复旦大学微电子工艺-VLSI-04第四讲--光刻(上)-(1)

INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)1集成电路工艺原理仇志军[e-mail]邯郸校区物理楼435室INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)2净化的三个层次：上节课主要内容净化级别高效净化净化的必要性器件：少子寿命，VT改变，IonIoff，栅击穿电压，可靠性电路：产率，电路性能杂质种类：颗粒、有机物、金属、天然氧化层强氧化天然氧化层HF:DIH2O本征吸杂和非本征吸杂环境、硅片清洗、吸杂INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)3大纲第一章前言第二章晶体生长第三章实验室净化及硅片清洗第四章光刻第五章热氧化第六章热扩散第七章离子注入第八章薄膜淀积第九章刻蚀第十章后端工艺与集成第十一章未来趋势与挑战INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)4光刻的作用和目的图形的产生和布局INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)535％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）——1/3最小特征尺寸产率（throughput）（大）缺陷密度（低）INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)6空间图像潜在图像INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)7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投影光刻版投影式光刻×1掩膜版制作接触式、接近式光刻INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)8电子束直写熔融石英玻璃片80nmCr10～15nmARC（anti-reflectioncoating）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INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)9掩模版制作过程12.FinishedINFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)10掩膜版的成品率Y:cANDeY0D0:单位面积缺陷数，Ac:芯片面积，N:掩膜版层数INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)11三种硅片曝光模式及系统接触式接近式投影式1:1曝光系统INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)12扫描投影式光刻机原理图1:1曝光系统INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)13步进投影式光刻机原理图10:15:11:1步进扫描光刻机INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)14DSW－directsteponwaferINFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)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INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)16接触和接近式Fresnel衍射理论适用的间隔范围：2Wg最小分辨尺寸gWming＝10mm，＝365nm（i线）时，Wmin2mmINFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)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df22.1df22.1中心极大半径＝INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)18瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：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INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)19两个爱里斑之间的分辨率(瑞利判据):sin61.0)sin2(22.122.1nfnfdfR＝sinnNA数值孔径：收集衍射光的能力。n为折射率分辨率NAkR1k1=0.6-0.8提高分辨率：NA，，k1理论计算人眼爱里斑~20mm分辨率：100mmINFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)20投影式基本参数：分辨率(resolution)焦深(depthoffocus)视场(fieldofview)调制传递函数(MTF—modulationtransferfunction)套刻精度(alignmentaccuracy)产率(throughput)……光学系统决定机械设计INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)21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[4/22NAfd2sin焦深NA，焦深焦深22)(NAkDOFINFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)22焦深焦平面光刻胶IC技术中，焦深只有1mm，甚至更小INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)23调制传递函数MTF－－对比度INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)24一般要求MTF0.5与尺寸有关minmaxminmaxIIIIMTFINFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)25MTF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S＝0.5-0.7或S=NA聚光光路NA投影光路INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)26光刻胶光刻胶的作用：对于入射光子有化学变化，通过显影，从而实现图形转移。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INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)27汞灯436nm(g线)和365nm(i线)光刻胶的组成（正胶－positivephotoresist,DNQ）a)基底：树脂是一种低分子量的酚醛树脂(novolac,apolymer)本身溶于显影液，溶解速率为15nm/s。b)光敏材料（PAC－photoactivecompounds)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1－2nm/sec光照后，DQ结构发生重新排列，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100－200nm/sc)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:PAC＝1:1INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)28负胶(NegativeOpticalPhotoresist)当VLSI电路需分辨率达2mm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）INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)29负胶的组成部分：a)基底：合成环化橡胶树脂(cyclizedsyntheticrubberrisin)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INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)30DUV深紫外光刻胶传统DNQ胶的问题：1、对于i线波长的光强烈吸收2、汞灯在DUV波段输出光强不如i线和g线，因此灵敏度不够3、量子效率提高有限（最大为1，一般0.3)化学增强光刻胶PAG(photo-acidgenerator)原理：入射光子与PAG分子反应，产生酸分子，在后续的烘烤过程中，酸分子起催化剂作用，使曝光区域光刻胶改性总量子效率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100mJ/cm-2，DUV胶为20－40mJ/cm-2INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)31DUV胶化学增强的基本原理要求对于环境和工艺参数控制严格，PEB温度控制在几分之一度。PAGINSOLINSOL聚合物长链酸INSOLINSOL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INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)32光刻胶的表征参数：1、对比度：胶区分亮区和暗区的能力mJ/cm2=mW/cm2×secINFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)33对比度)/ln(10DDfDf即灵敏度注意：g线和i线胶那样是靠光子一个一个曝光的，DUV胶不是。DUV胶一旦反应开始，则会在催化作用下，使反应进行到底。所以DUV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。一般，g线和i线胶的对比度在2～3，而DUV胶的对比度为5～10。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INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)34光刻胶的一些问题1、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！INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)352、下层反射造成驻波，下层散射降低图像分辨率。DUV胶—ARCg线和i线胶—使用添加剂，吸光并降低反射，曝光后显影前的烘烤也有利于缓解其驻波现象。INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)36驻波对于光刻图形的影响INFO130024.01集成电路工艺原理第四章光刻原理(上)37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SNAkR122)(NAkDOFgWmin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）掩模版制作光刻机工作模式：接触式，接近式，投影式