复旦大学微电子工艺 VLSI-04第四讲光刻(上) (1)

1、INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )1集成电路工艺原理 仇志军邯郸校区物理楼435室INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )2净化的三个层次：净化的三个层次：上节课主要内容上节课主要内容净化级别净化级别高效净化高效净化净化的必要性净化的必要性器件：少子寿命器件：少子寿命 ，VT改变，改变，Ion Ioff ，栅击穿电压，栅击穿电压 ，可靠性，可靠性 电路：产率电路：产率 ，电路性能，电路性能 杂质种类：颗粒、有机杂质种类：颗粒、有机物、金属、天然氧化层物、金属、天然氧化层强氧化强氧化天然氧化

2、层天然氧化层HF:DI H2O本征吸杂和非本本征吸杂和非本征吸杂征吸杂环境、硅片清洗、吸杂环境、硅片清洗、吸杂INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )3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 未来趋势与挑战未来趋势与挑战INFO130024.01集成电路工艺

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图形的产生和布局图形的产生和布局INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )535的成的成本来自于本来自于光刻工艺光刻工艺光刻的要求光刻的要求图形转移技术组成：图形转移技术组成：掩膜版掩膜版/电路设计电路设计掩膜版制作掩膜版制作光刻光刻光源光源曝光系统曝光系统光刻胶光刻胶分辨率（分辨率（高高）曝光视场（曝光视场（大大）图形对准精度（图形对准精度（高高）1/3最小特征尺寸最小特征尺寸产率（产率（throughput）（）（大大）缺陷密度（缺陷密度（低低）INFO13

4、0024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )6空间图像空间图像潜潜在图在图像像INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )7掩膜版制作掩膜版制作CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形数字图形数字图形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触式、接近式光刻接触式、接近式光刻INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )8电子束直写电子束直写熔融石英玻璃片熔融石英玻璃片80nmCr1015nm

5、ARC（anti-reflection coating）光刻胶光刻胶高透明度（散射小）高透明度（散射小）热膨胀小热膨胀小4或或5投影光刻版在投影光刻版在 制版时容易检查缺陷制版时容易检查缺陷版上缺陷可以修补版上缺陷可以修补蒙膜蒙膜(pellicle)保护防止颗保护防止颗粒玷污粒玷污INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )9掩模版制作过程掩模版制作过程12. FinishedINFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 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:单位面积缺陷数，单位面积缺

6、陷数， Ac: 芯片面积，芯片面积， N: 掩膜版层数掩膜版层数INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )11三种硅片曝光模式及系统三种硅片曝光模式及系统接触式接触式接近式接近式投影式投影式1:1曝光系统曝光系统INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )12扫描投影式光刻机原理图扫描投影式光刻机原理图1:1曝光系统曝光系统INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )13步进投影式光刻机原理图步进投影式光刻机原理图10:15:11:1步进扫描光刻机步进扫描

7、光刻机INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )14DSWdirect step on waferINFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )15接触式和接近接触式和接近式式近场衍近场衍射（射（Fresnel）像平面靠近孔像平面靠近孔径，二者之间径，二者之间无镜头系统无镜头系统曝光系统曝光系统INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )16接触和接近式接触和接近式Fresnel衍射理论适用衍射理论适用的间隔范围：的间隔范围：2Wg 最小分辨尺寸最小分辨尺寸

8、gWming10 m mm， 365 nm（i线）时，线）时，Wmin 2 m mmINFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )17投影式投影式远场衍远场衍射（射（Fraunhofer） 像平面远离孔径，像平面远离孔径，在孔径和像之间设在孔径和像之间设置镜头置镜头爱里斑爱里斑df22. 1df22. 1中心极大半径INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )18瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：点物点物S1的爱里斑中心恰好与另一个点物的爱里斑中心恰好与另一个点物S2的爱里斑

9、的爱里斑边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。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集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )19两个爱里斑之间的分辨率两个爱里斑之间的分辨率(瑞利判据瑞利判据):sin61. 0)sin2(22. 122. 1nfnfdfRsinnNA 数值孔径：收集衍射数值孔径：收集衍射光的能力。光的能力。n为折射率为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 理论计算

10、人眼爱里斑理论计算人眼爱里斑20m mm分辨率分辨率：100 m mmINFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )20投影式投影式基本参数：基本参数：分辨率分辨率(resolution)焦深焦深(depth of focus)视场视场(field of view)调制传递函数调制传递函数(MTFmodulation transfer function)套刻精度套刻精度(alignment accuracy)产率产率(throughput) 光学系统决定光学系统决定 机械设计机械设计INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻

11、原理 ( (上上) )21 为为轴上光线到极限聚焦位置的光程差。根据瑞利判据：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，很小时，2/)2/1 (1 4/22NAfd 2sin 焦深焦深NA ，焦深，焦深 焦深焦深22)(NAkDOF INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )22焦深焦深焦平面焦平面光刻胶光刻胶IC技术中，焦深只有技术中，焦深只有1m mm，甚至更小，甚至更小INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )23调制传递函数调制传递函数MTF对比度对比度INFO130

12、024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )24一般要求一般要求MTF0.5与尺寸有关与尺寸有关minmaxminmaxIIIIMTFINFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )25MTF与光的部分相干度与光的部分相干度SS=光源直径光源直径s聚光镜直径聚光镜直径dS增加，越来越不相干增加，越来越不相干一般一般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集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )26光刻胶光刻胶光刻胶的作用：对于入射光光刻胶的作用：对

13、于入射光子有化学变化，通过显影，子有化学变化，通过显影，从而实现图形转移。从而实现图形转移。灵敏度：单位面积的胶曝光灵敏度：单位面积的胶曝光所需的光能量：所需的光能量：mJ/cm2负胶负胶烃基高分子材料烃基高分子材料正胶分辨率高于负胶正胶分辨率高于负胶抗蚀性：刻蚀和离子注入抗蚀性：刻蚀和离子注入正胶正胶IC主导主导INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )27汞灯汞灯436nm (g线线)和和365nm (i线线)光刻胶的组成光刻胶的组成（正胶（正胶positive photoresist, DNQ）a) 基底：树脂基底：树脂 是一种低分子量的酚

14、醛树脂是一种低分子量的酚醛树脂 (novolac, a polymer) 本身溶于显影液，溶解速率为本身溶于显影液，溶解速率为15 nm/s。 b)光敏材料（光敏材料（PACphotoactive compounds) 二氮醌二氮醌 (diazoquinone, DQ)DQ不溶于显影液，光刻胶在显影液中的溶解速率为不溶于显影液，光刻胶在显影液中的溶解速率为 12 nm/sec光照后，光照后，DQ结构发生重新排列，成为溶于显影液的烃基酸结构发生重新排列，成为溶于显影液的烃基酸（TMAH四甲基氢氧化铵四甲基氢氧化铵典型显影液）典型显影液）光照后，光刻胶在显影液中的溶解速度为光照后，光刻胶在显影液中

15、的溶解速度为100200nm/s c)溶剂溶剂 是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纤剂的混合物，用于调节光是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纤剂的混合物，用于调节光刻胶的粘度。刻胶的粘度。前烘后膜上树脂前烘后膜上树脂 : PAC1:1INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )28负胶负胶 (Negative Optical Photoresist) 当当VLSI电路需分辨率达电路需分辨率达2 m mm之前，基本上是采用负性光刻之前，基本上是采用负性光刻胶。胶。 负胶在显影时线条会变粗，使其分辨率不能达到很高。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

16、辨率要求不太高的情况，负胶也有其优点：但在分辨率要求不太高的情况，负胶也有其优点：对衬底表面粘附性好对衬底表面粘附性好抗刻蚀能力强抗刻蚀能力强曝光时间短，产量高曝光时间短，产量高工艺宽容度较高工艺宽容度较高 （显影液稀释度、温度等）（显影液稀释度、温度等）a)价格较低价格较低 （约正胶的三分之一）（约正胶的三分之一）INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )29负胶的组成部分：负胶的组成部分：a) 基底：合成环化橡胶树脂基底：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

17、苯中溶解很快对光照不敏感，但在有机溶剂如甲苯和二甲苯中溶解很快b) 光敏材料光敏材料 PAC： 双芳化基双芳化基 (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。影液中具有不溶性。c)溶剂：芳香族化合物溶剂：芳香族化合物 (aromatic) 负胶显影液负胶显影液INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )30DUV深紫外光刻胶深紫外光刻胶传统传统DNQ胶的问题：胶的问题：1、对于、对于1，因此，因此DUV胶的灵敏度有很大提高胶的灵敏度有很大提高。g线、线

18、、i线光刻胶灵敏度为线光刻胶灵敏度为100 mJ/cm-2，DUV胶为胶为2040 mJ/cm-2INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )31DUV胶化学增强的基本原理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，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。温度控制在几分之一度。PAGINSOL INSOL聚合物长链聚合物长链酸酸INSOL INSOL聚合物长链聚合物长链SOLSOL聚合物长链聚合物长链酸酸SOLINSOL聚合物长链聚合物长链酸酸酸酸曝光曝光曝光后烘烤曝光后烘烤（PEB）酸酸INFO130024.01集成电

19、路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )32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/cm2secINFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原理光刻原理 ( (上上) )33对比度对比度)/ln(10DDf Df 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INFO1