复旦集成电路工艺课件-05

1、INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )1/41集成电路工艺原理 仇志军邯郸校区物理楼435室INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )2/41上节课主要内容上节课主要内容基于衍射理论的光刻原理基于衍射理论的光刻原理投影式（远场衍射）：分辨率、投影式（远场衍射）：分辨率、焦深、焦深、MTF、不相干度、不相干度SNAkR1gWmin接触接触/接近式（近场衍射）接近式（近场衍射）:最小尺寸最小尺寸光刻胶：正胶光刻胶：正胶/负胶负胶光刻胶的组成光刻胶的组成i线线/g线（线（PAC）DUV（PAG）掩模版

2、制作掩模版制作光刻机工作模式：光刻机工作模式：接触式，接近式，投接触式，接近式，投影式（扫描式，步进影式（扫描式，步进式，步进扫描式）式，步进扫描式）22)(NAkDOF INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )3/41大纲大纲 第一章第一章 前言前言第二章第二章 晶体生长晶体生长第第三章三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 热氧化热氧化第六章第六章 热扩散热扩散第七章第七章 离子注入离子注入第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积第九章第九章 刻蚀刻蚀第十章第十章 后端工艺与集成后端工艺与集成第十一章第十一章

3、 未来趋势与挑战未来趋势与挑战INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )4/41光刻胶的表征参数：光刻胶的表征参数：1、对比度对比度：胶区分亮区和暗区的能力：胶区分亮区和暗区的能力mJ/cm2=mW/cm2secINFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )5/41对比度对比度:)/(log1010DDfDf 即灵敏度即灵敏度注意：注意：g线和线和i线胶那样是靠光子一个一个曝光的，线胶那样是靠光子一个一个曝光的， DUV胶不是。胶不是。 DUV胶一旦反应开始，则会在催化作用胶一旦反应开始，则会在催化作用

4、下，使反应进行到底。所以下，使反应进行到底。所以DUV胶从未曝光状态到完胶从未曝光状态到完全曝光状态的转变更为陡峭，即对比度更大。全曝光状态的转变更为陡峭，即对比度更大。一般，一般， g线和线和i线胶的对比度在线胶的对比度在23，而，而DUV胶的对比胶的对比度为度为510。 依赖于工艺参数，如：显影液、前烘时间、曝光后及依赖于工艺参数，如：显影液、前烘时间、曝光后及坚膜的温度，光源波长和硅片的表面形貌等坚膜的温度，光源波长和硅片的表面形貌等INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )6/41空间图像与光刻胶对比度结合，空间图像与光刻胶对比度结合，直

5、接决定潜像的质量直接决定潜像的质量CMTF MTF，胶才能分辨，胶才能分辨空间图形空间图形g线和线和i线胶线胶CMTF 0.4，DUV胶为胶为0.10.2。110110/1/100DDDDCMTFff作业作业2、临界调制传递函数临界调制传递函数CMTF (critical modulation transfer function)：胶分辨图形所需的：胶分辨图形所需的最小光学传递函数最小光学传递函数MTF。局部曝光区域决定图形的陡直度局部曝光区域决定图形的陡直度fINFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )7/41光刻胶的一些问题光刻胶的一些问题1、

6、由于硅片表面高低起伏，可能造成曝光不足或过曝光。、由于硅片表面高低起伏，可能造成曝光不足或过曝光。线条宽度改变！线条宽度改变！INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )8/412、下层反射造成驻波，下层散射降低图像分辨率。、下层反射造成驻波，下层散射降低图像分辨率。DUV胶胶ARCg线和线和i线胶线胶使使用添加剂，吸光并用添加剂，吸光并降低反射，曝光后降低反射，曝光后显影前的烘烤也有显影前的烘烤也有利于缓解其驻波现利于缓解其驻波现象。象。INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )9/41驻波对于光刻

7、图形的影响驻波对于光刻图形的影响INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )10/41光刻步骤简述光刻步骤简述前烘前烘对准及曝光对准及曝光坚膜坚膜曝光后烘曝光后烘INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )11/41光刻步骤详述光刻步骤详述硅片硅片增粘处理高温烘培增粘剂处理 ：六甲基二硅胺烷（HMDS）匀胶机匀胶机涂胶：涂胶：30006000 rpm，0.51 m mm前烘：前烘：1030 min，90100 C热板热板去除光刻胶中的溶剂，改善胶与衬底的粘附性，增加抗蚀性，防止显影时浮胶和钻蚀。INFO

8、130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )12/41硅片对准，曝光硅片对准，曝光每个视场对准每个视场对准曝光强度曝光强度150 mJ/cm2曝光后烘烤（曝光后烘烤（PEB）：）：10 min，100 C显影：显影：3060 s浸泡显影或浸泡显影或喷雾显影喷雾显影干法显影干法显影Alignment markPrevious patternINFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )13/41坚膜：坚膜：1030 min，100140 C去除残余溶剂、显影时胶膜所吸收的显影液和残留水分，改善光刻胶的粘附性和抗蚀能

9、力显影检查：缺陷、玷显影检查：缺陷、玷污、关键尺寸、对准污、关键尺寸、对准精度等，不合格则去精度等，不合格则去胶返工。胶返工。INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )14/41Stepper & Scan SystemCanon FPA-4000ES1: 248 nm, 8”wafer80/hr, field view: 25 mm33 mm, alignment: 70 nm, NA: 0.63, OAI透镜成本下降、透镜成本下降、性能提升性能提升视场大视场大尺寸控制更好尺寸控制更好变形小变形小INFO130024.02集成电路工艺原

10、理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )15/41图形转移图形转移刻蚀刻蚀INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )16/41图形转移图形转移剥离（剥离（lift-off）INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )17/41去胶去胶溶剂去胶 （strip）：Piranha (H2SO4:H2O2)。正胶：丙酮氧化去胶 450 C O2+胶CO2+H2O等离子去胶（Oxygen plasma ashing） 高频电场 O2电离OO O活性基与胶反应 CO2， CO ，H2O。干法去胶（干法去

11、胶（Ash)INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )18/41光源光源NGL: X射线(5)，电子束(0.62)，离子束(0.12 )光源波长(nm)术语技术节点汞灯436g线0.5mm汞灯365i线0.5/0.35mmKrF(激光)248DUV0.25/0.13mmArF (激光)193193DUV90/6532nmF2 (激光)157VUVCaF2 lenses激光激发Xe等离子体13.5EUVReflective mirrorsNAkR11、Using light source with shorter 提高分辨率的方法提高分辨率的方法I

12、NFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )19/41248 nm157 nm13.5 nm193 nmINFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )20/412、Reducing resolution factor k1Phase Shift Mask Pattern dependent k1 can be reduced by up to 40 %NAkR1Normal Mask*EEI 1.相移掩模技术相移掩模技术 PSM (phase shift mask)附加材料造成光学附加材料造成光学路迳差异，

13、达到反相路迳差异，达到反相INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )21/41Alternating PSMAttenuated PSM相移技术提高相移技术提高图形分辨率图形分辨率选择性腐蚀石英基板造成光学选择性腐蚀石英基板造成光学路迳差异，达到反相路迳差异，达到反相i e2) 1/(5 . 0ndINFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )22/412.光学光刻分辨率增强技术光学光刻分辨率增强技术(RET) 光学临近修正光学临近修正OPC (optical proximity correction)

14、在光刻版上进行图形在光刻版上进行图形修正，来补偿衍射带修正，来补偿衍射带来的光刻图形变形来的光刻图形变形INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )23/41OPC实例实例INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )24/413、离轴照明技术、离轴照明技术 OAI (off-axis illumination) 可以减小对分辨率的限制、增加成像的焦深且提高了可以减小对分辨率的限制、增加成像的焦深且提高了MTFINFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )25/

15、41OAI的原理的原理11)1(SNAkR例如：当例如：当 1NA（1S）时，）时，R可以可以提高提高1倍！倍！INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )26/41实现方式：环形照明实现方式：环形照明 四极照明四极照明 两极照明两极照明实现与传统照明方式相同的分辨率，可以用较小实现与传统照明方式相同的分辨率，可以用较小NA，所以，所以焦深可以增加焦深可以增加在投影曝光系统中，掩模图形的空间像的对比度（在投影曝光系统中，掩模图形的空间像的对比度（MTF）依赖于投影物镜中参与成像的依赖于投影物镜中参与成像的1级以上衍射光的比例。由于级以上衍射光的比例

16、。由于收集了较多高频信号，离轴照明技术通过降低成像光束中的收集了较多高频信号，离轴照明技术通过降低成像光束中的低频成分来提高高频成分在总光强中的比例，从而提高了空低频成分来提高高频成分在总光强中的比例，从而提高了空间像的对比度。间像的对比度。NAkR122)(NAkDOF11)1(SNAkRINFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )27/41Mask design and resist process nmk14360.83650.62480.3-0.41930.3-0.4NAkR1Resist chemistry436,365 nm: Phot

17、o-Active-Component (PAC)248,193 nm: Photo-Acid-Generator (PAG)Contrast436,365 nm: =2-3, (Qf/Q02.5)248,193 nm: =5-10 (Qf/Q01.3)4、光刻胶对比度改进、光刻胶对比度改进INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )28/41Lens fabrication nmNA4360.15-0.453650.35-0.602480.35-0.821930.60-0.93NAkR1State of the Art: =193 nm, k1=0

18、.3, NA=0.93 R60 nm =1.36 R40 nmNumerical Aperture: NA=nsina aImmersion Lithography36. 144. 12NAnOHa anH2O5、增加数值孔径、增加数值孔径INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )29/41INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )30/4145, 32, 22 nmTechnology nodes全氟聚烷基醚油INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下)

19、)31/41INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )32/41EUVINFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )33/41Minimum feature size Production20032005200720092011Technology Node 90 nm65 nm45 nm32 nm22 nmHalf pitch nm110 105 80 55 39 LG nm6042302116 193 nm 193 nmimmersion193 nm immersionwith higher n?p

20、itchLGP. Bai, et. al., IEDM2005INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )34/41EUV（Extreme ultra violet)INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )35/41反射式掩模版反射式掩模版INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )36/41NGL（next generation lithography E-Beam 直写）直写）PMMA光刻胶光刻胶制作掩模版制作掩模版INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )37/41电子束光刻问题：电子束光刻问题：1）速度慢！）速度慢！INFO130024.02集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 (