種僅有1.2納米厚度的超薄氧化物層，利用應變硅代替原來的高純硅制造晶體管內部的通道，可以讓晶體管內的原子距離拉長，單位長度原子數目變少，當電子通過這些區域時所遇到的阻力就會減少，由此達到提高晶體管性能的目的。 90納米工藝中的應變硅實際上是使用硅鍺（PMOS）和含鎳的硅化物（NMOS）兩種材料 .處理器可以工作在更高的工作頻率上 7/24/202244集成電路工藝增強型應變硅（Strained Silicon）7/24/202245集成電路工藝應變硅柵7/24/202246集成電路工藝對準(Alignment)為了成功地在硅片上形成圖案，必須把硅片上的圖形正確地與掩膜版上的圖

12、形對準。只有每個投影的圖形都能正確地和硅片上的圖形匹配，集成電路才有相應的功能。套準精度（套準）是測量對準系統把版圖套刻到硅片上圖形的能力。套準容差描述要形成的圖形層和前層的最大相對位移。一般，套準容差為關鍵尺寸的三分之一。7/24/202247集成電路工藝光刻中的環境條件溫度濕度振動大氣壓力顆粒沾污7/24/202248集成電路工藝4.混合和匹配(mix and match)關鍵層用高級工藝，如深紫外曝光化學放大深紫外光刻膠；非關鍵層用低級工藝，如I線步進光刻機曝光酚醛DNQ光刻膠。減少擁有成本(COOCost of Ownership)7/24/202249集成電路工藝5.對準和曝光質量測

13、量聚焦曝光劑量光源的光強度步進和步進掃描光刻機的掩膜版對準圖形分辨率投影掩膜版的質量7/24/202250集成電路工藝聚焦曝光劑量缺陷類型：系統中不正確的聚焦-曝光。解決方法：檢驗來自光源的均勻性和最佳曝光在給定的聚焦位置下，進行與一系列曝光量對應的線條的CD測量修改聚焦位置并進行CD測量。最佳焦距下，曝出可接受劑量的變化范圍檢驗光刻膠是否滿足所有的質量參數7/24/202251集成電路工藝光源的光強度缺陷類型：在曝光場中不均勻的光強度。解決方法：在硅片的幾個位置，檢查光強度是否達到標準的能量和均勻性。鑒定光刻膠確保它不釋放氣體并結在光學器件上。因其會降低透鏡的透光能力和像場的均勻性。7/24

14、/202252集成電路工藝步進和步進掃描光刻機的掩膜版對準缺陷類型：掩膜版對準標記不能正確地與硅片標記對準解決方法：檢查是否調用了適當的菜單檢查是否裝載了正確的投影掩膜版和硅片光刻機內部光學系統問題。如溫度和壓力變化影響了透鏡的NA7/24/202253集成電路工藝圖形分辨率缺陷類型：硅片上差的CD分辨率。線寬和孔不滿足規范要求。解決方法：進行聚焦-曝光測試檢查環境（溫度、壓力等）硅片在卡盤上不平，可能是由于背面沾污或卡盤問題尋找可能引入的與工藝有關的工藝參數尋找光學系統問題7/24/202254集成電路工藝投影掩膜版的質量影響因素投影掩膜版上的灰塵或擦傷投影掩膜版上的圖形缺陷（線條斷裂、特征圖形的橋接、幾何圖形丟失、不透明的單個鉻點、鉻線條上的穿孔）玻璃碎裂起鉻（粘附不好）投影掩膜版平整度7/24/202255集成電路工藝小結現代光刻以光學光刻為基礎。在光刻中對準和曝光對于滿足關鍵的亞微米分辨率的要求非常關鍵。已經出現過五代設備。分步重復光刻機和步進掃描光刻機是現今最受歡迎的。紫外光源包括傳統的汞燈和用于深紫外的準分子激光器。7/24/202256集成電路工藝小結控制光通過透鏡系統進行圖像投影，光的反射和折射是重要參數。衍射描述當光通過投影掩膜上的狹窄圖形時的彎曲方式。透鏡俘獲光的能力就是數值孔徑。分辨率是硅片上光