復旦大學微電子工藝 VLSI-04第四講光刻(上) (1)

1、INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )1集成電路工藝原理 仇志軍邯鄲校區(qū)物理樓435室INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )2凈化的三個層次：凈化的三個層次：上節(jié)課主要內容上節(jié)課主要內容凈化級別凈化級別高效凈化高效凈化凈化的必要性凈化的必要性器件：少子壽命器件：少子壽命 ，VT改變，改變，Ion Ioff ，柵擊穿電壓，柵擊穿電壓 ，可靠性，可靠性 電路：產率電路：產率 ，電路性能，電路性能 雜質種類：顆粒、有機雜質種類：顆粒、有機物、金屬、天然氧化層物、金屬、天然氧化層強氧化強氧化天然氧化

2、層天然氧化層HF:DI H2O本征吸雜和非本本征吸雜和非本征吸雜征吸雜環(huán)境、硅片清洗、吸雜環(huán)境、硅片清洗、吸雜INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )3大綱大綱 第一章第一章 前言前言第二章第二章 晶體生長晶體生長第第三章三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 熱氧化熱氧化第六章第六章 熱擴散熱擴散第七章第七章 離子注入離子注入第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積第九章第九章 刻蝕刻蝕第十章第十章 后端工藝與集成后端工藝與集成第十一章第十一章 未來趨勢與挑戰(zhàn)未來趨勢與挑戰(zhàn)INFO130024.01集成電路工藝

3、原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )4光刻的作用和目的光刻的作用和目的圖形的產生和布局圖形的產生和布局INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )535的成的成本來自于本來自于光刻工藝光刻工藝光刻的要求光刻的要求圖形轉移技術組成：圖形轉移技術組成：掩膜版掩膜版/電路設計電路設計掩膜版制作掩膜版制作光刻光刻光源光源曝光系統(tǒng)曝光系統(tǒng)光刻膠光刻膠分辨率（分辨率（高高）曝光視場（曝光視場（大大）圖形對準精度（圖形對準精度（高高）1/3最小特征尺寸最小特征尺寸產率（產率（throughput）（）（大大）缺陷密度（缺陷密度（低低）INFO13

4、0024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )6空間圖像空間圖像潛潛在圖在圖像像INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )7掩膜版制作掩膜版制作CAD設計、模擬、驗證后由圖形發(fā)生器產生數字圖形設計、模擬、驗證后由圖形發(fā)生器產生數字圖形數字圖形數字圖形4或或5投影光投影光刻版刻版投影式光刻投影式光刻1掩膜版制作掩膜版制作接觸式、接近式光刻接觸式、接近式光刻INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )8電子束直寫電子束直寫熔融石英玻璃片熔融石英玻璃片80nmCr1015nm

5、ARC（anti-reflection coating）光刻膠光刻膠高透明度（散射?。└咄该鞫龋ㄉ⑸湫。崤蛎浶崤蛎浶?或或5投影光刻版在投影光刻版在 制版時容易檢查缺陷制版時容易檢查缺陷版上缺陷可以修補版上缺陷可以修補蒙膜蒙膜(pellicle)保護防止顆保護防止顆粒玷污粒玷污INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )9掩模版制作過程掩模版制作過程12. FinishedINFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )10掩膜版的成品率掩膜版的成品率Y:cANDeY0 D0:單位面積缺陷數，單位面積缺

6、陷數， Ac: 芯片面積，芯片面積， N: 掩膜版層數掩膜版層數INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )11三種硅片曝光模式及系統(tǒng)三種硅片曝光模式及系統(tǒng)接觸式接觸式接近式接近式投影式投影式1:1曝光系統(tǒng)曝光系統(tǒng)INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )12掃描投影式光刻機原理圖掃描投影式光刻機原理圖1:1曝光系統(tǒng)曝光系統(tǒng)INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )13步進投影式光刻機原理圖步進投影式光刻機原理圖10:15:11:1步進掃描光刻機步進掃描

7、光刻機INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )14DSWdirect step on waferINFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )15接觸式和接近接觸式和接近式式近場衍近場衍射（射（Fresnel）像平面靠近孔像平面靠近孔徑，二者之間徑，二者之間無鏡頭系統(tǒng)無鏡頭系統(tǒng)曝光系統(tǒng)曝光系統(tǒng)INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )16接觸和接近式接觸和接近式Fresnel衍射理論適用衍射理論適用的間隔范圍：的間隔范圍：2Wg 最小分辨尺寸最小分辨尺寸

8、gWming10 m mm， 365 nm（i線）時，線）時，Wmin 2 m mmINFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )17投影式投影式遠場衍遠場衍射（射（Fraunhofer） 像平面遠離孔徑，像平面遠離孔徑，在孔徑和像之間設在孔徑和像之間設置鏡頭置鏡頭愛里斑愛里斑df22. 1df22. 1中心極大半徑INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )18瑞利給出恰可分辨兩個物點的判據：瑞利給出恰可分辨兩個物點的判據：點物點物S1的愛里斑中心恰好與另一個點物的愛里斑中心恰好與另一個點物S2的愛里斑

9、的愛里斑邊緣（第一衍射極?。┫嘀睾蠒r，恰可分辨兩物點。邊緣（第一衍射極?。┫嘀睾蠒r，恰可分辨兩物點。S1S2S1S2S1S2可分辨可分辨不可分辨不可分辨恰可分辨恰可分辨100%73.6%分辨率分辨率INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )19兩個愛里斑之間的分辨率兩個愛里斑之間的分辨率(瑞利判據瑞利判據):sin61. 0)sin2(22. 122. 1nfnfdfRsinnNA 數值孔徑：收集衍射數值孔徑：收集衍射光的能力。光的能力。n為折射率為折射率分辨率分辨率NAkR1k1=0.6-0.8提高分辨率：提高分辨率：NA ， ，k1 理論計算

10、人眼愛里斑理論計算人眼愛里斑20m mm分辨率分辨率：100 m mmINFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )20投影式投影式基本參數：基本參數：分辨率分辨率(resolution)焦深焦深(depth of focus)視場視場(field of view)調制傳遞函數調制傳遞函數(MTFmodulation transfer function)套刻精度套刻精度(alignment accuracy)產率產率(throughput) 光學系統(tǒng)決定光學系統(tǒng)決定 機械設計機械設計INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻

11、原理 ( (上上) )21 為為軸上光線到極限聚焦位置的光程差。根據瑞利判據：軸上光線到極限聚焦位置的光程差。根據瑞利判據：cos4/ 很小時，很小時，2/)2/1 (1 4/22NAfd 2sin 焦深焦深NA ，焦深，焦深 焦深焦深22)(NAkDOF INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )22焦深焦深焦平面焦平面光刻膠光刻膠IC技術中，焦深只有技術中，焦深只有1m mm，甚至更小，甚至更小INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )23調制傳遞函數調制傳遞函數MTF對比度對比度INFO130

12、024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )24一般要求一般要求MTF0.5與尺寸有關與尺寸有關minmaxminmaxIIIIMTFINFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )25MTF與光的部分相干度與光的部分相干度SS=光源直徑光源直徑s聚光鏡直徑聚光鏡直徑dS增加，越來越不相干增加，越來越不相干一般一般S0.5-0.7或或S=NA聚光光路聚光光路NA投影光路投影光路INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )26光刻膠光刻膠光刻膠的作用：對于入射光光刻膠的作用：對

13、于入射光子有化學變化，通過顯影，子有化學變化，通過顯影，從而實現圖形轉移。從而實現圖形轉移。靈敏度：單位面積的膠曝光靈敏度：單位面積的膠曝光所需的光能量：所需的光能量：mJ/cm2負膠負膠烴基高分子材料烴基高分子材料正膠分辨率高于負膠正膠分辨率高于負膠抗蝕性：刻蝕和離子注入抗蝕性：刻蝕和離子注入正膠正膠IC主導主導INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )27汞燈汞燈436nm (g線線)和和365nm (i線線)光刻膠的組成光刻膠的組成（正膠（正膠positive photoresist, DNQ）a) 基底：樹脂基底：樹脂 是一種低分子量的酚

14、醛樹脂是一種低分子量的酚醛樹脂 (novolac, a polymer) 本身溶于顯影液，溶解速率為本身溶于顯影液，溶解速率為15 nm/s。 b)光敏材料（光敏材料（PACphotoactive compounds) 二氮醌二氮醌 (diazoquinone, DQ)DQ不溶于顯影液，光刻膠在顯影液中的溶解速率為不溶于顯影液，光刻膠在顯影液中的溶解速率為 12 nm/sec光照后，光照后，DQ結構發(fā)生重新排列，成為溶于顯影液的烴基酸結構發(fā)生重新排列，成為溶于顯影液的烴基酸（TMAH四甲基氫氧化銨四甲基氫氧化銨典型顯影液）典型顯影液）光照后，光刻膠在顯影液中的溶解速度為光照后，光刻膠在顯影液中

15、的溶解速度為100200nm/s c)溶劑溶劑 是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纖劑的混合物，用于調節(jié)光是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纖劑的混合物，用于調節(jié)光刻膠的粘度?？棠z的粘度。前烘后膜上樹脂前烘后膜上樹脂 : PAC1:1INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )28負膠負膠 (Negative Optical Photoresist) 當當VLSI電路需分辨率達電路需分辨率達2 m mm之前，基本上是采用負性光刻之前，基本上是采用負性光刻膠。膠。 負膠在顯影時線條會變粗，使其分辨率不能達到很高。負膠在顯影時線條會變粗，使其分辨率不能達到很高。但在分

16、辨率要求不太高的情況，負膠也有其優(yōu)點：但在分辨率要求不太高的情況，負膠也有其優(yōu)點：對襯底表面粘附性好對襯底表面粘附性好抗刻蝕能力強抗刻蝕能力強曝光時間短，產量高曝光時間短，產量高工藝寬容度較高工藝寬容度較高 （顯影液稀釋度、溫度等）（顯影液稀釋度、溫度等）a)價格較低價格較低 （約正膠的三分之一）（約正膠的三分之一）INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )29負膠的組成部分：負膠的組成部分：a) 基底：合成環(huán)化橡膠樹脂基底：合成環(huán)化橡膠樹脂 (cyclized synthetic rubber risin)對光照不敏感，但在有機溶劑如甲苯和二甲

17、苯中溶解很快對光照不敏感，但在有機溶劑如甲苯和二甲苯中溶解很快b) 光敏材料光敏材料 PAC： 雙芳化基雙芳化基 (bis-arylazide) 當光照后，產生交聯的三維分子網絡，使光刻膠在顯當光照后，產生交聯的三維分子網絡，使光刻膠在顯影液中具有不溶性。影液中具有不溶性。c)溶劑：芳香族化合物溶劑：芳香族化合物 (aromatic) 負膠顯影液負膠顯影液INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )30DUV深紫外光刻膠深紫外光刻膠傳統(tǒng)傳統(tǒng)DNQ膠的問題：膠的問題：1、對于、對于1，因此，因此DUV膠的靈敏度有很大提高膠的靈敏度有很大提高。g線、線

18、、i線光刻膠靈敏度為線光刻膠靈敏度為100 mJ/cm-2，DUV膠為膠為2040 mJ/cm-2INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )31DUV膠化學增強的基本原理膠化學增強的基本原理要求對于環(huán)境和工藝參數控制嚴格，要求對于環(huán)境和工藝參數控制嚴格，PEB溫度控制在幾分之一度。溫度控制在幾分之一度。PAGINSOL INSOL聚合物長鏈聚合物長鏈酸酸INSOL INSOL聚合物長鏈聚合物長鏈SOLSOL聚合物長鏈聚合物長鏈酸酸SOLINSOL聚合物長鏈聚合物長鏈酸酸酸酸曝光曝光曝光后烘烤曝光后烘烤（PEB）酸酸INFO130024.01集成電

19、路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )32光刻膠的表征參數：光刻膠的表征參數：1、對比度對比度：膠區(qū)分亮區(qū)和暗區(qū)的能力：膠區(qū)分亮區(qū)和暗區(qū)的能力mJ/cm2=mW/cm2secINFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )33對比度對比度)/ln(10DDf Df 即靈敏度即靈敏度注意：注意：g線和線和i線膠那樣是靠光子一個一個曝光的，線膠那樣是靠光子一個一個曝光的， DUV膠不是。膠不是。 DUV膠一旦反應開始，則會在催化作用膠一旦反應開始，則會在催化作用下，使反應進行到底。所以下，使反應進行到底。所以DUV膠從未曝光狀態(tài)到完膠從未曝光狀態(tài)到完全曝光狀態(tài)的轉變更為陡峭，即對比度更大。全曝光狀態(tài)的轉變更為陡峭，即對比度更大。一般，一般， g線和線和i線膠的對比度在線膠的對比度在23，而，而DUV膠的對比膠的對比度為度為510。 依賴于工藝參數，如：顯影液、前烘時間、曝光后及依賴于工藝參數，如：顯影液、前烘時間、曝光后及堅膜的溫度，光源波長和硅片的表面形貌等堅膜的溫度，光源波長和硅片的表面形貌等INFO1