超大规模集成电路先进光刻理论与应用PDF电子书下载

第1章 光刻技术概述 1

1.1 半导体技术节点 1

1.2 集成电路的结构和光刻层 3

1.3 光刻工艺 4

1.4 曝光系统的分辨率和聚焦深度 6

1.4.1 分辨率 6

1.4.2 聚焦深度 9

1.4.3 调制传递函数 11

1.5 对设计的修正和版图数据流程 12

1.6 光刻工艺的评价标准 14

1.7 去胶返工 15

1.8 光刻工艺中缺陷的检测 16

1.8.1 旋涂后光刻薄膜中缺陷的检测 16

1.8.2 曝光后图形的缺陷检测 18

1.9 光刻工艺的成本 18

1.10 现代光刻工艺研发各部分的职责和协作 20

1.10.1 晶圆厂光刻内部的分工以及各单位之间的交叉和牵制 20

1.10.2 先导光刻工艺研发的模式 22

1.10.3 光刻与刻蚀的关系 23

参考文献 24

第2章 匀胶显影机及其应用 26

2.1 匀胶显影机的结构 26

2.2 匀胶显影流程的控制程序 28

2.3 匀胶显影机内的主要工艺单元 29

2.3.1 晶圆表面增粘处理 29

2.3.2 光刻胶旋涂单元 31

2.3.3 烘烤和冷却 36

2.3.4 边缘曝光 39

2.3.5 显影单元 40

2.4 清洗工艺单元 45

2.4.1 去离子水冲洗 46

2.4.2 晶圆背面清洗 47

2.5 匀胶显影机中的子系统 49

2.5.1 化学液体输送系统 49

2.5.2 匀胶显影机中的微环境和气流控制 57

2.5.3 废液收集系统 58

2.5.4 数据库系统 59

2.6 匀胶显影机性能的监测 59

2.6.1 胶厚的监测 59

2.6.2 旋涂后胶膜上颗粒的监测 60

2.6.3 显影后图形缺陷的监测 62

2.6.4 热盘温度的监测 64

2.7 集成于匀胶显影机中的在线测量单元 65

2.7.1 胶厚测量单元 66

2.7.2 胶膜缺陷的检测 67

2.7.3 使用高速相机原位监测工艺单元内的动态 68

2.8 匀胶显影机中的闭环工艺修正 68

2.9 匀胶显影设备安装后的接收测试 70

2.9.1 颗粒测试 70

2.9.2 增粘单元的验收 71

2.9.3 旋涂均匀性和稳定性的验收 71

2.9.4 显影的均匀性和稳定性测试 72

2.9.5 系统可靠性测试 72

2.9.6 产能测试 72

2.9.7 对机械手的要求 74

2.10 匀胶显影机的使用维护 74

参考文献 75

第3章 光刻机及其应用 78

3.1 投影式光刻机的工作原理 79

3.1.1 步进-扫描式曝光 79

3.1.2 光刻机曝光的流程 80

3.1.3 曝光工作文件的设定 81

3.1.4 双工件台介绍 82

3.2 光刻机的光源及光路设计 83

3.2.1 光刻机的光源 83

3.2.2 投影光路的设计 86

3.2.3 193nm浸没式光刻机 89

3.3 光照条件 90

3.3.1 在轴与离轴照明 90

3.3.2 光刻机中的照明方式及其定义 92

3.3.3 光照条件的设置和衍射光学元件 95

3.3.4 像素化和可编程的光照 96

3.3.5 偏振照明 97

3.4 成像系统中的问题 102

3.4.1 波前畸变的Zernike描述 103

3.4.2 对成像波前的修正 108

3.4.3 投影透镜的热效应 109

3.4.4 掩模版形状修正 111

3.4.5 掩模热效应的修正 111

3.4.6 曝光剂量修正 113

3.5 聚焦系统 115

3.5.1 表面水平传感系统 115

3.5.2 晶圆边缘区域的聚焦 117

3.5.3 气压表面测量系统 118

3.5.4 聚焦误差的来源与聚焦稳定性的监控 119

3.6 光刻机的对准系统 120

3.6.1 掩模的预对准和定位 120

3.6.2 晶圆的预对准和定位 121

3.6.3 掩模工件台与晶圆工件台之间的对准 122

3.6.4 掩模与晶圆的对准 123

3.6.5 对准标识的设计 127

3.7 光刻机性能的监控 131

3.7.1 激光输出的带宽和能量的稳定性 131

3.7.2 聚焦的稳定性 131

3.7.3 对准精度的稳定性 132

3.7.4 光刻机停机恢复后的检查 134

3.7.5 与产品相关的测试 134

参考文献 135

第4章 光刻材料 137

4.1 增粘材料 138

4.2 光刻胶 139

4.2.1 用于I-线（365nm波长）和G-线（436nm波长）的光刻胶 139

4.2.2 用于248nm波长的光刻胶 141

4.2.3 用于193nm波长的光刻胶 144

4.2.4 用于193nm浸没式光刻的化学放大胶 145

4.2.5 193nm光刻胶的负显影工艺 155

4.2.6 光刻胶发展的方向 157

4.2.7 光刻胶溶剂的选取 162

4.3 光刻胶性能的评估 164

4.3.1 敏感性与对比度 165

4.3.2 光学常数与吸收系数 168

4.3.3 光刻胶的Dill参数 169

4.3.4 柯西系数 170

4.3.5 光刻胶抗刻蚀或抗离子注入的能力 171

4.3.6 光刻胶的分辨率 176

4.3.7 光刻胶图形的粗糙度 177

4.3.8 光刻胶的分辨率、敏感性及其图形边缘粗糙度之间的关系 183

4.3.9 改善光刻胶图形边缘粗糙度的工艺 185

4.3.10 光刻胶旋涂的厚度曲线 185

4.3.11 Fab对光刻胶的评估 186

4.4 抗反射涂层 188

4.4.1 光线在界面处的反射理论 189

4.4.2 底部抗反射涂层 191

4.4.3 项部抗反射涂层 196

4.4.4 可以显影的底部抗反射涂层 197

4.4.5 旋涂的含Si抗反射涂层 202

4.4.6 碳涂层 205

4.5 用于193nm浸没式光刻的抗水涂层 209

4.5.1 抗水涂层材料的分子结构 210

4.5.2 浸出测试和表面接触角 211

4.5.3 与光刻胶的兼容性 212

4.6 有机溶剂和显影液 213

4.7 晶圆厂光刻材料的管理和规格要求 217

4.7.1 光刻材料的供应链 217

4.7.2 材料需求的预报和订购 217

4.7.3 光刻材料在匀胶显影机上的配置 217

4.7.4 光刻材料供应商必须定期提供给Fab的数据 218

4.7.5 材料的变更 220

参考文献 220

第5章 掩模版及其管理 225

5.1 倍缩式掩模的结构 225

5.2 掩模保护膜 227

5.2.1 掩模保护膜的功能 227

5.2.2 保护膜的材质 228

5.2.3 蒙贴保护膜对掩模翘曲度的影响 229

5.2.4 保护膜厚度对掩模成像性能的影响 230

5.3 掩模版的种类 232

5.3.1 双极型掩模版 232

5.3.2 相移掩模 234

5.3.3 交替相移掩模 238

5.4 掩模的其他技术问题 242

5.4.1 衍射效率及掩模三维效应（M3D） 242

5.4.2 交替相移掩模上孔径之间光强的差别 243

5.4.3 交替相移掩模用于光学测量 244

5.4.4 掩模版导致的双折射效应 246

5.5 掩模发展的技术路线 248

5.6 掩模图形数据的准备 249

5.7 掩模的制备和质量控制 253

5.7.1 掩模基板 254

5.7.2 掩模上图形的曝光 256

5.7.3 掩模版刻蚀工艺 257

5.7.4 掩模的规格参数 259

5.7.5 掩模缺陷的检查和修补 261

5.8 掩模的缺陷及其清洗和检测方法 263

5.8.1 掩模缺陷的分类和处理办法 263

5.8.2 清洗掩模的方法 268

5.8.3 掩模缺陷检测的方法 270

5.8.4 测试掩模的设计 273

5.8.5 掩模缺陷对成像影响的仿真评估 274

5.9 晶圆厂对掩模的管理 276

5.9.1 晶圆厂与掩模厂的合作 276

5.9.2 掩模管理系统 276

参考文献 281

第6章 对准和套刻误差控制 285

6.1 光刻机的对准操作 287

6.1.1 对准标识在晶圆上的分布 288

6.1.2 曝光区域网格的测定 289

6.1.3 曝光区域网格的修正 289

6.1.4 光刻机的对准操作 291

6.2 套刻误差测量 293

6.2.1 套刻误差测量设备 293

6.2.2 套刻误差测量的过程 294

6.2.3 常用的套刻标识 296

6.2.4 曝光区域拼接标识 299

6.2.5 基于衍射的套刻误差测量 300

6.3 套刻误差测量结果的分析模型与修正反馈 303

6.3.1 测量结果 303

6.3.2 套刻误差的分析模型 304

6.3.3 对每一个曝光区域进行独立修正 308

6.4 先进工艺修正的设置 310

6.5 导致套刻误差的主要原因 311

6.5.1 曝光时掩模加热变形对套刻误差的影响 313

6.5.2 负显影工艺中晶圆的热效应对套刻误差的影响 314

6.5.3 化学研磨对套刻误差的影响 315

6.5.4 厚胶工艺对套刻误差的影响 315

6.5.5 掩模之间的对准偏差对晶圆上套刻误差的影响 316

6.6 产品的对准和套刻测量链 316

6.6.1 曝光时的对准和套刻误差测量方案 316

6.6.2 对准与套刻测量不一致导致的问题 318

6.6.3 单一机器的套刻误差与不同机器之间的套刻误差 321

参考文献 323

第7章 光学邻近效应修正与计算光刻 325

7.1 光学模型 325

7.1.1 薄掩模近似 326

7.1.2 考虑掩模的三维效应 328

7.1.3 光学模型的发展方向 330

7.2 光刻胶中光化学反应和显影模型 331

7.3 光照条件的选取与优化 333

7.3.1 分辨率增强技术 333

7.3.2 光源-掩模协同优化 338

7.4 光学邻近效应修正（OPC） 343

7.4.1 基于经验的光学邻近效应修正 344

7.4.2 基于模型的光学邻近效应修正 347

7.4.3 与光刻工艺窗口相关联的邻近效应修正（PWOPC） 357

7.4.4 刻蚀对OPC的影响 358

7.4.5 考虑衬底三维效应的OPC模型 359

7.4.6 考虑光刻胶三维效应的OPC模型 360

7.5 曝光辅助图形 360

7.5.1 禁止周期 360

7.5.2 辅助图形的放置 362

7.5.3 基于经验的辅助图形 363

7.5.4 基于模型的辅助图形 366

7.6 反演光刻技术 368

7.7 坏点（hot spot）的发现和排除 368

7.8 版图设计规则的优化 370

7.8.1 设计规则优化原理及流程 370

7.8.2 设计规则优化实例 371

7.8.3 设计和工艺的协同优化（DTCO） 373

7.9 先导光刻工艺的研发模式 374

7.9.1 光学邻近效应修正学习循环 374

7.9.2 光刻仿真软件与OPC软件的区别 375

7.9.3 掩模制备工艺对OPC的限制 375

参考文献 376

第8章 光刻工艺的设定与监控 379

8.1 工艺标准手册 379

8.2 测量方法的改进 382

8.2.1 散射仪测量图形的形貌 382

8.2.2 混合测量方法 383

8.2.3 为控制而设计测量图形的概念 384

8.3 光刻工艺窗口的确定 385

8.3.1 FEM数据分析 385

8.3.2 晶圆内与晶圆之间线宽的稳定性 390

8.3.3 光刻胶的损失与切片检查 392

8.3.4 光刻工艺窗口的进一步确认 393

8.3.5 工艺窗口的再验证 394

8.3.6 工艺窗口中其他关键图形的行为 395

8.4 工艺假设与设计手册 396

8.5 使用FEM晶圆提高良率 398

8.6 掩模误差增强因子 404

8.6.1 掩模误差增强因子（MEEF）的定义与测量 404

8.6.2 减少MEEF的措施 406

8.6.3 掩模成像时的线性 406

8.7 光刻工艺的匹配 408

8.7.1 光刻机之间光照条件的匹配 408

8.7.2 掩模之间的匹配 412

8.7.3 光刻胶之间的匹配 413

8.8 工艺监控的设置与工艺能力的评估 413

8.8.1 工艺监控的设置 413

8.8.2 工艺能力指数Cp和Cpk 414

8.9 自动工艺控制的设置 415

8.9.1 线宽的控制 416

8.9.2 晶圆内线宽均匀性的控制 418

8.9.3 套刻误差的控制 419

8.10 检查晶圆上的坏点 420

参考文献 420

第9章 晶圆返工与光刻胶的清除 423

9.1 晶圆返工的传统工艺 423

9.2 三层光刻材料（resist／SiARC／SOC）的返工工艺 424

9.2.1 “干／湿”工艺 425

9.2.2 去除空白晶圆上的SiARC或SOC 427

9.2.3 三层材料中只去除光刻胶 429

9.2.4 工艺失败后晶圆返工的分流处理 430

9.3 后道（BEOL）低介电常数材料上光刻层的返工 430

9.3.1 双大马士革工艺流程 431

9.3.2 返工导致SiO2（TEOS）损失 432

9.3.3 高偏置功率的等离子体会导致衬底受伤 433

9.4 光刻返工原因的分析 433

9.4.1 返工常见原因的分类 435

9.4.2 快速热处理和激光退火导致晶圆变形 436

9.5 晶圆返工的管理 437

9.6 离子注入后光刻胶的清除 438

9.6.1 技术难点 438

9.6.2 “干／湿”法去除光刻胶 439

9.6.3 “湿”法去除光刻胶 440

9.6.4 一些新进展 440

参考文献 441

第10章 双重和多重光刻技术 443

10.1 双重曝光技术 443

10.1.1 X／Y双极照明的双重曝光 444

10.1.2 使用反演计算设计双重曝光 445

10.2 固化第一次图形的双重曝光（LFLE）工艺 447

10.2.1 形成表面保护层的固化技术 447

10.2.2 使用高温交联光刻胶的固化技术 449

10.2.3 通孔的合包与分包 450

10.2.4 其他的固化方案 451

10.3 双重光刻（LELE）工艺 451

10.3.1 双沟槽光刻技术 451

10.3.2 使用负显影实现双沟槽 454

10.3.3 双线条光刻技术 456

10.3.4 含Si的光刻胶用于双线条工艺 458

10.3.5 双线条工艺中SiARC作为硬掩模层 458

10.3.6 “LE＋Cut”工艺 460

10.3.7 光刻机对准偏差和分辨率对LELE工艺的影响 461

10.4 三重光刻技术（LELELE） 463

10.5 自对准双重成像技术（SADP） 464

10.5.1 a-C做“mandrel”／SiN或SiO2做“spacer”／SiO2或SiN做硬掩模 468

10.5.2 光刻胶图形做“mandrel”／SiO2做“spacer”／a-C做硬掩模 469

10.5.3 SiO2做“mandrel”／TiN做“spacer”／SiN做硬掩模 471

10.5.4 自对准技术在NAND器件中的应用 472

10.5.5 自对准的重复使用（SAQP，SAOP） 473

10.5.6 SADP和LE结合实现三重成像 476

10.5.7 自对准实现三重图形叠加 477

10.5.8 “SAMP＋Cut”工艺 478

10.6 掩模图形的拆分 480

10.6.1 适用于LELE工艺的图形拆分 480

10.6.2 适用于LELELE工艺的图形拆分 484

10.6.3 适用于SADP的图形拆分 486

10.7 双重显影技术 489

参考文献 490

第11章 极紫外（EUV）光刻技术 494

11.1 极紫外光刻机 495

11.1.1 EUV反射镜 495

11.1.2 EUV光刻机的曝光系统 497

11.1.3 光照条件的设置 498

11.1.4 EUV光刻机研发进展及技术路线 499

11.1.5 更大数值孔径EUV光刻机的技术挑战 500

11.2 极紫外光源 502

11.2.1 EUV光源的结构 502

11.2.2 光源输出功率与产能的关系 504

11.2.3 波段外的辐射 505

11.3 EUV掩模版 507

11.3.1 EUV掩模缺陷的控制 510

11.3.2 EUV掩模的清洗 512

11.3.3 EUV掩模保护膜的研发 514

11.3.4 EUV空间像显微镜 516

11.3.5 EUV相移掩模 517

11.4 极紫外光刻胶 519

11.4.1 光刻胶的放气检测 519

11.4.2 EUV胶的分辨率、图形边缘粗糙度和敏感性 521

11.4.3 吸收频谱外辐射的表面层材料 526

11.4.4 底层材料 526

11.5 计算光刻在EUV中的应用 528

11.5.1 EUV光源与掩模的协同优化 529

11.5.2 OPC方法在EUV与DUV中的区别 532

11.6 极紫外光刻用于量产的分析 535

11.6.1 极紫外光刻技术的现状 535

11.6.2 EUV光刻中的随机效应 535

11.6.3 EUV与193i之间的套刻误差 537

11.6.4 实例分析 537

参考文献 540

中英文光刻术语对照 546