超大规模集成电路先进光刻理论与应用

目录
前言
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问的交叉和牵制 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问的对准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科西系数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1 88
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顶部抗反射涂层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问光强的差别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31 1
6.5.1曝光时掩模加热变形财套刻误差的影响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掩模之问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(0PC)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(DTC0) 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光刻机之问光照条件的匹配 408
8.7.2掩模之问的匹配412
8.7.3光刻胶之问的匹配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(BEOI)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Si02 (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
10.1.1X/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**次图形的双重曝光(IFIE)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)I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Si07做“spacer”/Si07或SiN做硬掩模 468
10.5.2光刻胶图形做“mandrel”/Si01做“spacer”/a-C做硬掩模469
10.5.3 Si07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
超大规模集成电路先进光刻理论与应用
10.5.6SADP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
11.15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5 19
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 0PC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之问的套刻误差 537
11.6.4实例分析537
参考文献540
中英文光刻术语对照546
彩图