0.35微米BiCMOS光刻工艺参数的优化

1、天津大学硕士学位论文0.35微米BiCMOS光刻工艺参数的优化姓名：白兰萍申请学位级别：硕士专业：电子与通信工程指导教师：张为;程高龙20081101天津大学硕士学位论文摘 要本文研究了一种典型的互补金属氧化物半导体光刻工艺参数的优化问题，主要针对此产品光刻工艺中遇到的三个大问题进行了研究和优化，找到了解决方法并成功地实现了此产品的量产。具体内容如下：1光刻工艺中的透镜发热(Lens heating)问题该产品前段有几个层的光罩都有很高的穿透率，加之曝光能量又大，所以在I线(Line)机台上极易发生曝光镜头受热变形，从而引起偏焦问题。本文具体研究了该问题并找到解决方法。2光刻胶粉尘污染引起的球状缺陷问题在这一产品的制程中，有些层需要用到很薄的光阻膜厚，为了得到符合要求的膜厚，在光刻胶涂布中就需要很高的旋转速度。而部分光刻胶在高速旋转的过程中会被雾化，漂浮在涂胶装置(coater unit)中，coater unit中的排气装置又把悬浮的光刻胶粉尘吹下去落在后续进来的晶圆上，形成球状缺陷。本文将找出控制高转速的方法来解决这种缺陷。3利用表面抗反射剂去除光刻工艺过程中的显影缺陷在光刻工艺过

2、程中，显影缺陷是造成产品成品率损失的主要因素。比如多种产生机理，不同特征的光刻胶残留缺陷是困扰晶圆制造厂光刻部门的一大问题。其中有一类残留来自于显影反应过程的生成物残渣，没有或不易被冲洗步骤冲洗掉，残留在晶圆表面造成将来的图形失效(pattern fail)。比较有代表性的是DUV机台经常容易产生的Slash缺陷。本文以Slash缺陷为例，研究其产生机理及解决方法。关键词：互补金属氧化物半导体，光罩，偏焦，球状缺陷，Slash缺陷天津大学硕士学位论文ABSTRACTThe improvement and optimization of the photolithography process for a typicalCMOS product was discussedFor this product，three main problems were analyzedin detail and got the solution fmallyThis product also has been implement massproduction successfullyThe follow

3、ing will list the three problems：1Lens heating issue on photo processThis product has several layers in front end with high mask transmission rate andhigh exposure dose，thus can easily cause lensheating issue on I Line scanner t001This will lead to lens distortion and focus driftThis problem will be discussed andsolved in this paper2The ball type defect issue caused by photoresist powderIn the process of this product，some layers need coat thinner thicknessTo get thethinner thickness，we need adju

4、st coat main RPM very highHowever，high-speedrotation makes the resist mist and floating on coater unit，then the exhaust blow thepowder out and fall into the next waferTherefore，the wafer on arms will suffer balltype defectThe method of control high RPM will be found out and handle thisdefect in this paper3Use TARC to remove the residue defect which is produced in developmentprocessThe defect during the development process is the main factor which leads to yieldlossSuch as a variety of generation

5、 mechanism and different characteristics ofphotoresist residue defect is a major problem which plagues lithography sectorThishas a class of residues from the enhancement of the product reaction process residueThe Residue isnt easy to be moved by rinse processTherefore，the residues on thewafer surface Can lead to paaern failThe slash defect that is occurred on DUV toolis a typical oneIn this paper,slash defects as an example，to study its principle andsolutionsKeywords：BiCMOS，Mask,Defocus，Ball typ

6、e defect，Slash DefectI独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。学位论文作一：白兰坪黼期：跏。7)年1月7少日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解丞洼态堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：磊吁签字日期：沙。净1月f叶，日一一一7导师签名：1；l；I相签字日期：苏薪年f月膛日I天津大学硕士学位论文11光刻基本原理第一章引 言经过20多年的成长，微电子光刻的原理与实践已经成为整个IC制造工艺最精致的领域之一，成功地进行图形转移对最终产品是最重要的。现代CMOS IC工艺的成本可以简单地从光刻层的数量做出很精确的估算。光刻是一项加工工艺，用于在光敏的胶

7、质材料上产生高精度的二维微细图形，这些图形是做在一块耐用的掩模版上的图形的复制件。掩模版通常由在一块透明的平板玻璃上做一个铬制的图形薄层而成。最后，光刻胶会在要做的器件上形成一个有用的结构。比如可以在绝缘体上刻蚀出沟槽，或者使半导体芯片表面一层均匀的金属层只留下一个电连线网络。半导体加工工艺的每一层都要用到光刻，一个先进的存储芯片会经过20多层光刻，并且光刻工艺大概占到整个半导体加工开支的13。光刻的进展可以用影印的图形中越来越小的尺寸来衡量。提高透镜的分辨率有很强的经济动机。最小图形尺寸降低一倍，在给定的半导体芯片面积上便可以有4倍的电路，同时可以显著提高开关速度。传统上最小图形尺寸相差12便称之为新一代光刻，这和DRAM(dynamic random-access memory)的换代差不多相当。DRAM的换代以存储器容量提高4倍为准，在每代存储器容量提升4倍中有一半是来之于光刻图形尺寸的减少，其他的进步则来之于设计技术的进步和DRAM物理尺寸的增加。光刻工艺的核心是曝光系统，这个复杂的机械把相应的掩模图形投影到硅片上所加工的半导体器件表面，然后变成一个薄层的光刻胶图形，并且通过一

8、系列的化学刻蚀或淀积工序转换为器件固有的一部分。图形构成的准确度是很令人吃惊的：小于lum的线条其偏差要求是几十个纳米，并且图形还必须和下一层的图形对准，其偏差要小于最小尺寸的14。在几平方厘米的区域里这些偏差都必须得到保证。一个有小办公室那么大，值几百美圆的光刻曝光系统就是用来符合这小小的几个要求的。光学光刻曝光系统由三部分组成：光刻镜头，光源系统和硅片定位系统。下面会详细描述一个典型的曝光系统，以及许多典型设计中的相应变量【l】。111光刻投影镜头光刻镜头实际上是一个大的组合镜头，由十到二十片简单的镜头元件组成，天津大学硕士学位论文装在一个巨大而稳固的大桶里，整个组件有i00多磅重。为了把一个30ram的圆形曝光区域的象差校正到很高的程度需要大量的光学元件。镜头用来产生一个缩小了5倍的掩模版图形，并对包含成百部分加工过的集成电路的硅片进行曝光。这个图形由一层光敏的胶水层所得，这个潜影最后显影成只留下所要的胶水图形。镜头设计的每一部分都必须有极少的误差，为了产生尽可能小的图形，镜头的分辨率必须限制在只受基本衍射的影响。在实践中，这意味着在曝光区域每一点其总的波前象差必须小于波长的Ii

9、O。在整个可用的曝光区域，其镜头焦平面偏差不大于01um，最大横向几何畸变小于005um。112照明子系统曝光系统的照明源是一个lOOW的高压汞灯，一个抛物线镜面用来收集光线，不要的波长用多层介质过滤器去掉，残余的365nm光通过一系列后续的均一化光学元件投影到掩模版上。掩模版上照明密度的不均匀性必须小于1，光继续通过掩模版并在光刻镜头的入射孔形成一个有效的光源图象，充满光源图象的入射孔的折射决定了光刻透镜成像图形的一致程度，光通过整个集光链和光刻透镜部件形成一个几百MWcm2照明密度的图形。照明装置内的一个快门快速启合，从而对光刻胶曝光数个零点几秒，每次曝光能量的重复性必须在1之内。虽然照明系统的偏差要求没有光刻镜头那么高，不过其必须达到的照明质量还是奇高的。即使光刻镜头没有畸变，照明部件的严重畸变也会在最后图形产生各种问题。113硅片定位系统硅片定位系统是现今技术中最精密的机械系统之一。硅片的直径通常是150到200mm，它包含有一百多个称之为“芯片”的半导体器件，每个芯片必须依次和投影下来的光刻图形对准，并且保证在曝光时对准误差在约lOOnm之内。为了对硅片内的所有芯片进行曝光，机器用一个在超高精度的x-y平台真空吸盘吸住硅片。平台位置由精度达到20nm的激光干涉仪决定，并且平台在一秒钟之内由一个成功的曝光位置移到下一个曝光位置且定位精度在误差范围之内。因为其一步一步地曝光，所以这种系统被称之为步进一重复光刻系统，或者简称为stepper。在曝光之前，硅片必须用一个自动对准系统进行尽可能精确的对位。这个系统寻找硅片上的标准对位标记，这些标记由上一层光刻印在硅片上，这些标记的位置可以通过采用多种光学检测技术中的一种来得到，可以采用许多不同的对准策略，不过最少必须知道相对投影图形的硅片平面内旋转误差以及xy方向的移位误差。在曝光开始之前，定位系统必须把这些误差减少到对准误差范围之内。STEPPER还必须自动检测光刻胶平面且把镜头的实际焦平面对准在这个平面的相应高度，其误差小于200hm。为了在一个大范围的曝光区域天津大学硕士学位论文保证这个精度，还必须检测校正延两个正交垂直轴的倾斜误差。因为不能保证整个硅片表面平整

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