学习-微电子工艺学课件

CMOS1 2

3

光刻：

光刻：使用带有某一层设计图形的掩模版，经 和显影刻蚀：在光刻胶掩蔽4高要求所决定－分辨率、视场、对准精度、产率&

ReductionYearofProductionTechnologyNode(halfpitch)MPUPrintedGateLengthDRAMBits/Chip(sampling)MPUTransistors/Chips(106)

GateCDControl CriticalOverlay

FieldSize

+

+

+

+

+

3年缩小0.7，CD需控制在最小特征尺寸的35???

extremeUV,ionbeam?5电路设计掩膜版 应将空间图像转变为3D光

空间图潜在图6外界条件（如）作用光化学反应，分子结构发生变化IC

正性胶－负性胶－7

8高 436nm（g线）和365nm高 正胶（positivephotoresist,基底：（novolac），溶于显影液（速率为15nm/sec）。重氮醌（diazoquinone,DQ）DQ1~2后，DQ100~200nm/sec通用显影液—四甲基氢氧化铵溶剂

>>9负胶（NegativeOptical基底：合成环化橡胶树脂（cyclizedrubberrisin）

感光剂（PAC）：双芳化基（bis- 分辨率要求2m时，也有其优点：工艺宽容度较高（显影液稀释度、温度等价格较低（约正胶的

缺点：对比度 后图形的倾角和线__+__+力学和化学性质：工艺可达到的最小图形尺寸

R=1(mm1

灵敏度：完 所需最 剂量（mJ/cm2）， 效率决 工艺容差较大，而灵敏度大的光刻 光刻胶区分掩模版亮区与暗区的 后图形的倾角和 Typicalgandi-resistsachieveγ log10(Df/D0

of2~3andDfvaluesabout100mJcm- •显影液成 •前烘时硅片表面形 光刻胶对比度可计算出系统最小图形尺

型值为0.5。MTF=

Separated

Imax某一图形所需的最小MTF，典型值约为0.4。Idealmaskaerial

Structurescloser:

Df

101/γ1topartialoverlapoftwoairydiscs

D=101/γ1 如果系统对各种线条的MTF均已知，则由CMTF可计算出该 CMTFMTF

CMTF>MTF，不可分

设：胶厚均匀，光线同时贯硅片表面高低起伏，胶厚不同导致 透明化（Bleaching）效应： 区域对光吸收减弱， 均匀性提高非均匀胶厚（峰和谷 （胶薄处表面处光吸收 IIe0Light

/2n的相长和相消形成驻波， 底部防反射涂层（ARC）－刻胶内的光减少至1％以下－for后（显影前）烘焙（PEB）－duetodiffusionofPACorPAG－forDNQandDUVPEB：PEB：10min，100深紫外（DUV）

250~400100~250250~400100~2504~1001、对<i线波长光子强烈吸收，辐照不完 2 灯在DUV波段输出光强不如i线和g线

高 3、量子效率提高有限（最大为1，一般0.3）

PACPAGphoto-acidgenerator，感光酸生成剂化学增强或催化作用原理：入射光子与PAG分子反应，产生酸分子，在后续的烘烤过程中， 总量子效率>>1DUV胶的灵敏度有很大提高g线、i线光刻胶灵敏度为100mJ/cm-2，DUV20~40mJ/cm-DUV

形了掩膜图形

T<→温度控制

PR改性–与INSOL反应使其

总量子效率（起始的光-PAG反应效率后续催化反应次数Sensitivity(alsoeasilyaffectedbycontaminations,dust5xmorethan ／X射线常用掩模版类型：超微粒干版（乳胶版）殊需要的掩模版（如X射线掩模、柔性掩模、凸起掩模和软片掩模等）直 结实 ，长时间UV照射仍能保持形1~2m蒙膜（pellicle）：10~15nmCr2O3原图数据的产生：由CAD产生作图数据，形成掩模（PG）图形发生：PG文件驱动和控制图形发生器，将掩模图形转移到掩原图数据产生：决 元元图图编 编 器路器路件元 件

Several

12. 某次光刻 系统在一小时内能 R=

λ（Rayleigh DOF=

MTF=Imax 1

2( 其中：R是分辨率；k1、k2是工艺因子；NA是光学系统的数值孔径，它表征透镜光收集和聚焦的能力；DOF（DepthofFocus）是聚焦深度；λ是波长；MTF是调制传输函数；I是辐照强度。尺度远大于，光为直线行进的粒光线追迹（Raytracing

尺度与接近,衍射效应（diffractioneffects

Free

孔径–

Thesmallertheaperture,themoreitspreadsDiffractionisusuallydescribedinoftwolimitingFresneldiffraction-nearFraunhoferdiffraction-far

波-惠更斯原理－介质中波动到的各点菲涅尔原理－从同一波面上各点发出的子波，在到空间某一点时，各接触和接近 系统工作于近场Fresnel衍射区掩膜版与光刻胶之间没有透镜，间隙大小g（

Ringingduetoconstructiveanddestructiveinterference

RingingeffectRingingeffectbyincoherentSomeresist空间图像由孔径上各点发出的球面Huygens和衍射效应造成光强分布的“波纹（ringing）”且光线“弯折”离开孔径边接触 系Fresnel最小分辨/特征尺寸：Wmin

g10m，365nm（i线）Wmin2ForForcontactprinting0.1µm(notused!ContactContactprintingiscapableofhighresolutionbuthasunacceptabledefectdensities.Proximityprintingcannoteasilyprintfeaturesbelowafewµm(exceptforx-raysystems).投影 ProjectionprintingprovideshighresolutionandlowdefectdensitiesanddominatesTypicalprojectionsystemsusereductionoptics(2X-5X),stepandrepeatorstepandmechanicalsystems,print≈50wafers/hourandcost$10-扫描投影

线宽控制 高精度要求（逐个或类似规模

分辨率 时间的折Stepper:4X-5Xstepandrepeatsteppers.Allowforsmallermasks!(largerpatterns)Combinedstepper+scanner4X-5Xlargermaskpattern-differenceinscanningspeeds.LostApointsourcedoesnotproduceapointimage:

•但透镜尺寸有限，会损失一些由于衍射而在空间扩散的(higherspatialfrequency的像－爱里斑(Airy 中心极大半径1.22d注意：d或f0Second

瑞利（瑞利（Rayleigh）点物S点物S1的爱里斑中心与另一个点物S2的爱里斑边缘（第一衍射极小）1.22 1.22wHowfwHowf人眼爱里斑~20分辨率：100

n(2fsin) nsin

—透镜收集衍射光的能NAn S S2

RkRk1提高分辨率：提高分辨率：NA，，k1DOFDOFk 2焦焦焦平光刻NA透镜具较小焦深（Depthoffocus光刻为轴上光线到极限聚焦位臵的光程差。根据瑞利判据：42很小时，4[112222，sind2率和率和CD均匀性的提高焦深：NAIC技术中，焦深通常只有1m，甚至更 —appliestocoherentDiffractioneffectSeparatedIdealmaskaerial

Structurescloser:topartialoftwoairy空间图像的对比度，典型值MTF=ImaxImaxMTFdependsonthefeaturesizeandonthespacialcoherenceofthelightsourceMTFdependsonthefeaturesizeandonthespacialcoherenceofthelight同Ideal

angleof

S=光源直聚光镜直 或S= 或NA投影光S

s0.5-0.7(fors0intensitydecreasesnot

Practicallightsourcesarenotpointthelightstrikingthemaskwillnotbeplane 缺点：掩模版与光刻胶之间有5～25m的间距优点：高分辨率，低缺陷，对准精度高，缺点：

+脱水烘干（140~200C）+旋涂/熏烘增粘 步骤：a.将光刻胶溶液喷涂到衬底表面上（静态喷涂＆动态喷涂b.c.不到最初EdgeEdgeBead存涂涂溶剂质量溶剂质量 目的：除去光刻胶薄膜中多余溶剂，四个结果

薄膜厚度减小（辐射及热平板）

42100~150。步骤：在光刻胶通过掩模版之前，将掩模版上图形与衬底上先前生成实现在单位面积上增加器件和功能的目的。

Alignment双 对准原

版的位臵和方向，在前将硅片与掩膜版对准。x决定PR决定PR形状&线宽大小，形成后续工艺掩模光刻目的：通过显影液处理， 温度以及显影液搅动情况等等。典型显影时间：30~60和保护能力。典型条件：10~30min，100~140C（玻璃态转变温度）坚膜过度可能导致PR流动，图形精度UV辐照和加热对光刻胶进行光学稳定UV学稳定后的光刻胶，其抗刻（腐）蚀能力可以增强40％

刻 去 无机溶液（如H2SO4、H2O2等）450C，O2+胶等离子去胶（Oxygenplasma高频电场O2电离O＋活性基与胶反应CO2，CO广泛用于分立器件制造，如大功率ULSIOrdinaryGiantColossalTMRTa5保护膜＆电MnIr20CoFe2pin层(Co50Fe50Ta5保护膜＆电MnIr20CoFe2pin层(Co50Fe50)80B202MgO1.6(Co50Fe50)80B2010强磁性层Ta5Si(SiO2)Processof②Spinningtheresist③Exposureand④Etchingtill the

ObtainningthebottomSi(SiO2)Thecross-sectionofdashdottedpartinright Si(SiO2)Si(SiO2)⑦Exposure&

10m⑧⑧EtchingtillThecross-sectionofdashdottedpartinright theSi(SiO2Si(SiO2)Thecross-sectionofdashdottedpartinright ⑪Spinningthe ⑫Exposure&⑬Sputtering200nmthickAl（top the ObtainingtheTMRSi(SiO2)Thecross-sectionofdashdottedpartinright

ThestructureofmicrofabricatedTMRSi(SiOSi(SiO2)Thetop-viewandMeasuringtheMR-IVpropertiesusingfour-probemethod Rk1λ >

DOF=k

NA

波长波长灯ghi248 193157

193

13.5R=R=k1λDOF=k2λ2分辨率增强技术备和工艺，在不改变波长、数值孔径及光刻胶工艺的光学邻近效应校正（opticalproximitycorrection，OPC）：优离轴照明（offaxisillumination，OAI）：优化光线照射掩模先进光刻技术－浸入式光刻（ImmersionLithography）： 一、光学邻近效应校正（OPC）原 这些衍射光的叠加会 OPC基于模型的OP：标图形形状。基于模型的OP：标图形形状。二、离轴照明（OAI）原通常，光波穿过掩模版后的衍射角度较大，透镜的NANA增大又会使DOF

Bettercaptureofallfeaturesbytheprojectionlens

系统多采用和/或离轴（offaxis）照明，通柯勒（Kohler）收集掩膜版上各点发出的衍射光 On-axis

离轴照明使某些高阶衍射 Aperture ProjectionLens

NA=nsinαDOF=

2高频高频

低频低频

Off-axis

Light

"Lost"Light

低低 Diffracted Light

OAI01光夹角小于传统照明条件下成像的1夹角。因此，要实现相同R，OAI需要较小NA 三、相移掩模（PSM）Electric

d=λ2n 生180相位差IntensityonPRdoespermitforfeature I=EE*

波产生相消，从Patterndependent：k1canbereducedbyupto40%i~Attenuated四、浸入式光刻（Immersionlithography）

Lens0.15-0.35-0.35-0.60-Lens0.15-0.35-0.35-0.60-12nHO1.44NA2Stateofthe=193nm,k1=0.3,NA=0.93R60=1.36R40水除气处理流对镜头的冲击,都会影响光刻图形的质量,引入新缺陷。增加镜头保护 MinimumfeatureTechnologyNode(halfMPUPrintedGateWet193nmwithhigherWetWet193nmwithhigherWet193nm设备30~55一套光刻版~1头材料，或者使用所有的RET技术。在寻找不到最合适解决方法之前，193nm22nm节点的首选方法 非光 Sub-wavelengthDeepSub

WavelengthLine

365350

248180

193OPC180

130

90

65

45

32,22nmat<130

Processwindowonaverageforeach Ref：KLA

~100NGL（nextgenerationlithography离子 （IBL，Ion-BeamLithoX射 极紫外 （EUV，ExtremeUltraViolet适用于小批 /制造的纳米级“光刻性能分辨率性能分辨率PatternLarge&small产量初始价位Initial运行费Running钨丝热阴极或LaB6单晶电 1~会聚透镜聚电子消隐电

许 扫描（vectorscan），投 圆形、可变形&

能量，束斑直径 束流强度&驻留时间决定宽10nm超微细加工。传统光E-传统光E-需要掩直写，无需净度空气环真空环波长较波长100~衍射影响较大，最佳分辨率20~30nm衍射可忽略，分辨率（3~8平行，高速（大形存在邻近效存在邻近效应（线条宽>束斑 聚甲基丙烯酸甲 e模拟轨 e模拟轨