超大規模集成電路先進光刻理論與應用

前言

第1章 光刻技術概述1
1.1半導體技術節點1
1.2積體電路的結構和光刻層3
1.3光刻工藝4
1.4曝光系統的解析度和聚焦深度6
1.4.1解析度6
1.4.2聚焦深度9
1.4.3調製傳遞函數11
1.5對設計的修正和版圖資料流程程12
1.6光刻工藝的評價標準14
1.7去膠返工15
1.8光刻工藝中缺陷的檢測16
1.8.1旋塗後光刻薄膜中缺陷的檢測16
1.8.2曝光後圖形的缺陷檢測18
1.9光刻工藝的成本18
1.10現代光刻工藝研發各部分的職責和協作20
1.10.1晶圓廠光刻內部的分工以及各單位之問的交叉和牽制20
1.10.2先導光刻工藝研發的模式22
1.10.3光刻與刻蝕的關係23
參考文獻24

第2章 勻膠顯影機及其應用26
2.1勻膠顯影機的結構26
2.2勻膠顯影流程的控制程式28
2.3勻膠顯影機內的主要工藝單元29
2.3.1晶圓表面增粘處理29
2.3.2光刻膠旋塗單元31
2.3.3烘烤和冷卻36
2.3.4邊緣曝光39
2.3.5顯影單元40
2.4清洗工藝單元45
2.4.1去離子水沖洗46
2.4.2晶圓背面清洗47
2.5勻膠顯影機中的子系統49
2.5.1化學液體輸送系統49
2.5.2勻膠顯影機中的微環境和氣流控制57
2.5.3廢液收集系統58
2.5.4資料庫系統59
2.6勻膠顯影機性能的監測59
2.6.1膠厚的監測59
2.6.2旋塗後膠膜上顆粒的監測60
2.6.3顯影後圖形缺陷的監測62
2.6.4熱盤溫度的監測64
2.7集成於勻膠顯影機中的線上測量單元65
2.7.1膠厚測量單元66
2.7.2膠膜缺陷的檢測67
2.7.3使用高速相機原位監測工藝單元內的動態68
2.8勻膠顯影機中的閉環工藝修正68
2.9勻膠顯影設備安裝後的接收測試70
2.9.1顆粒測試70
2.9.2增粘單元的驗收71
2.9.3旋塗均勻性和穩定性的驗收71
2.9.4顯影的均勻性和穩定性測試72
2.9.5系統可靠性測試72
2.9.6產能測試72
2.9.7對機械手的要求74
2.10勻膠顯影機的使用維護74
參考文獻75

第3章 光刻機及其應用78
3.1投影式光刻機的工作原理79
3.1.1步進掃描式曝光79
3.1.2光刻機曝光的流程80
3.1.3曝光工作文件的設定81
3.1.4雙工件台介紹82
3.2光刻機的光源及光路設計83
3.2.1光刻機的光源83
3.2.2投影光路的設計86
3.2.3193nm浸沒式光刻機89
3.3光照條件90
3.3.1在軸與離軸照明90
3.3.2光刻機中的照明方式及其定義92
3.3.3光照條件的設置和衍射光學元件95
3.3.4圖元化和可程式設計的光照96
3.3.5偏振照明97
3.4成像系統中的問題102
3.4.1波前畸變的Zernike描述103
3.4.2對成像波前的修正108
3.4.3投影透鏡的熱效應109
3.4.4掩模版形狀修正111
3.4.5掩模熱效應的修正111
3.4.6曝光劑量修正113
3.5聚焦系統115
3.5.1表面水準傳感系統115
3.5.2晶圓邊緣區域的聚焦117
3.5.3氣壓錶面測量系統118
3.5.4聚焦誤差的來源與聚焦穩定性的監控119
3.6光刻機的對準系統120
3.6.1掩模的預對準和定位120
3.6.2晶圓的預對準和定位121
3.6.3掩模工件台與晶圓工件台之問的對準122
3.6.4掩模與晶圓的對準123
3.6.5對準標識的設計127
3.7光刻機性能的監控131
3.7.1鐳射輸出的頻寬和能量的穩定性131
3.7.2聚焦的穩定性131
3.7.3對準精度的穩定性132
3.7.4光刻機停機恢復後的檢查134
3.7.5與產品相關的測試134
參考文獻135

第4章 光刻材料137
4.1增粘材料138
4.2光刻膠139
4.2.1用於I-線(365nm波長)和G-線(436nm波長)的光刻膠139
4.2.2用於248nm波長的光刻膠141
4.2.3用於193nm波長的光刻膠144
4.2.4用於193nm浸沒式光刻的化學放大膠145
4.2.5193nm光刻膠的負顯影工藝155
4.2.6光刻膠發展的方向157
4.2.7光刻膠溶劑的選取162
4.3光刻膠性能的評估164
4.3.1敏感性與對比度165
4.3.2光學常數與吸收係數168
4.3.3光刻膠的Dill參數169
4.3.4科西係數170
4.3.5光刻膠抗刻蝕或抗離子注入的能力171
4.3.6光刻膠的解析度176
4.3.7光刻膠圖形的粗糙度177
4.3.8光刻膠的解析度、敏感性及其圖形邊緣粗糙度之間的關係183
4.3.9改善光刻膠圖形邊緣粗糙度的工藝185
4.3.10光刻膠旋塗的厚度曲線185
4.3.11Fab對光刻膠的評估186
4.4抗反射塗層188
4.4.1光線在介面處的反射理論189
4.4.2底部抗反射塗層191
4.4.3頂部抗反射塗層196
4.4.4可以顯影的底部抗反射塗層197
4.4.5旋塗的含Si抗反射塗層202
4.4.6碳塗層205
4.5用於193nm浸沒式光刻的抗水塗層209
4.5.1抗水塗層材料的分子結構210
4.5.2浸出測試和表面接觸角211
4.5.3與光刻膠的相容性212
4.6有機溶劑和顯影液213
4.7晶圓廠光刻材料的管理和規格要求217
4.7.1光刻材料的供應鏈217
4.7.2材料需求的預報和訂購217
4.7.3光刻材料在勻膠顯影機上的配置217
4.7.4光刻材料供應商必須定期提供給Fab的資料218
4.7.5材料的變更220
參考文獻220

第5章 掩模版及其管理225
5.1倍縮式掩模的結構225
5.2掩模保護膜227
5.2.1掩模保護膜的功能227
5.2.2保護膜的材質228
5.2.3蒙貼保護膜對掩模翹曲度的影響229
5.2.4保護膜厚度對掩模成像性能的影響230
5.3掩模版的種類232
5.3.1雙極型掩模版232
5.3.2相移掩模234
5.3.3交替相移掩模238
5.4掩模的其他技術問題242
5.4.1衍射效率及掩模三維效應(M3D)242
5.4.2交替相移掩模上孔徑之問光強的差別243
5.4.3交替相移掩模用於光學測量244
5.4.4掩模版導致的雙折射效應246
5.5掩模發展的技術路線248
5.6掩模圖形資料的準備249
5.7掩模的製備和品質控制253
5.7.1掩模基板254
5.7.2掩模上圖形的曝光256
5.7.3掩模版刻蝕工藝257
5.7.4掩模的規格參數259
5.7.5掩模缺陷的檢查和修補261
5.8掩模的缺陷及其清洗和檢測方法263
5.8.1掩模缺陷的分類和處理辦法263
5.8.2清洗掩模的方法268
5.8.3掩模缺陷檢測的方法270
5.8.4測試掩模的設計273
5.8.5掩模缺陷對成像影響的模擬評估274
5.9晶圓廠對掩模的管理276
5.9.1晶圓廠與掩模廠的合作276
5.9.2掩模管理系統276
參考文獻281

第6章 對準和套刻誤差控制285
6.1光刻機的對準操作287
6.1.1對準標識在晶圓上的分佈288
6.1.2曝光區域網格的測定289
6.1.3曝光區域網格的修正289
6.1.4光刻機的對準操作291
6.2套刻誤差測量293
6.2.1套刻誤差測量設備293
6.2.2套刻誤差測量的過程294
6.2.3常用的套刻標識296
6.2.4曝光區域拼接標識299
6.2.5基於衍射的套刻誤差測量300
6.3套刻誤差測量結果的分析模型與修正回饋303
6.3.1測量結果303
6.3.2套刻誤差的分析模型304
6.3.3對每一個曝光區域進行獨立修正308
6.4先進工藝修正的設置310
6.5導致套刻誤差的主要原因311
6.5.1曝光時掩模加熱變形財套刻誤差的影響313
6.5.2負顯影工藝中晶圓的熱效應對套刻誤差的影響314
6.5.3化學研磨對套刻誤差的影響315
6.5.4厚膠工藝對套刻誤差的影響315
6.5.5掩模之問的對準偏差對晶圓上套刻誤差的影響316
6.6產品的對準和套刻測量鏈316
6.6.1曝光時的對準和套刻誤差測量方案316
6.6.2對準與套刻測量不一致導致的問題318
6.6.3單一機器的套刻誤差與不同機器之間的套刻誤差321
參考文獻323

第7章 光學鄰近效應修正與計算光刻325
7.1光學模型325
7.1.1薄掩模近似326
7.1.2考慮掩模的三維效應328
7.1.3光學模型的發展方向330
7.2光刻膠中光化學反應和顯影模型331
7.3光照條件的選取與優化333
7.3.1解析度增強技術333
7.3.2光源掩模協同優化338
7.4光學鄰近效應修正(0PC)343
7.4.1基於經驗的光學鄰近效應修正344
7.4.2基於模型的光學鄰近效應修正347
7.4.3與光刻工藝窗口相關聯的鄰近效應修正(PWOPC)357
7.4.4刻蝕對OPC的影響358
7.4.5考慮襯底三維效應的OPC模型359
7.4.6考慮光刻膠三維效應的OPC模型360
7.5曝光輔助圖形360
7.5.1禁止週期360
7.5.2輔助圖形的放置362
7.5.3基於經驗的輔助圖形363
7.5.4基於模型的輔助圖形366
7.6反演光刻技術368
7.7壞點(hotspot)的發現和排除368
7.8版圖設計規則的優化370
7.8.1設計規則優化原理及流程370
7.8.2設計規則優化實例371
7.8.3設計和工藝的協同優化(DTC0)373
7.9先導光刻工藝的研發模式374
7.9.1光學鄰近效應修正學習迴圈374
7.9.2光刻模擬軟體與OPC軟體的區別375
7.9.3掩模製備工藝對OPC的限制375
參考文獻376

第8章 光刻工藝的設定與監控379
8.1工藝標準手冊379
8.2測量方法的改進382
8.2.1散射儀測量圖形的形貌382
8.2.2混合測量方法383
8.2.3為控制而設計測量圖形的概念384