个人资料整理仅限学习使用目录微电子工艺课程设计提供光学光刻分辨率的方法研究精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用摘要摘要：本文首先介绍了影响分辨的主要因素，然后针对这些因素提出了提高分辨率的方法，结合影响分辨率的因素和先进的光刻技术提出一个优化的光刻工艺组合方案。该方案考虑到了大部分影响分辨率的因素，并且进行了众多参数的综合优化。在此基础上，总结了该方案的优点和不足，提出了进一步优化努力的方向。关键词关键词：分辨率、波长、数值孔径、工艺因素，综合优化引言光学光刻是 IC制造的基础工艺之一，当前几乎所有的IC芯片都由光学光刻制造。光刻的原理是将对光敏感的光刻胶旋涂到硅片上，在表面形成一层薄膜；随后使用光刻版，版上包含着所要制作的特定层的图形信息，光源拖过光刻版照射到光刻胶上使得光刻胶选择性地曝光；接着对光刻胶显影，于是就完成了从版图上到硅片的图形转移。对光刻技术分辨率、曝光视场、图形放置精度、产率和缺陷密度等方面的要求使得光刻成为主流微电子制造过程中最复杂、昂贵和关键的工艺。分辨率是指能精确转移到衬底表面光刻胶上的最小特征尺寸，是光学光刻工艺中重要的系统指标，提高光学光刻的分辨率对提高光学光刻的质量至关重要。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用正文一、 提高分辨率的方法1. 影响图形光刻分辨率的主要因素影响光刻分辨率的因数很多，有分辨率，知，影响分辨率的主要因素有、。要想提高分辨率，应该主要从这三个参数着手。由的表达式知，我们可以通过提高，减小，减小来提高分辨率。但是由分辨率的表达式和焦深的表达式对比知，任何分辨率的提高总是伴随着聚焦深度的下降。所以为了提高光刻工艺的整体效果，有时我们需要在分辨率和聚焦深度两方面进行折中处理。为了能较深入的分析影响分辨率的因素，下面我将从光刻的工艺过程出发，将涉及到光刻分辨率的主要因素一一进行分析。1.1 掩膜Mask ）1.1.1 掩膜版掩膜版的作用是有选择地遮挡照射到衬底表面的光电子束X 射线，以便在衬底光刻胶薄膜上形成需要转移的图形。掩膜版的材料、形状、热膨胀系数等方面的性质不一样，对分辨率的影响也不一样。例如，一种掩膜版的热膨胀系数比较大，如果把它用在温度比较高的环境中势必会引起图形较大的形变，导致较大的误差。针对不同的应用要求选择合适的掩膜版对提高分辨率很重要。1.1.2 掩膜尺寸的偏移掩膜尺寸的偏移会改变 mask 的CDcritical dimension）。Mask 的CD 对分辨率较大的影响。如果 Mask 的CD 与光刻系统的要求不匹配，会使分辨率的要求在掩膜版这个级别就被阻断了，更别提其他因素的限制。1.2 照明系统 Illumination system）1.2.1 光源的波长由知，减小可以提高分辨率。但是，减小会使 DOF 减小，所以选择合适的对提高光刻工艺的整体性能非常重要。光刻工艺的发展伴随着光源波长的不断减小。目前最先进的光刻物镜的数值孔径NA 己经达到 0.8 ，曝光波长己从 g 线436nm ）、i 线365nm ）缩短到深紫外 DUV ）的准分子激光 KrF248nm ）以及真空紫外 VUV ）的ArF193nm ）、F2 157nm）等. 目前，曝光波长为 248nmKrF ）、193nmArF ）的准分子激光光刻已经成为主流光刻技术 . 157nmF2）光刻作为小于 0.10 m 的光刻技术仍在研究之中.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用1.2.2 照明系统和光轴的角度照明系统与光轴的角度会影响分辨率。由信息光学理论可知，透射光波经投影物镜成像时，高次的衍射波包含较多的掩模图形空间调制信息。投影物镜的数值孔径越大，则进入光瞳的高频部分越多，成像质量越高。然而投影物镜的数值孔径大小有限，随着图形线宽以及间距的减小，衍射现象愈加剧烈，各级衍射波之间的张角越来越大。通过改变照明系统和光轴的角度，改变高频成分在总光强中的比例，从而改变了空间像的分辨率。1.2.3 光照强度光照强度会影响曝光时间、光刻胶的厚度等因素，影响曝光的效果是过曝光还是欠曝光），从而影响分辨率。1.3 投影Projection ）1.3.1 数值孔径 ，导致像强度分布斜率减小( 即圆滑。滤液的思想不是绝对提高孔径来捕获尽可能多的高衍射级次，而是采用降低不携带任何物体信息的衍射 0级或一级光的含量 (即构成一个带通滤波器 ，从而提高高衍射级的相对含量，达到增加光强对比度的目的。采用数值孔径 06波长为193nm 的mF 准分子激光光源，部分相干因子为03，离焦 O 0um的028um 为周期，占宽比为 1：l 的密集型线条曝光。图 1.1 中，a为光瞳函数， b为逆傅利叶变换滤波函数的透过率， c为相位分布， d为无滤波时像强度分布，共对比度为0217，e为加入 a所示滤波函数时的像强度分布，其对比度接近于1，f 位加入逆傅利叶变换卷积滤波函数时的像强度分布，对比度达到 047。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用图 1.1 传统的发射孔滤波和IFTCF中晶圆上的空间图像1.5 成像(Image 1.5.1 损伤因子 DEMAG ）损伤因子影响版图上的元素及成像窗口和网格的大小，从而影响分辨率。1.5.2 掩膜版到晶圆的距离 近场菲涅尔衍射近场菲涅尔衍射：像平面靠近孔径，中间无镜头系统，光从孔径直接入射到像平面成像。接触和接近式曝光系统工作于近场Fresnel 衍射区域。掩膜版与光刻胶之间没有透镜，间隙大小。Fresnel 衍射适用的间隔范围：。最小分辨 / 特征尺寸：。可见，改变间隔大小 g可以分辨 / 特征尺寸，从而改变分辨率。2）远场夫琅和费衍射：远场夫琅和费衍射：像平面远离孔径，中间设置镜头捕捉和聚焦影像。如果要在像平面 光刻胶）上得到孔径的像，可以采用聚焦透镜将孔径的完整信息收集并聚焦；但透镜尺寸有限，会损失一些由于衍射而在空间扩散的信息。改变g可以改变信息的损害程度，改变分辨率。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用1.6 曝光Expose ）1.6.1 曝光的光波类型 TE or TM ）TE 波是指在传播方向上有磁场分量但无电场分量，也称为横；TM 波是指在传播方向上有电场分量而无磁场分量，也称为横磁波。TE 模和TM 模PR SW 光波电矢量振幅都呈现出从表面到体内震荡衰减的形式。随着传播常数的增大表面波的空间频率逐渐减小，空间周期逐渐增加，TE 模和TM 模具有类似的特征。对于SBN 晶体， TM 模比TE 模从表面到体内衰减更快速是由于电光系数与间的差异导致的。因而TM 模更有利于 PR SW 能量在表面的集中。对于TE 模式PR SW 光波电矢量只含有分量，对应偏振光为 o光；对于 TM 模式PR SW 光波电矢量包含、两个分量，对应偏振光为 e光和o光。因此在实验上实现不同模式 PR SW 的激发，须采用不同的偏振光。1.6.2 曝光剂量 dose ）曝光剂量会影响曝光时间、光刻胶的厚度等因素，影响曝光的效果是过曝光还是欠曝光），从而影响分辨率。1.6.3 反射的次数 numrefl ）和 POWER.MIN 由于存在驻波效应，我们可以通过控制反射的次数和反射光的最小能量来减小驻波效应的影响，从而调节分辨率。1.6.4 多次曝光 mult-expose ）把原来一次光刻难以分辨的掩模图形交替式地分成两块掩模，每块掩模上图形的分辨率可以减少一半，减少了曝光设备分辨率的压力，同时还可以利用第二块掩模版对第一次曝光的图形进行修整。两次曝光有效地拓展了，现有曝光设备干法光刻的应用，不必等待更高的分辨率和更高数值孔径系统的出现就可以投入下一个节点产品的生产。1.7 烘烤Bake）1.7.1 烘烤的温度烘烤的过程对温度的要求很高，温度的不同会导致烘烤的效果不同。1.7.2 烘烤的时间长度烘烤的过程对时间的要求很高，时间的不同会导致烘烤的效果不同。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用1.8 显影Develop ）1.8.1 显影采用的模型显影中常用的模型有MACK 、 DILL 、TREFONAS、HIRAI 、 KIM 和 EIB。不同的模型并结合相应的参数配置对模拟显影的产生的效果不同，对分辨率的影响也不同的。1.8.2 显影的时间显影的时间长度取决于光刻胶的厚度、材料、系统的要求等因素，会影响到显影的效果，从而影响分辨率。1.8.3 光刻胶的性能1.8.3.1 光刻胶性能不同光刻胶在光学、力学、化学和其他方面的性能是不一样的，对分辨率的影响也是不一样的。例如：灵敏度衡量的是需要多少光才能曝光胶。g线和i 线光刻胶的典型值是 100mJ cm-2 。新的深紫外 DUV ）胶由于采用了化学增强，灵敏度达到了20-40 mJ cm-2 ，采用化学增强技术可以提高光刻胶的灵敏度。高灵敏可以降低胶的曝光时间，从而提高光刻工艺的产率。但过高的灵敏度会使胶材料部稳定，使胶对温度敏感，曝光过程中的噪声引起曝光量统计起伏，也会带来问题。可见选择合适灵敏度的光刻胶非常重要。1.8.3.2 光刻胶的厚度当光刻胶的厚度k=1，2，3）如果光刻胶的厚度不合适，会引起驻波效应。1.9 一些效应的影响1.9.1 驻波效应图 1.2 驻波效应入射光与光刻胶下表面反射光的相长和相消干涉形成驻波，使光向侧边散射，降低分辨率。驻波效应会导致光刻胶侧壁出现脊状条纹，在曝光区与非曝光区边界形成曝光强弱相间的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用过渡区，影响显影后所形成的图形尺寸和分辨率。入射光与光刻胶下表面反射光的相长和相消干涉形成驻波，使光向侧边散射，降低分辨率。1.9.2 光学邻近效应在成像过程中，掩模图形对光波来说，相当于传播路线上的障碍。根据光的传播原理光波绕过障碍时会发生衍射和干涉现象，困此实际投射到硅片上的光强分布是衍射光波的迭加效果，光刻胶表面的图形与掩模图形并不是完全相同的。当掩模版图形尺寸远大于光源波长，亦即远大于分辨率 R时，由衍射产生的图形偏差可以忽略不计，在这种情况下光刻胶膜中通过曝光形成的光刻图形与掩模版图形基本相同. 然而随着生产工艺的演进，光刻波长与特征尺寸两者之间的差距越来越小，所生产集成电路的特征尺寸接近曝光系统的理论分辨率极限。在这种情况下，硅片表面成像相对于原始版图出现边角圆化，线端缩短，线宽偏差等严重的不一致。这种掩模图形和硅基表面实际印刷图形之间的图形转移失真现象，一般被称之为光学邻近效应 (OPE ，optical proximity effects。这些图形失真现象最终将造成集成电路电学特性的偏差，从而影响最后产品的性能参数并降低集成电路的生产成品率。1.9.3 曝光均匀性问题至此我们对胶的讨论，按胶具有均匀厚度来处理，而对于曝光的处理，也是按光线同一时间贯穿整个光刻胶体来进行的。事实上，在多数情况下，上述假定都是不好的。图1.3 示出了某些这方面的问题。请注意，图中光刻胶的厚度在整个硅片上倾向于不均匀，因为胶是作为液体旋涂在硅片上的，所以总是试图填充其下形貌的“峰和谷”。这样，曝光的过程通常也是在不同的区域遇到不用的厚度。从效果上看，较高结构顶上的胶较薄，较低结构上方的胶较厚。这就导致了一个特殊的问题，在结构薄膜边缘处，光刻胶的厚度可能发生突然变化。这些效果的结果是，在胶厚的地方，光刻胶实际上曝光不足，而在胶薄的地方，光刻胶被过曝光。这可能引起线宽变化，尤其是光刻胶图形跨越下面结构中的台阶时。图 1.3 曝光过程注：空间图像中的黑色横道代表掩膜版上不透明的区域，理想情况下没有光子打到这些区域的胶上。第二个问题是光刻胶所吸收的光随着胶厚度变化，同时在曝光时也随时间而改变。在曝光过程刚刚开始，假定光刻胶各处PAC的浓度均匀，随着接近光刻胶表面的PAC分子吸收光子，这些光子将不能再用于深层光刻胶曝光，所以光的浓度会随着深度下降。光强是随深入胶中的距离指数下降的，。注：这里z 是表面下的深度，Io 是表面处的光强，是光刻胶的光吸收系数。这样，胶的曝光首先是发生在接近表面处。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用2. 提高分辨率的措施2.1 掩膜2.1.1 掩膜版从上面的分析知，选择合适的掩膜版对提高分辨率非常重要，常见的掩膜版的类型有：超微粒干版 乳胶版）、金属硬面版以及一些满足特殊需要的掩模版如X 射线掩模、柔性掩模、凸起掩模和软片掩模等）。在选择掩膜版的是要考虑的很多，常见的因素有掩膜版的材料、形状、热膨胀系数，机械强度等。在工程中常选择的掩模板如图2.1 所示图2.1 工程中常使用的掩膜版从上往下依次是 1-2um蒙膜pellicle），其作用是保护掩膜版，防止掩膜版被玷污；10-15um ；80nm ，它的溅射和刻蚀相对容易且对光线完全不透明，其用于制造掩膜图形、溅射淀积；衬底，衬底为熔融石英玻璃片，其热膨胀系数小，短波长光透射率高，且有足够的机械强度。2.1.2 掩膜尺寸的偏移由前面的讨论知掩膜尺寸的偏移会影响分辨率。为了提高分辨率，我们必须对掩膜尺寸的偏移做合理地设置。一般情况下，这个值需要根据系统的要求来定，不同的系统要求的值不一样。不过如果你不能很好地把握这个参数的设置，可以将其设置为默认在其他参数为标准模式下）。2.2 照明系统2.2.1 光源的波长由，和，在DOF 保证的前提下，应尽可能选择较小的，以提高分辨率。2.2.2 照明系统和光轴的角度设置照明系统和光轴的角度为合适的值可以掩膜版的光束聚焦于投影透镜入瞳或使某些高阶衍射光被捕捉，减小衍射效应的影响。这种方法不仅能够提高分辨率，而且可以明显地改善焦深。利用此性质，常用的提高分辨率的技术是离轴照明技术通过改变照明光源的形状来改变透射光场各级衍射波的方向。由信息光学理论可知，透射光波经投影物镜成像时，高次的衍射波包含较多的掩模图形空间调制信息。投影物镜的数值孔径越大，则进入光瞳的高频部分越多，成像质量越高。然而投影物镜的数值孔径大小有限，随着图形线宽以及间距的减小，衍射现象愈加剧烈，各级衍射波之间的张角越来越大。在这种前提下会出现如图2.2a所示情形，由与光轴平行或夹角较小的照射光产生的透射光场经投影物镜成像时只有不包含掩模图形的任何空间调制信息的0级衍射波通过光瞳，这种情况下在硅基表面上只能得到处处相等的背景光。而在相同的条件下，与光轴夹角较大的照射光产生的透射光场经投影物镜成像时衍射波的投射情况如图2.2b 所示，此时 +1级或者一 1级衍射波能够进入光瞳共同参与成像，使得所成空间像有一定的分辨率。图2.2 离轴照明原理示意离轴照明去除了照明光中与光轴夹角较小的成分，从而使得更多的高级衍射波能够参与成像，即提高了高频成分在总光强中的比例，从而提高了空间像的分辨率。2.2.3 光照强度合理地控制光强的大小能够有效地避免过曝光或欠曝光的现象，提高系统的分辨率。但是光照强度的设置应该考虑多种因素，如光照时间，光刻胶的厚度，光源波长等方面的要求。当光照强度和这些要求符合地很好时，可以大大提高系统的分辨率。由于不同系统的要求不一样，应该针对不同的系统分别考虑。2.3 投影1.3的解决方案是：1）NA-1.37，水+ 平底透镜 + 石英透镜；2）NA-1.42，第二代浸入液体 + 平底透镜 + 石英透镜；3）NA-1.45，第二代浸入液体 + 弧形底透镜 + 石英透镜；4）NA-1.55，第二代浸入液体 + 新型玻璃材料 如CaF2 或SiO2）；5）NA-1.65，第三代浸入液体 + 新型玻璃材料 + 新型光刻胶；光瞳滤波在光刻投影物镜内插入滤波片，降低不携带任何物体信息的衍射0级或一级光的含量 ( 即构成一个带通滤渡器 ，从而提高高衍射级的相对含量，达到增加光强对比度的目的。(2逆傅利叶变换卷积滤波把滤波光瞳移出物镜，放置于物镜外，这样会使插入滤波片更加容易. 光瞳面的逆傅利叶变换是物平面的场分布 . 2.5 成像Image ）2.5.1 损伤因子 DEMAG ）应该尽量减小损伤因子。减小的方法很多，主要有：1）选择高质量的设备；2）合理地操作步骤；3）高质量的实验环境。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用2.5.2 掩膜版到晶圆的间隔 GAP ）对于接触式和接近式曝光系统，主要存在的是近场菲涅尔衍射。由最小分辨/ 特征尺寸，应该在满足其他的条件下尽可能的减小g。对于投影式曝光系统，减小 g可以减小信息的损害程度，提高分辨率。2.6 曝光Expose ）2.6.1 曝光的光波类型 TE or TM ）不同的波导的电场、磁场的分量的大小不同，且偏振光的在各方向分量也不同。我们应该根据应用来选择光导的类型。2.6.2 曝光剂量 dose ）合理地控制曝光剂量的大小能够有效地避免过曝光或欠曝光的现象，提高系统的分辨率。但是光照强度的设置应该考虑多种因素，如光照时间，光刻胶的厚度，光源波长等方面的要求。当曝光剂量和这些要求符合地很好时，可以大大提高系统的分辨率。由于不同系统的要求不一样，应该针对不同的系统分别考虑。2.6.3 反射的次数 numrefl ）和 POWER.MIN 调节反射的次数和反射光最小的能量使反射到光刻胶内的光减小至1% 一下，从而有效地减小驻波效应。2.6.4 多次曝光 的原理很简单，就是把原来一次光刻难以分辨的掩模图形交替式地分成两块掩模，每块掩模上图形的分辨率可以减少一半，减少了曝光设备分辨率的压力，同时还可以利用第二块掩模版对第一次曝光的图形进行修整。两次曝光有效地拓展了，现有曝光设备干法光刻的应用，不必等待更高的分辨率和更高数值孔径系统的出现就可以投入下一个节点产品的生产。两次曝光技术在使用中，很像移相掩模技术中的位相冲突问题，需要重点解决分色冲突问题。为此还有可能需要三次曝光光刻(TPT。两次曝光技术可以是两次曝光两次刻蚀方式 (1itho etch lithoetch；也可以是第一次曝光显影后进行抗蚀剂固化处理后再涂胶进行第二次曝光显影，最后一起刻蚀的方式(1itho-processlithoetch alternatives。此外。过去经常使用的牺牲体结构侧墙技术的自对准两次成型技术(self aligned(spacerdouble patterning也可以归入两次曝光技术中。当然，两次曝光技术也有问题，如对套刻精度要求更苛刻和生产效率降低等问题。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用2.7 烘烤Bake）2.7.1 烘烤的温度根据应用合理控制烘烤温度。2.7.2 烘烤的时间长度根据应用合理控制烘烤时间。2.8 显影Develop ）2.8.1 显影采用的模型由于找到的资料有限，我对这几种模型的认识不是很清楚，只有下面一点认识：DILL 曝光模型是建立在Lambert-Beer 经验定律之上，其前提假设条件为抗蚀剂的折射率在曝光过程中保持不变，以及抗蚀剂与基底的折射率较好匹配。与薄抗蚀剂不同，光被厚层抗蚀剂吸收的特性相对更为复杂，其未能较好地符合Beer 定律假设的假设条件。通过合理地设置 Dill模型的参数可以获得较好的显影效果。2.8.2 显影的时间实际中在确定显影的时间应该考虑光刻胶的厚度、材料、系统的要求等因素。综合情况下确定显影时间。2.8.3 光刻胶的性能2.8.3.1 高性能的光刻胶选择光学性质 分辨率、灵敏度、对比度、折射率）、力学和化学性质固溶度、黏附性、抗蚀性、热稳定性、流动性和对环境气氛的敏感度）和其他性质纯度、金属含量、可使用范围、有效期和燃点）适中的光刻胶可以提高光刻分辨率。特别是提高光刻胶的光学性质：1）适当提高光刻胶的分辨率光刻胶的分辨率非常重要。胶材料和工艺曝光计量、烘烤和显影周期）应当仔细地控制，以使胶中图像达到衍射极限。2）适当提高光刻胶的灵敏度灵敏度衡量的是需要多少光才能曝光胶，通常以mJ cm-2 来计量，对于 g线和i 线光刻胶，典型值是 100 mJ cm-2 。 新的深紫外 DUV ）胶由于采用化学增强，灵敏度达到了20-40 mJ cm-2，高灵敏度可以降低胶的曝光时间，从而提高光刻工艺的产率。不过过高的灵敏度是不合适的，因为会使胶材料不稳定，使胶对温度敏感，曝光过程中的噪声引起曝光量统计起伏，也会带来问题。3）适当提高光刻胶的对比度对比度衡量的是光刻胶区分该像的亮区和暗区的能力。衍射效应，或者还有曝光系统的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用其他缺陷，造成空间图像从暗到亮时并不是陡变的，对于空间图像中特征边缘的“灰”区，光刻胶的响应可以用“对比度”来衡量，对比度参数由实验确定。对比度的定义为。其中 Qo 是曝光开始起作用时的剂量，Qf是曝光完全起作用时的剂量。典型的 g线和i 线胶，对比度达到 2-3， Qf 值约为 100mJ cm-2。与之相比， DUV 胶可达到好得多的对比对和灵敏度，这基本上是DUV 中出现的化学增强，使为受到曝光状态到曝光状态的转变更为陡峭的缘故 一旦反应开始，这一过程的催化反应本性，促使反应会进行到底，而不会像 DUV 胶那样，胶中的 PAC 分子，只能被曝光期间到达的光子一个一个地曝光）。所以DUV的值，典型地可达 5-10，Qf值约为 20-40 mJ cm-2 。对于某种特定的胶的组成，并不是一个常数。从实验中提取的值依赖于一下工艺参数：显影液化学成分，烘烤时间，曝光前和曝光后的温度、曝光波长，光刻胶涂敷于其上的硅片的表层结构。总的来说，人们希望光刻胶有更高的对比度，因为这会使显影后的胶图像有更好更陡）的台阶 参见图2.3 ）. 从直观上看，这是因为胶的高对比度，暗示着胶对空间图像的暗区和亮区的区分很“锐利”，所以说，高对比度的胶可以锐化一个不佳的空间图像。图 2.3 空间图像的质量和光刻胶度必读结合起来确定胶的边缘形式的示例。左方显示了锐利的空间图像和陡峭的光刻胶边缘，右方显示了较差的空间图像，其结果是胶的边沿还变4）选择合理地光刻胶的调制传递函数MTF）MTF 是其光强“亮”和“暗”的一种对比性度量。临界调制传递函数CMTF ）粗略地是胶中分辨某一图形所需的最小光学传递函数。g线和i 线光刻胶， CMTF 的典型值在 0.4 左右。化学增强的 DUV 胶，其值很高，可达到小得多的CMTF）。CMTF 值的意义在于，如果光刻胶要能够分辨空间图像，CMTF 必须小于空间图像的 MTF 。2.8.3.2 光刻胶的厚度选择合理地光刻胶的厚度，避免驻波效应和过曝光或强曝光等效应。由于旋涂速度和胶的粘度决定了最终的胶厚度，所以从下面两个方面来控制光刻胶的厚度。选择粘度合适的光刻胶；合理控制旋涂速度精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用2.9 一些常见且有效的技术2.9.1 消除驻波效应的技术如果在胶下有高反射层，全程穿过胶层面没有被吸收的光，将被这些下方的层反射，回转向上再一次通过光刻胶。尽管这样会加速曝光过程，由于入射和反射光之间的相长和相消干涉，它也有在胶中形成光驻波图案的可能。进一步说，如果光向侧边散射，将会降低图像分辨率。减小驻波效应的方法：在硅片上淀积一层防反层来实现提高图形转移质量，减小光刻畸变和提高系统焦深的分辨率增强技术(Resolution Enhancement Technology ，RET ，这其中主要包括了如下几类：2.9.2.1 光学邻近修正当光刻线宽尺寸接近曝光波长时，光线穿过掩膜版后会产生衍射，这些衍射光的叠加会使曝光图形严重失真。光学邻近修正(Optical Proximity Correction，OPC 的基本方法是通过系统的改变掩模版上图形的形状，从而改变光刻过程中的透射光场的分布。由光学衍射和工艺的非线性所引起的失真因此可以得到适当的补偿。图2.4b 给出了图 2.4a 所示原始版图经过光学邻近修正以后的版图形状以及其在相同工艺条件下的仿真结果，可见经过对掩模的形状进行系统的修正后，光刻结果能够有较大的改善。图2.4 光学临近修正技术示意基于模型的 OPC 利用光学模型对掩膜图形进行光刻模拟成像，迭代优化校正目标图形形状。基于规则的 OPC 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用先生成一组校正规则，根据掩膜区域形状来匹配规则，然后根据规则对掩膜做出校正。由于实施光学邻近修正需要改变的只是版图形状，而对光刻工艺和光掩模制造工艺都没有任何特殊要求，因此应用此技术所需付出的代价较小，且易于与其他的分辨率增强技术联合使用。目前光学邻近修正已成为超深亚微M 集成电路设计和生产中最常用、应用最广泛的分辨率增强技术，在018#m 以下的技术结点，几乎所有的设计都应用了这一技术。而且当今学术界和工业界所研究的OPC ，已不仅仅是对光学邻近效应的修正，也包括了对上节所述光刻胶定影、显影以及蚀刻过程以及电子束刻写掩模图形过程中所存在畸变的预测与修正。有的学者将之称为制程邻近效应修正(Process ProximityCorrection，PPC 或全制程修正(Overall Process Correction，OPC 。2.9.2.2 移相掩模与光学邻近修正技术不同，移相掩模(Phase Shifted Mask，PSM 通过改变光刻过程中透射光场的相位分布来补偿光学衍射和工艺的非线性所引起的失真。传统掩模仅由透射率为1 和透射率为 0 的部分组成版图图形，因此又被称为二值掩模(BinaryMask。移相掩模则添加了透光但附加 180 度相移的区域，利用了相干光的破坏性干涉，即相位相差180 度的相干光交叠可以产生光强为零的区域，来改善光刻成像的清晰度。使用最广泛的移相掩模有如下两种：1.交替式移相掩模 (Alternating PSM ，AltPSM 在掩模上相邻区域交替的使用不同厚度的石英层使得相邻区域的透射率有180 度相移。2. 削弱式移相掩模 (AttPSM，Attenuated PSM 将传统二值掩模上不透光的背景部分改成能够部分透光。背景部分有7-8的透光率且与全透光区域有180 度的相移。图2.5 使用二值掩膜、交替式移相掩膜以及削弱式移相掩膜是双线图形的成像情况图 2.5 演示了当使用二值掩模、交替式移相掩模以及削弱式移相掩模时双线图形(double line的成像情况：第一行是三种掩模的基本结构；第二行是掩模的透射率函数；第三行给出了透射光场电场强度的分布，其中虚线代表当线条或部分透光背景单独存在时的电场强度，而实线代表其叠加后的结果；最后一行给出了光强的分布(与电场强度的平方成正比。可以看二值掩模的光场同相位叠加导致双线图形的中间区域光强也超过了光刻胶阈值，从而最终的成像轮精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用廓两条线是连接在一起的；交替式移相掩模的光场是反相位叠加亦即相互抵消的，双线图形的中间区域电场强度是0，从而双线中间区域的光强小于光刻胶阈值，双线的成像轮廓可以互相分离；而当使用削弱式移相掩模时，双线的光场与部分透光背景的光场是互相抵消的，减小了双线中间区域的光强，双线的成像轮廓也是可以互相分离的，然而由于背景透光的原因，在暗场区域的出现所谓“侧突”(sidelobe以及“浮渣” (scum图形(即本不应该出现的小块图形的可能性也会增大。除了上述两种常用技术，其他的移相掩模技术还有Rim PsM 和 ChromelessPsM等，但是由于 OPC和掩模制造比较困难，其应用目前还不广泛。2.9.2.3 离轴照明离轴照明技术 (Off-Axis Illumination，OAI 通过改变照明光源的形状来改变透射光场各级衍射波的方向。由信息光学理论可知，透射光波经投影物镜成像时，高次的衍射波包含较多的掩模图形空间调制信息。投影物镜的数值孔径越大，则进入光瞳的高频部分越多，成像质量越高。然而投影物镜的数值孔径大小有限，随着图形线宽以及间距的减小，衍射现象愈加剧烈，各级衍射波之间的张角越来越大。在这种前提下会出现如图2.6a所示情形，由与光轴平行或夹角较小的照射光产生的透射光场经投影物镜成像时只有不包含掩模图形的任何空间调制信息的0级衍射波通过光瞳，这种情况下在硅基表面上只能得到处处相等的背景光。而在相同的条件下，与光轴夹角较大的照射光产生的透射光场经投影物镜成像时衍射波的投射情况如图2.6b所示，此时 +1级或者一 1级衍射波能够进入光瞳共同参与成像，使得所成空间像有一定的分辨率。图2.6 离轴照明原理示意离轴照明去除了照明光中与光轴夹角较小的成分，从而使得更多的高级衍射波能够参与成像，即提高了高频成分在总光强中的比例，从而提高了空间像的分辨率。目前广泛使用的离轴照明方式的光源形状如图 2.7所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用图 2.7 常见的离轴照明光源离轴照明技术的缺点在于只有重复周期在一定范围之内的密集图形能够得到增强，而孤立或稀疏图形的分辨率却并不能够得到很大的改进从而这部分图形的成像质量会受到影响。2.9.2.4 次分辨率辅助图形与光学邻近修正技术一样，次分辨率辅助图形(Sub-Resolution Assist Feature ，SRAF 技术的基本方法也是改变光刻过程中的透射光场的幅度分布M补偿光学衍射和工艺的非线性所引起的失真。所不同的是 SRAF 改变的不是掩模版上原有图形的形状而是在原有图形附近加入线宽较小的辅助图形。由于这些附加的图形的尺寸低于光刻系统分辨率，衍射光线在其上的光强值小于硅片上的光刻胶感光阈值，所以辅助图形不能成像，经过光刻过程后并不会在转移到硅基表面。图 2.8给出了一个同时使用了光学邻近修正技术和次分辨率辅助图形技术的版图以及其仿真结果。离轴照明只能够增强重复周期在一定范围之内的密集图形的分辨率，而孤立或稀疏图形的分辨率却并不能够得到很大的改进。利用次分辨率辅助图形技术在主图形附近添加适当的辅助图形后，孤立图形和稀疏图形也具有密集图形的特性，图形的分辨率因此而提高。而所添加辅助图形的尺寸、数量以及放置的位置必须是经过仔细计算以及优化的：一方面要达到所期望的光学分辨率的提高，另一方面则需要保证辅助图形在曝光后的硅片上不能被刻印出来。图 2.8 次分辨率辅助图形技术示意 和曝光工艺的宽容度 (EL 。浸没光刻技术重点需要解决的问题是水迹、气泡和污染等缺陷困扰。目前采用193 nm光源的浸没光刻(Immersion，193i技术已经成为 65 nm和45 nm光刻的主流技术。2.9.5 多次曝光技术多次曝光技术可以把 193i技术进一步推进到 32 nm和22 nm的技术节点。以两次曝光技术为例，两次曝光技术 (或叫两次成型技术， DPT 的原理很简单，就是把原来一次光刻难以分辨的掩模图形交替式地分成两块掩模，每块掩模上图形的分辨率可以减少一半，减少了曝光设备分辨率的压力，同时还可以利用第二块掩模版对第一次曝光的图形进行修整。两次曝光有效地拓展了，现有曝光设备干法光刻的应用，不必等待更高的分辨率和更高数值孔径系统的出现就可以投入下一个节点产品的生产。两次曝光技术在使用中，很像移相掩模技术中的位相冲突问题，需要重点解决分色冲突问题。为此还有可能需要三次曝光光刻(TPT 。两次曝光技术可以是两次曝光两次刻蚀方式 (1ithoetchlitho etch；也可以是第一次曝光显影后进行抗蚀剂固化处理后再涂胶进行第二次曝光显影，最后一起刻蚀的方式(1itho-processlitho etch alternatives。此外。过去经常使用的牺牲体结构侧墙技术的自对准两次成型技术(selfaligned(spacerdouble patterning 也可以归入两次曝光技术中。当然，两次曝光技术也有问题，如对套刻精度要求更苛刻和生产效率降低等问题。2.9.6 NA增强技术由知，提高 NA可以提高分辨率。两种基于反射折射镜头组系统的高设计方案如下图：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用提高浸入式光刻机 NA有三条途径：一是设计好光学镜头，不仅要设计好镜头材料和尺寸，而且要设计好反射折射镜头组系统。镜头组系统是对称的，由 12 个镜头以整齐的叠加方式构成， ASML 采用镜子作为一部分成像部件。上图两组高NA 反射折射镜头组系统设计方案。二是提高浸入液体的折射率，因为浸入液体的折射率与镜头NA成正比，若能找到折射率1.65 的浸入液体，相当于获得 NA 1.65 的镜头。三是寻找新型光刻胶。综合采用这三种方法。2.10 采用先进的光刻技术2.10.1 电子束光刻电子束光刻具有极高的分辨率，甚至可以达到原子量级.由电子束曝光制作的最小尺寸可以达到 1020nm。英国剑桥大学微电子中心利用100kV 电子束曝光机制作出 12nm 的单电子器件.电子束光刻由于是无掩模直写型的，因此具有一定的灵活性，可直接制作各种图形.电子束曝光机主要有三种：高斯电子束、矩形电子束、变形电子束.由于电子束是扫描成像型的，因此它的生产率极低，虽然现在己开始采用单元投影、成形光刻斑和限角散射电子束投影光刻SCALPEL）等技术来提高生产率，但还远未达到光学光刻所能达到的40 到100 片/ 小时的生产率.为了弥补电子束光刻的不足，目前正在研究光学光刻与电子束光刻的混合匹配曝光技术，即电路的大部分工艺由光学光刻完成，超精细图形由电子束光刻完成，结合两者的优势，弥补不足.正由于这些特性，目前电子束光刻一般用于制作高精度掩模。2.10.2X 射线刻X 射线光刻早在 20 世纪70 年代初期就已经出现，由于其波长很短，所以可获得极高的分辨率. X射线光刻的焦深容易控制，对于0.13m 的光刻分辨率，其焦深也可达7m.X 射线曝光的视场远远大于光学光刻，可达50mm50mm以上，而且可方便地应用单层工艺，工艺简单. 因此， X 射线光刻是未来替代光学光刻的首选技术. 不过， X 射线光刻也有一些关键技术问题尚需解决，如 X 射线聚焦、掩模制作和 X 射线点光源等 . 因此， X 射线光刻目前还很难动摇光学光精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用刻的地位 .2.10.3 离子束光刻离子束曝光技术的研究起源于20 世纪70 年代，自从 80 年代液态金属离子源出现之后，离子束曝光技术才真正得以发展. 由于离子质量比电子大，所以散射少得多，因此不易产生类似电子束光刻的那种邻近效应，而且具有比电子束光刻更高的分辨率.不过，离子束光刻尚处于发展阶段，需要解决抗蚀剂的曝光深度、掩模制作、高能离子束源及离子束的聚焦等问题，距离实用化还有一段路要走 .2.10.4 深紫外加波前工程要想在 193nm 曝光波长下实现 100nm 线宽以下的图形，必须结合波前工程技术. 目前波前工程技术主要有： 1）改变照明条件，采用离轴照明方法，通过改变照明函数调制成像系统的传递函数，提高图形的对比度和焦深.2）对成像掩模进行调制，常用的方法是利用相位调制的相移掩模或利用振幅相位同时调制的衰减相移掩模. 基本原理是：在高度集中的光掩模中，所有相邻的透明区域上相间隔地增加或减少）一层透明介质，使透过这些相移层的光与相邻透明区透过的光产生相位差，利用光的相干性，抵消部分的衍射扩展效应，改变空间光强分布，使更多的能量从低频分配到高频上，弥补投影物镜的通低频阻高频的缺点，增大空间图像的反差，改善像质，使分辨率和焦深增大.3）改变系统的传递频谱，基本原理是直接调制系统的传递函数，通过设置相移滤波器或振幅滤波器来降低物体的低频成分，弥补由于成像镜头数值孔径有限而损失的高频成分，从而提高分辨率和焦深.4）多焦面曝光技术，离轴照明技术对结点图形的分辨率和焦深无改进作用，在原有掩模不变的情况下，采用多焦面曝光改进结点图形的分辨率和焦深是较为可行的方法.5）临近效应校正，在掩模上预先补偿，以便校正硅片上图形的畸变 .6）综合成像，以上几种波前工程技术使分辨率在一定程度上得到了提高，若将上述技术结合起来，可使分辨率进一步提高.2.10.5 干涉光刻技术激光干涉光刻技术具有高分辨率尺寸极限为四分之一波长）、大视场、不用掩模、系统相对简单、成本低的特点，可以用于产生多种疏密结构和尺寸的光栅、孔、锥、柱、点等周期性图形阵列 .激光干涉光刻技术采用激光束干涉方法产生周期性图形：一维双光束单曝光产生线/ 间比为1 的稠密光栅图形；在 X，Y 方向上各进行一次单曝光，产生稠密孔阵图形；采用一维变周期双光束双曝光，产生稀疏线阵图形；在X，Y 方向各进行一次一维变周期双光束双曝光，则产生稀疏孔阵图形等 . 采用多光束的不同组合方法曝光可产生所需要的多种周期性结构图形，而任意形状的周期性图形的产生则需大量次数的曝光，实际上是难以实现的. 而任意结构的图形产生可用成像干涉光刻技术，是一种基于掩模式干涉光刻技术.2.10.6 原子光刻在深紫外、极紫外、 X 射线、离子束投影、扫描探针和电子束光刻等技术中，光源的电磁辐射系统及光学系统很复杂、昂贵，许多技术还十分不完善. 电子束光刻技术虽然可以制作出15nm 量级的结构图形，但速度慢、效率低、成本高、风险大. 所以，到目前为止，科学工作精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用者还都在积极寻求一种真正实用的方法.近年来，随着现代物理学的发展，科学家们在原子光学理论和实验方面取得了可喜的成就，激光场和磁场用于冷却和捕获原子的技术日益完善，为原子光学在实际中应用奠定了基础. 原子光刻正是将原子光学这一基础性研究成果移用于高技术发展的一个典型例证. 近年来，作为原子光学领域的一个重要组成部分，原子光刻的研究工作受到很大重视. 由激光冷却原子技术所得到的准直度很好的钠、铝、铬等原子束，经激光驻波场所构成的原子透镜列阵聚焦并沉积在硅片等基底上得到纳 M图形.由于热原子束中原子的德布罗意波长约为0.1nm 量级，其衍射极限比常规光刻中所用紫外光的衍射极限小得多，因此，原子光刻技术在纳M器件加工、纳 M材料制作等领域具有重要的应用前景. 1992年，在科技杂志上最早见到“原子光刻atom lithography）”这个词汇 . 原子光刻是一种用原子实现刻印的新方法. 其基本原理是利用激光梯度场对原子的作用力改变原子束流在传播过程中的密度分布，使原子按一定规律沉积在基底上或使基底上的特殊膜层“曝光”），在基板上形成纳M级的条纹、点阵或人们所需的特定图案. 原子光刻技术制作纳 M图形的方案有两种：第一种是采用金属原子束，用共振光压使原子束高度准直化和形成空间强度分布后，直接沉积在基板上. 图2.9是用光驻波场操纵铬原子制作纳M结构的原理图和用原子力显微镜观测到的铬原子堆积线条. 另一种是采用亚稳态惰性气体原子束，用光抽运作用使其形成空间强度分布，再使亚稳原子破坏基板上的特殊膜层，最终用化学腐蚀方法在基板上刻印成形. 原子光刻技术与光学光刻技术有本质的不同，它不需要昂贵的光学成像镜头，具有分辨率高、不受电荷影响、可并行制作图形、效率高和无临近效应等优点. 虽然原子光刻技术问世不久，但已显现出勃勃生机. 若使原子光刻真正进入应用阶段，还有很多困难需要克服，但我们坚信，若干年后一定会出现全新的面貌.图2.9铬原子在驻波场中的聚焦原理图和沉积的线条结构二、 一个优化的工艺组合方案的各参数的确定结合国内外关于提高光学光刻分辨率方法的文献和自己目前的知识，一个优化的工艺组合方案的各参数的确定过程如下由于有些参数之间存在折中，有些参数需要综合起来确定，所以有些参数需要一起讨论）。1 掩膜版和照明窗口的设计由于可选的掩膜版有限，所以我设计的系统用到的掩膜版材料如下为工程中常见的掩膜版类型）：图 3.1.1 掩膜版从上往下依次是 1-2um蒙膜； num.refl=10(反射次数为 10次；bake time=30 temp=100(100 时烘烤 30min ，其他参数默认。仿真图形如下：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用图3.1.41 ）Aerial image Intensity 图3.1.42 ）Data from optolith.str 没有考虑掩膜尺寸的偏移。由图3.1.31 ）知，衍射现象严重，所以需要调整参数。下面将对image中dx参数进行调整； num.refl=10(反射次数为 10次； bake time=30 temp=100(100 时烘烤 30min ， 其他参数默认。仿真图形如下：图3.1.51 ）Aerial image Intensity 图3.1.5； num.refl=10(反射次数为 10次； bake time=30 temp=100(100 时精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用烘烤 30min， 其他参数默认。仿真图形如下：图3.1.61 ）Aerial image Intensity 图3.1.6； num.refl=10(反射次数为 10次； bake time=30 temp=100(100 时烘烤 30min， 其他参数默认。仿真图形如下：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 28 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用图3.1.71 ）Aerial image Intensity 图3.1.7； num.refl=10(反射次数为 10次； bake time=30 temp=100(100 时烘烤 30min， 其他参数默认。仿真图形如下：图3.1.81 ）Aerial image Intensity 图3.1.8； num.refl=10(反射次数为 10次； bake time=30 temp=100(100 时烘烤 30min， 其他参数默认。仿真图形如下：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 30 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用图3.1.91 ）Aerial image Intensity 图3.1.92 ）Data from optolith.str 结论综上，对比 3.1.41 ）、3.1.51 ）、3.1.61 ）、 3.1.71 ）、3.1.81 ）、3.1.9； num.refl=10( 反射次数为 10次； bake time=30 temp=100(100 时烘烤30min， 其他参数默认。仿真图形如下：图3.3.11 ）Aerial image Intensity 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 32 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用图3.3.1； num.refl=10( 反射次数为 10次； bake time=30 temp=100(100 时烘烤 30min， 其他参数默认。仿真图形如下：图3.3.21 ）Aerial image Intensity 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 33 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用图3.3.22 ）Data from optolith.str 仿真 3：仿真条件：illumination g.line；其他参数同上。仿真图形如下：图3.3.31 ）Aerial image Intensity 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 34 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用图3.3.32 ）Data from optolith.str 仿真 4：仿真条件：illumination krf.laser ；其他参数同上。仿真图形如下：图3.3.41 ）Aerial image Intensity 图3.3.4、h.line(波长为 0.407um、g.line(波长为0.436um着三种波长的光。从理论分析，波长越小分辨率越高。对比图3.3.1b ）、3.3.2b ）、3.3.3。下面系统中光源波长均为i.line(波长为 0.365um。4 照明系统与光轴的角度和离轴照明技术的结合使用设置照明系统和光轴的角度为合适的值可以掩膜版的光束聚焦于投影透镜入瞳或使某些高阶衍射光被捕捉，减小衍射效应的影响。这种方法不仅能够提高分辨率，而且可以明显地改善焦深。利用此性质，常用的提高分辨率的技术是离轴照明技术；num.refl=10(反射次数为 10次； bake time=30 temp=100(100时烘烤 30min， 其他参数默认。仿真图形如下：图3.4.1Data from optolith.str 仿真 2：仿真条件： illumination i.line x.tilt=1 z.tilt=1；其他条件同上仿真图形如下：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 36 页，共 37 页个人资料整理仅限学习使用图3.4.2 Data from optolith.str 仿真 3：仿真条件： illumination i.line x.tilt=2 z.tilt=2；其他条件同上仿真图形如下：图3.4.3 Data from optolith.str 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 37 页，共 37 页