光刻技术概述

超大规模集成电路先进光刻理论与应用2018年3月14日中国科学院大学研究生研讨课程授课教师：韦亚一/董立松联系电话：[phone]电子邮件：[e-mail]中国科学院微电子研究所2光刻技术概述光刻技术相关设备光刻技术相关材料光刻工艺的设定与监控极紫外光刻技术光刻成像模型与传统的分辨力增强技术光源掩模联合优化技术及其在工业中的应用光学邻近效应修正技术及其在工业中的应用设计-工艺协同优化技术的概念与分类设计-工艺协同优化技术的流程及其在工业中的应用课程主要内容授课对象和目标•主要内容：本课程围绕超大规模集成电路制造中的先进光刻技术，陈述与之相关的理论、设备、材料、测量与控制等。为了适应当前先进光刻的需求，本课程会重点讲述在14nm及以下节点广泛使用的计算光刻、分辨率增强技术以及设计-工艺联合优化技术等。•授课目标：掌握光刻技术的原理，对计算光刻技术进行深入研讨•授课对象：微电子学与固体电子学专业，集成电路制造专业研究生•考察方式：出勤50%+期末Project50%•参考教材：《超大规模集成电路先进光刻理论与应用》《光学投影曝光维纳加工技术》《ComputationalLithography》《OpticalImaginginProjectionMicrolithography》《ResolutionEnhancementTechniqueforOpticalLithography》《FundamentalPrinciplesofOpticalLithography:TheScienceofMicrofabrication》4•教师简介韦亚一，博士，中国科学院微电子研究所研究员，博士生导师，中组部“千人计划”入选者。先后在美国能源部橡树岭国家实验室、美国英飞凌和安智公司纽约研发中心、美国格罗方德公司纽约研发中心（任职光刻部门经理）等工作。长期从事半导体光刻领域设备、材料和制程研发，先后参与或主持了从180nm到14nm节点的技术研发。作为项目或课题负责人，主持国家02重大专项“300mm晶圆匀胶显影设备和光刻工艺研发”，主持“中芯国际-中科院微电子所14纳米项目产学研合作课题—光刻仿真优化和OPC光刻技术研究”。•联系方式电话：[phone]，邮件：[e-mail]5光刻技术概述集成电路结构集成电路制造工艺光刻工艺流程光刻系统的组成分辨率及焦深光刻工艺的评价指标与缺陷检测6概述集成电路结构半导体集成电路是信息革命的基础7概述集成电路结构网购双11智能家居所有带“智能”二字的概念，其基础全是集成电路智能生活概述集成电路（IC，IntegratedCircuit）——将晶体管、电阻、电容等各种电子元器件以相互联系的状态集成到半导体材料（主要是硅）或者绝缘体材料薄层片子上，再用管壳将其封装起来，构成一个完整的、具有一定功能的电路或系统。集成电路结构9信息存储：从纸质书籍到半导体存储器，闪存DRAMNVSMFlash信息捕获与显示：从视觉眼睛感光电子管显示器到半导体电荷耦合器件CCD，数码，TFT平面显示信息数据处理：从算盘计算器电子管计算机到微处理器CPU197119691967196719651963195919581947从物理到器件从器件到集成平面工艺主流工艺技术节点预测半导体存储器非辉发存储器信息捕获微处理器概述集成电路结构10概述集成电路结构六十年间集成电路与计算机发展历程从一个芯片1个晶体管到一个芯片集成数亿个晶体管从200个字节到32G（甚至64G）个字节一个房间150KW到今天2W手持电脑11概述集成电路结构杰克.基尔比JackS.Kilby集成电路发明者提出大胆的设想：“能不能将电阻、电容、晶体管等电子元器件都安置在一个半导体单片上？”1958-9-12研制出世界上第一块集成电路，2000年获诺贝尔物理学奖罗伯特.诺伊斯Robert.Noyce发明可商业化量产的集成电路1959-7研究出以二氧化硅膜开窗口杂质扩散技术、PN结的隔离技术，氧化膜上铝条连线技术，真正实现了半导体硅平面工艺创办仙童公司和英特尔公司集成电路对世界最具影响力的五个人采用硅基平面双极型集成电路（不是单个器件）制造中光刻工艺技术的开始!12概述集成电路结构集成电路对世界最具影响力的五个人戈登.摩尔Gordon.Moore发现“摩尔定率”1965-1975发现并预言集成电路芯片晶体管数每18个月翻一番（约每三年翻二番，特征尺寸缩小到0.7倍，进一个节点）的摩尔定率英特尔(Intel)公司创始人之一总裁兼CEO安迪格罗夫AndyGrove使微处理器这颗数字革命的心脏强劲跳动，为数字时代提供源源不断的动力1986年格罗夫提出的新的口号“英特尔，微处理器公司”核心、双核、四核改变世界1987年接过英特尔的CEO接力棒张忠谋Zhangzhongmou创建了一个纯芯片制造代工模式的产业1987创建了全球第一家专业代工公司--台湾积体电路制造股份有限公司（台积电）开创了半导体代工时代1985年台湾工研究院院长131965年，戈登.摩尔在《电子》杂志上发表了一篇预测未来集成电路发展趋势的文章，它就是“摩尔定律”的原身，即所谓每18个月，相同面积大小的芯片内，晶体管数量会增长一倍的规则。概述集成电路结构1.小规模集成电路（SSI）：10～100元件／片如各种逻辑门电路、集成触发器2.中规模集成电路（MSI）：100～1000元件／片如译码器、编码器、寄存器、计数器3.大规模集成电路（LSI）：1000～105元件／片如中央处理器，存储器。4.超大规模集成电路（VLSI）：105元件以上／片CPU（Pentium)含有元件310万～330万个集成电路分类集成电路结构IBM,multilevelcopperwiring集成电路内部结构集成电路结构167.封装用6.制备金属和通孔把晶体管连起来（1X，2X，4X，11X，22X）（ULK，Low-k，Oxide）（Cu互联，大马士格工艺）5.制备与S/D/G的连接（contacts）4.离子注入（S/D）3.制备栅极（gate）2.离子注入形成well1.确定activearea（或FIN）FEOLMOLBEOLGate层(L/S~1:3)Pitch=CPPMetal1层(L/S1:1)集成电路内部结构集成电路结构From：HowtoMakeaCPU:FromSandtoShelf.ByPaulGoodhead集成电路制造工艺800多道工序超大规模集成电路的制造过程是一个庞大的系统工程，包括五个方面：1）硅片制备：包括晶体生长、滚圆、切边及抛光等工序；2）硅片制造：包括硅片清洗、成膜、光刻、刻蚀、掺杂等；3）硅片测试：测试硅片的缺陷；4）装配与封装：包括将硅片切割成芯片、压焊和包封；5）终测：对完成封装的集成电路整体测试。测试切割刻蚀光刻镀膜掩膜制造封装硅片掩模设计集成电路制造工艺19光刻是集成电路制造的核心：30%totalcost；DrivingMoore’slaw;28nmlogicdevice~50litholayers.2021•什么是光刻？–光刻指利用光化学反应（photo-chemicalreaction）原理把事先制备在掩模上的图形通过光学成像系统（光刻机）转印到至衬底上的过程。–光刻是集成电路和微机电系统加工中最重要的步骤，目前它是唯一可以在衬底上制作亚微米和纳米精度图形的技术。–光刻费用占整个集成电路加工总费用的最大比重，光刻质量直接决定了芯片是否可用。光刻工艺流程22涂胶-前烘-曝光-后烘-显影-刻蚀PRSubstrateFilmPRCoatingPRSubstrateFilmMaskExposurePRSubstrateFilmDevelopPRSubstrateFilmEtch光刻工艺流程•光刻三要素–光刻系统•高光刻分辨率•高功率和产率•低套刻容差–光刻胶•种类繁多•极高的纯净度•稳定的性能–掩模版•高图像保真度•低掩模缺陷密度•经过专业光学软件修正2324HotPlatesPrepChamberChillPlatesChillPlatesSpinCoaterDeveloperStepper/ScannerWaferMovementWaferCenterTrackRobotTrackLitho光刻系统的组成25光刻系统的组成光刻机fromASML中国“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”，造价才2.35亿RMB；世界最大的地面望远镜是位于西班牙加那利群岛的加那利大型望远镜，口径10.4米，造价1.75亿美元最复杂，最精密，最昂贵。媲美地面最大的空间光学望远镜1984PAS2000436nm/0.26NAResolution1m365nm/0.48NAResolution500nm248nm/0.8NAResolution90nm193nm/1.35NAResolution38nm13nm/0.33NAResolution13nm1989PAS50001990’sPAS55002000’sTWINSCAN2010’sNXEEUV26光刻系统的组成几大光刻机厂商FPA-7000AS7ScannerWafersize:300mmResolution:≤45nmNumericalAperture(NA):0.85~1.35Reticlesize:6in.Reductionratio:4:1Fieldsize:26mmx33mmOverlayaccuracy:≤6nm27光刻系统的组成几大光刻机厂商NikonResolution45nmorbetterNA1.3ExposurelightsourceArFexcimerlaser(193nmwavelength)Reductionratio1:4Exposurefield26×33mmAlignmentaccuracy6.5nmorbetterThroughput300mmwafers:130ormorewafers/hourNSR-S609B(Immersion)28光刻系统的组成几大光刻机厂商ASMLTWINSCANNXT:1950iStep-and-Scansystem最高端的EUV光刻机，NXE：3400B，收到的订单已经累计21台，总价值23亿欧元，单价超1亿欧，媲美一架F35战斗机29光刻系统的组成光刻机的三种曝光方式接触式接近式缩小投影式4或5倍缩小曝光1:1曝光系统LightSourceLensesMaskResistWaferN-SiliconPRUVLightMaskLightSourceLensesMaskResistWafer~10mN-SiliconPRUVLight~10mMaskLightSourceLensMaskResistWaferSlitLens30Advantagesofthescanner•Onlysmallpartofthelensneedstobeoptimum•Averagingofaberrationsalongscan•Dynamicfocusing•Largerfieldsize(26x33mm)•Moredegreeoffreedomtocorrectforerrors33mm26mm光刻系统的组成光刻机的工作方式31光刻系统的组成光刻机——光源NGL:X射线(5Å)电子束(0.62Å)离子束(0.12Å)光源波长(nm)技术节点汞灯436g线0.5m汞灯365i线0.5/0.35mKrF(激光)248DUV0.25/0.13mArF(激光)193DUV90/65…22/14nmF2(激光)157VUVCaF2lenses激光激发Xe、Sn等离子体13.5EUVReflectivemirrors32光刻系统的组成光刻机——照明系统提供均匀照明、光束整形33光刻系统的组成光刻机——照明系统•Fourkindso