PDF《微影照像》

微影照像 1.

1. 绪论1.2. ULSI微影技术的延伸与极限 1.3. 提升光学微影制程的技术 1.4. 深次微米微影照像 1.5. 电子束微影技术 1.6. 光罩或图规 1.7. 阻剂和抗反射覆盖 1.8. 参考文献 1.9. 习题第章1VLSI 概论 1.1 绪论在矽晶圆上制作超大型积体电路(VLSI, very large scale integrated circuits)每 个晶片(chip)含105 到106 个电晶体的微影照像有几种方法,如图1.1所示.最常用 的方法是用电子束曝光系统制作母光罩(master photomask),再用光学照像设备复 制影像,如图1.2所示.曝光辐射穿透光罩(photomask)中透明的部分,电路图案 的不透明部分阻挡部分辐射.阻剂(resist)对辐射敏感,而且对蚀刻有阻抗,涂敷 於晶圆(wafer)表面.光罩在要求的公差之内,在晶圆上对准,然后辐射照在晶圆 之上,阻剂影像显影(development),阻剂下层被蚀刻掉. 图1.1 几种ULSI的微影照像制程 (资料来源:Chang and Sze, ULSI Technology) 注:本书并不强调VLSI或ULSI的区别. ULSI设计 图案产生器 直写幕罩 光 离子 电子 电子 离子 X射线 光晶圆光罩或图规 ULSI(ultra large scale integrated circuits)每个 晶片含106 个电晶体. 第1章 微影照像 图1.2 光复制制程 (资料来源:Chang and Sze, ULSI Technology) 曝光时,依光罩和晶圆的放置、远近和照射方式,又分为接触(contact)、近接(proximity)和投影(projection)、扫描(scan)等数种.光罩上的图案以1:1 成像的称为mask,缩小后成像的称为reticle. 微影照像制作图案的主要步骤为: 1.烘烤矽基座以除去表面挥发性污染物如水,称为去水烘烤(dehydration b a k e ) , 然后涂底(priming)用六甲基二矽氮烷(hexamethyldisilazane,HMDS,(CH3)6Si2NH或Me6Si2NH),含CH3端与阻剂中 的C、H、O原子产生凡得瓦力(van der Waals force,分子间的微弱 吸引力),可以提升光阻的附著力(adhesion promoter).矽基座 上可能已成长二氧化矽、多晶矽或金属,如图1.3所示.Me为甲基(methyl)即CH3.DHF为稀释的氢氟酸(diluted HF).BOE为缓 石英光罩 曝光辐射(紫外光) 铬(Cr) 负光阻 元件基座多层 显影 VLSI 概论 图1.3 底材HMDS作用,(a)去水,(b)提升晶圆与阻剂间附著力 (资料来源:龙文安,积体电路微影制程) 冲氧化物蚀刻(buffer oxide etch),成份为氟化氢+氟化铵(HF+ NH4F).反应后生成矽醇基(silanol, SiOH). 2.上光阻,旋转使其均匀,并控制光阻厚度,烘烤除去光阻中的残余溶剂,此 步骤称为软烘烤(soft bake). 3.曝光(exposure)用光罩对准仪(mask aligner)或步进照像机(stepper). 前者一次曝光一整片晶圆(wafer),后者以步进重覆方式,一次曝光数个晶 片(chip).更进步的用步进扫描(step and scan). 4.曝光后烘烤(post exposure bake, PEB),亦称硬烘烤(hard bake),以消除 阻剂膜的驻波(standing wave).在深紫外光(deep ultra-violet)制程,硬烤 六甲基二矽氮烷(HMDS) 矽晶圆 (DHF,BOE,超纯水) 矽醇基 (silanol) (a) (b) 第1章 微影照像 是必须的制程,否则阻剂化学无法工作. 5.显影(development),正光阻以氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)或 四甲基氢氧化铵(tetra methyl ammonium hydroxide,TMAH,(CH3)4NOH) 显影,曝光的部分被除去.负光阻以二甲苯(xylene,C6H4(CH3)2)显影, 未曝光的部分被除去. 6.光阻结构可供离子植入(ion implantation)的幕罩用以植入掺质.或以湿蚀 刻或乾蚀刻除去没有光阻保护的底层二氧化矽(SiO2)、多晶矽或金属,以 形成绝缘层、闸极或接线等结构. 以上制程的简单流程,如图1.4所示. 图1.4 微影显像复制图案流程 矽基座 HMDS SiO2 HMDS SiO2 矽基座 光阻(正型) 光阻(正型) SiO2 HMDS 矽基座 光罩 SiO2 矽基座 曝光显影后 的光阻 离子 SiO2 (蚀刻、去除光阻之后) 矽基座 UV (a) (b) (c) (d) (e) 显影液或蚀刻剂 VLSI 概论 (a)烘烤、涂底(priming). (b)旋涂光阻(此例为正型)、软烤. (c)曝光、硬烤. (d)显影.蚀刻. (e)去除阻剂,离子植入(也可以在(d)以光阻做幕罩进行离子植入). 1.2 ULSI微影技术的延伸与极限 微影技术制程,其资讯传递的流程,如图1.5所示.由设计开始,到晶圆上完成 元件图案结束.每一步骤都受制程稳定性及外在和内在的影响,情形如下: 图1.5 微影技术资讯流程 (资料来源:廖明吉,电子月刊) 设计 空间影像 (aerial image) 潜在的影像 (latent image) 元件上图案 图案移转 反应离子蚀刻 离子植入等 光阻影像 显影光化学 曝光后烘烤扩散 晶圆反射薄膜效应 微影工具解析度 和像差 写光罩 (电子束或雷射) 光罩真实的影像 第1章 微影照像 1.光罩制作,受限於各种缺陷,如图案角落圆化、图案位移错误等. 2.曝光工具绕射(diffraction)、镜片色差(achromatic aberration)和其它光学 缺失. 3.晶圆薄膜会引起反射(reflection)、驻波(standing wave)、干扰等,使图 形影像变形. 4.光阻:光酸化学分子扩散使潜在影像(latent image)的灵敏度降低. 5.显影:表面张力效应、 湿式显影限制了最后光阻应用的深宽比(aspect ratio) . 6.蚀刻:湿式蚀刻会造成底切(undercut),乾式蚀刻也有深宽比限制. ULSI元件量产用的微影制程技术,必备条件为: 1.能曝出的解析度(resolution): 在线宽控制规格围内,曝出所想要的图案的能力.制程窗(process window)即制程参数允许的变化值要够大,以包含制程中发生的曝光和焦距 (focus)变动.由前一层所造成在晶圆表面的变化,也能适当曝光下一层图 案的真实性. 2.叠对(overlay)能力: 最小可印出的线宽称为光点(pixel,或称像素),在0.3光点围内将本 层叠对到前一界定层的能力.并补偿由制造产生的大小改变. 3.量产能力(throughput),高度准确图案,合理的设备成本、设备可靠度、 合理的罩幕(mask或reticle)和阻剂成本. 目前半导体制程制作动态随机存取记忆体(DRAM),64M位元或256M位元, 需要极小特徵尺寸0.35μm甚或0.25μm,必须使用250奈米(nano meter, nm)或 更短波长的深紫外光(deep UV, DUV).主要的技术挑战为低强度光源和高吸收 光阻、高吸收透镜材料.光阻需要新的树脂(resin)、新的感光剂(sensitizer), 即化学放大光阻(chemically amplified resist, CAR).CAR有感光剂,在感光后 转为酸,作催化剂(catalyst),在曝光和后烘烤,使共聚高分子树脂溶於显影剂 (developer),使光阻灵敏度提高. 透镜材料的石英(quartz)必须用体积大、无缺陷,以避免散射损失(scattering VLSI 概论 loss)或辐照伤害(irradiation damage),有高数值孔径(numerical aperture)、无 色差(chromatic aberration)、光源必须为单色的(monochromatic),频谱宽只有1 皮米(picometer),因此只有一个选择-雷射(laser). 微影技术的解析度(resolution),基本的限制为: R=k1λ/NA (1.1) 上式R表示最小线宽(解析度),k1为常数,和制程条件、光阻有关,典型值 大约为0.5.λ为曝光波长,NA为投影镜片的数值孔径(numerical aperture), 聚焦景深(DOF)=±k2*λ/(NA)2 (1.2) k2是另一个常数,可能相依k1.为提高解析度,可以用短波长的光源,但曝光 机器昂贵或无量产型机器.提高数值孔径则会降低景深,使制程不稳定.提高镜头 的数值孔径的同时更要减少像差.几个对光学微影技术的重要波长、解析度和聚焦 景深,如表1.1所列.假设NA=0.7,k1=0.5,λ/λ代表从一个波长跳到特定波长 的趋动力. 焦距深度或称景深(depth of focus, DOF),定义为焦距的围,使一已知 特徵的光阻轮廓保持在规格之内,如线宽、侧墙角、光阻损失等,在一特定的 曝光围.焦距深度是高解析度照像最重要的参数之一,因为图案薄膜的地形 (topography)和场区不平坦,已经和焦距窗(focus window)差不多了,平坦化 (planarization)制程是必须的,而且可提高产率.解析度(resolution)的定义即为 以一特定的焦距深度,可以印制的最小特徵尺寸. 深紫外光唯一可用的透镜材料是石英(quartz),需要大体积,做大透镜, 没有缺陷以避免在操作时有散射损失或辐射伤害.要有大的数值孔径使透镜制 作困难.以单一透镜材料,在完全折射的透镜设计,无法做色像修正(chromatic correction),唯一可行的办法是「全场区照像」,即一个晶片以一次曝光完成.为第1章 微影照像 解决此难题,光源必须是单色光(monochromatic light),其造成的色像误差是可容 许的,对应於这种透镜的设计,光学频谱宽大约一皮米(picometer, 10-12 m),光源 的唯一选择是雷射. 表1.1 各种微影技术之比较 波长 λnm λ/λ % 最小线宽 Rmin,nm 聚焦景深 (DOF),nm 备注G-line