复旦大学微电子工艺VLSI-05第五讲__光刻(下)

1、INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )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 光刻原光刻原理理 ( (下下) )2上节课主要内容上节课主要内容基于衍射理论的光刻原理基于衍射理论的光刻原理投影式（远场衍射）：分辨率、投影式（远场衍射）：分辨率、焦深、焦深、MTF、不相干度、不相干度SNAkR1gWmin接触接触/接近式（近场衍射）接近式（近场衍射）:最小尺寸最小尺寸光刻胶：正胶光刻胶：正胶/负胶负胶光刻胶的组成光刻胶的组成i线线/g线（线（PAC）DUV（PAG）掩模版制作掩模版制

2、作光刻机工作模式：光刻机工作模式：接触式，接近式，投接触式，接近式，投影式（扫描式，步进影式（扫描式，步进式，步进扫描式）式，步进扫描式）22)(NAkDOF INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )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

3、来趋势与挑战INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )4光刻步骤简述光刻步骤简述前烘前烘对准及曝光对准及曝光坚膜坚膜曝光后烘曝光后烘INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )5光刻步骤详述光刻步骤详述硅片硅片增粘处理高温烘培增粘剂处理 ：六甲基二硅胺烷（HDMS）匀胶机匀胶机涂胶：涂胶：30006000 rpm，0.51 m mm前烘：前烘：1030 min，90100 C热板热板去除光刻胶中的溶剂，改善胶与衬底的粘附性，增加抗蚀性，防止显影时浮胶和钻蚀。INFO130024.01集成电路工艺原理第

4、四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )6硅片对准，曝光硅片对准，曝光每个视场对准每个视场对准曝光强度曝光强度150 mJ/cm2曝光后烘烤（曝光后烘烤（PEB）：）：10 min，100 C显影：显影：3060 s浸泡显影或浸泡显影或喷雾显影喷雾显影干法显影干法显影Alignment markPrevious patternINFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )7坚膜：坚膜：1030 min，100140 C去除残余溶剂、显影时胶膜所吸收的显影液和残留水分，改善光刻胶的粘附性和抗蚀能力显影检查：缺陷、玷显影检查：缺陷、玷污、关键尺寸、

5、对准污、关键尺寸、对准精度等，不合格则去精度等，不合格则去胶返工。胶返工。INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )8Stepper & Scan SystemCanon FPA-4000ES1: 248 nm, 8”wafer80/hr, field view: 25 mm33 mm, alignment: 70 nm, NA: 0.63, OAI透镜成本下降、透镜成本下降、性能提升性能提升视场大视场大尺寸控制更好尺寸控制更好变形小变形小INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )9图形转移图形转移

6、刻蚀刻蚀INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )10图形转移图形转移剥离（剥离（lift-off）INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )11去胶去胶溶剂去胶 （strip）：Piranha (H2SO4:H2O2)。正胶：丙酮氧化去胶 450 C O2+胶CO2+H2O等离子去胶（Oxygen plasma ashing） 高频电场 O2电离OO O活性基与胶反应 CO2， CO ，H2O。干法去胶（干法去胶（Ash)INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 (

7、 (下下) )12光源光源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)248DUV0.25/0.13mmArF (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 提高分辨率的方法提高分辨率的方法INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )132

8、48 nm157 nm13.5 nm193 nmINFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )142、Reducing resolution factor k1Phase Shift Mask Pattern dependent k1 can be reduced by up to 40 %NAkR1Normal Mask*EEI 1.相移掩模技术相移掩模技术 PSM (phase shift mask)附加材料造成光学附加材料造成光学路迳差异，达到反路迳差异，达到反相相INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (

9、下下) )15Alternating PSMAttenuated PSM相移技术提高相移技术提高图形分辨率图形分辨率选择性腐蚀石英基板造成光学选择性腐蚀石英基板造成光学路迳差异，达到反相路迳差异，达到反相i e2) 1/(5 . 0ndINFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )162.光学光刻分辨率增强技术光学光刻分辨率增强技术(RET) 光学临近修正光学临近修正OPC (optical proximity correction)在光刻版上进行图形在光刻版上进行图形修正，来补偿衍射带修正，来补偿衍射带来的光刻图形变形来的光刻图形变形INFO130

10、024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )17OPC实例实例INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )183、离轴照明技术、离轴照明技术 OAI (off-axis illumination) 可以减小对分辨率的限制、增加成像的焦深且可以减小对分辨率的限制、增加成像的焦深且提高了提高了MTFINFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )19Mask design and resist process nmk14360.83650.62480.3-0.41930.3-0.

11、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)4、光刻胶对比度改进、光刻胶对比度改进INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )20Lens fabrication nmNA4360.15-0.453650.35-0.602480.35-0.821930.60-0.93N

12、AkR1State of the Art: =193 nm, k1=0.3, NA=0.93 R60 nm =1.36 R40 nmNumerical Aperture: NA=nsina aImmersion Lithography36. 144. 12NAnOHa anH2O5、增加数值孔径、增加数值孔径INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )21INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )22INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )23EUVI

13、NFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )24Minimum feature size Production20032005200720092011Technology Node 90 nm65 nm45 nm32 nm22 nmHalf pitch nm110 105 80 55 39 LG nm6042302116 193 nm 193 nmimmersion193 nm immersionwith higher n?pitchLGP. Bai, et. al., IEDM2005INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光

14、刻原理理 ( (下下) )25EUV（Extreme ultra violet)INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )26反射式掩模版反射式掩模版INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )27NGL（next generation lithography E-Beam 直写）直写）PMMA光刻胶光刻胶制作掩模版制作掩模版INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )28电子束光刻问题：电子束光刻问题：1）速度慢！）速度慢！INFO130024.01集成

15、电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )29电子束光刻问题：电子束光刻问题：2）电子散射及二次电子：线条宽）电子散射及二次电子：线条宽束斑束斑真空下工作真空下工作焦深大焦深大直写，无掩膜版直写，无掩膜版INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )30电子束源：电子束源：热电子发射热电子发射场发射场发射光发射光发射电子束发射后, 被准直或聚焦，然后加速到 20 kV束斑直径 100 和离子注入类似INFO130024.01集成电路工艺原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )31其它可能的下一代光刻技术其它可能的下一代光刻技术纳米压印（纳米压印（Nanoimprint）基于材料和工艺革新的基于材料和工艺革新的“侧墙转移侧墙转移”技技术（术（Sidewall/Spacer transfer lithography）X射线光刻技术（射线光刻技术（XRL）离子束光刻技术（离子束光刻技术（IBL）无掩模光刻无掩