1、集成电路工艺原理2第一讲 前言第二讲 实验室净化及硅片清洗第三讲 光刻原理 1第四讲 光刻原理 2第五讲 热氧化原理 1第六讲 热氧化原理 2第七讲 扩散原理 1第八讲 扩散原理 2第九讲 离子注入原理 1第十讲 离子注入原理 2第十一讲 薄膜淀积原理 1第十二讲 薄膜淀积原理 2第十三讲 薄膜淀积原理 3第十四讲 刻蚀原理第十五讲 接触和互连第十六讲 工艺集成第十七讲 前瞻性工艺研究第1页/共40页3光刻的作用和目的图形的产生和布局第2页/共40页435的成本来自于光刻工艺光刻的要求图形转移技术组成：掩膜版/电路设计掩膜版制作光刻光源曝光系统光刻胶分辨率（高）曝光视场（大）图形对准精度（高）
2、1/3最小特征尺寸产率（throughput）（大）缺陷密度（低）第3页/共40页5空间图像潜在图像第4页/共40页6掩膜版制作CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形数字图形4或5投影光刻版（reticle）投影式光刻1掩膜版（mask）制作接触式、接近式光刻第5页/共40页7电子束直写熔融石英玻璃片80nmCr1015nmARC（anti-reflection coating）光刻胶高透明度（散射小）热膨胀小4或5投影光刻版在 制版时容易检查缺陷版上缺陷可以修补蒙膜(pellicle)保护防止颗粒玷污第6页/共40页8掩模版制作过程12.Finished第7页/共40页9三种硅片曝
3、光模式及系统接触式接近式投影式（步进）4或5倍缩小曝光系统1:1曝光系统第8页/共40页10接触式光刻机原理图第9页/共40页11接近式光刻机原理图CD:25um第10页/共40页12扫描投影式光刻机原理图1:1曝光系统CD1um第11页/共40页13步进投影式光刻机原理图投影掩模版称为“reticle”与mask之间有一定放大比例10:15:11:1步进扫描光刻机第12页/共40页14DSWdirect step on wafer第13页/共40页15接触式和接近式近场衍射（Fresnel）像平面靠近孔径，二者之间无镜头系统曝光系统第14页/共40页16接触和接近式利用Fresnel衍射理论
4、计算的间隔范围：2Wg 最小分辨尺寸gWming10 mm，365 nm（i线）时，Wmin2 mm第15页/共40页17投影式远场衍射（Fraunhofer）像平面远离孔径，在孔径和像之间设置镜头爱里斑df22.1df22.1中心极大半径第16页/共40页18投影式基本参数：分辨率(resolution)焦深(depth of focus)视场(field of view)调制传递函数(MTFmodulation transfer function)套刻精度(alignment accuracy)产率(throughput)光学系统决定 机械设计第17页/共40页19瑞利给出恰可分辨两个物点
5、的判据：点物S1的爱里斑中心恰好与另一个点物S2的爱里斑边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。S1S2S1S2S1S2可分辨不可分辨恰可分辨100%73.6%分辨率第18页/共40页20两个爱里斑之间的分辨率（瑞利判据）：sin61.0)sin2(22.122.1nfnfdfRsinnNA 数值孔径：收集衍射光的能力。n为折射率分辨率NAkR1k1=0.6-0.8提高分辨率：NA，k1f第19页/共40页21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.
6、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 第20页/共40页22248 nm157 nm13.5 nm193 nm第21页/共40页232、Reducing resolution factor k1Phase Shift Mask Pattern dependent k1 can be reduced by up to 40%NAkR1Normal Mask*EEI 第22页/
7、共40页242、Reducing resolution factor k1Mask design and resist process nmk14360.83650.62480.3-0.41930.3-0.4NAkR1Resist chemistry436,365 nm:Photo-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)第23页/共40页253、Increasing NALens fabricatio
8、n nmNA4360.15-0.453650.35-0.602480.35-0.821930.60-0.93NAkR1State of the Art:=193 nm,k1=0.3,NA=0.93 R60 nm =1.36 R40 nmNumerical Aperture:NA=nsinImmersion Lithography36.144.12NAnOHnH2O第24页/共40页26为轴上光线到极限聚焦位置的光程差。根据瑞利判据：cos4/很小时，2/)2/1(1 4/22NAfd 2sin 焦深NA，焦深 焦深22)(NAkDOF 第25页/共40页27焦深焦平面光刻胶IC技术中，焦深只有
9、1mm，甚至更小作业3第26页/共40页28调制传递函数MTF对比度第27页/共40页29一般要求MTF0.5与尺寸有关minmaxminmaxIIIIMTF第28页/共40页30MTF与光的部分相干度SS=光源直径s聚光镜直径dS增加，越来越不相干一般S0.5-0.7或S=NA聚光光路NA投影光路第29页/共40页31横坐标：归一化的空间频率，线条数/mm/截止频率空间频率1/(2W),W是等宽光栅的线条宽度，2W即Pitch按照瑞利判据归一化，即01/R NA/0.61（截止频率）2W特征尺寸大特征尺寸小第30页/共40页32例题：假定某种光刻胶可以MTF0.4分辨图形，如果曝光系统的NA
10、0.35，436 nm（g-line），S0.5。则光刻分辨的最小尺寸为多少？如果采用i线光源呢？解：从图中可以知道：S0.5，MTF0.4，对应于=0.520。436 nm时，0NA/0.610.35/(0.610.436)1.32/mm即分辨率为每mm的0.686对（=0.520）最小线条的分辨尺寸为0.73 mm或pitch1.46 mm若365 nm（i-line），则分辨尺寸可减小为0.61 mm。DOFg-line3.56 mm，DOFi-line2.98 mm（假定k21）第31页/共40页33两类曝光系统的空间图像比较第32页/共40页34光刻胶光刻胶的作用：对于入射光子有化学
11、变化，保持潜像至显影，从而实现图形转移，即空间图像潜像。灵敏度：单位面积的胶曝光所需的光能量：mJ/cm2负胶烃基高分子材料正胶分辨率高于负胶抗蚀性：刻蚀和离子注入正胶IC主导第33页/共40页35g线和i线光刻胶的组成（正胶positive photoresist,DNQ）a)基底：树脂 是一种低分子量的酚醛树脂(novolac,a polymer)本身溶于显影液，溶解速率为15 nm/s。b)光敏材料（PACphotoactive compounds)二氮醌(diazoquinone,DQ)DQ不溶于显影液，光刻胶在显影液中的溶解速率为 12 nm/sec光照后，DQ可以自我稳定（Wolf
12、f重排列），成为溶于显影液的烃基酸（TMAH四甲基氢氧化铵典型显影液）光照后，光刻胶在显影液中的溶解速度为100200nm/s c)溶剂 是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纤剂的混合物，用于调节光刻胶的粘度。前烘后膜上树脂:PAC1:1第34页/共40页36负胶(Negative Optical Photoresist)当VLSI电路需分辨率达2 mm之前，基本上是采用负性光刻胶。负胶在显影时线条会变粗，使其分辨率不能达到很高。但在分辨率要求不太高的情况，负胶也有其优点：a)对衬底表面粘附性好b)抗刻蚀能力强c)曝光时间短，产量高d)工艺宽容度较高（显影液稀释度、温度等）e)价格较低（约正胶的三分之一
13、）第35页/共40页37负胶的组成部分：a)基底：合成环化橡胶树脂 (cyclized synthetic rubber risin)对光照不敏感，但在有机溶剂如甲苯和二甲苯中溶解很快b)光敏材料 PAC：双芳化基(bis-arylazide)当光照后，产生交联的三维分子网络，使光刻胶在显影液中具有不溶性。c)溶剂：芳香族化合物(aromatic)负胶显影液第36页/共40页38DUV深紫外光刻胶传统DNQ胶的问题：1、对于1，因此DUV胶的灵敏度有很大提高。g线、i线光刻胶灵敏度为100 mJ/cm-2，DUV胶为2040 mJ/cm-2第37页/共40页39DUV胶化学增强的基本原理要求对
14、于环境和工艺参数控制严格，PEB温度控制在几分之一度。PAGINSOL INSOL聚合物长链酸INSOL INSOL聚合物长链SOLSOL聚合物长链酸SOLINSOL聚合物长链酸酸曝光曝光后烘烤（PEB）酸第38页/共40页40本节课主要内容基于衍射理论的光刻原理投影式（远场衍射）：分辨率、焦深、MTF、不相干度SNAkR122)(NAkDOF gWmin接触/接近式（近场衍射）:最小尺寸光刻胶：正胶/负胶光刻胶的组成i线/g线（PAC）DUV（PAG）光源：g线、i线，DUV，193DUV，VUV，EUV汞灯、准分子激光、激光激发Xe等离子体掩模版制作光刻机工作模式：接触式，接近式，扫描式，步进式，步进扫描式第39页/共40页41感谢您的观看。第40页/共40页
