集成电路工艺原理

INFO130024.02 集成电路工艺原理第四章光刻原理 ( 下 ) 1/41

集成电路工艺原理

仇志军

[email protected]邯郸校区物理楼 435 室


上节课主要内容

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 S

NAkR

1

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（扫描式，步进式，步进扫描式）

22 )(NAkDOF


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


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×sec


对比度 :

)/(log1

010 DD f

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


空间图像与光刻胶对比度结合，直接决定潜像的质量CMTFMTF ，胶才能分辨空间图形g 线和 i 线胶 CMTF0.4 ，DUV 胶为 0.1 ～ 0.2 。

110110

/1

/1

0

0

DD

DDCMTF

f

f

作业

2 、临界调制传递函数 CMTF (critical modulation transfer function) ：胶分辨图形所需的最小光学传递函数 MTF 。

局部曝光区域决定图形的陡直度

f


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！


2 、下层反射造成驻波，下层散射降低图像分辨率。

DUV 胶— >ARC

g 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。


驻波对于光刻图形的影响


光刻步骤简述

前烘

对准及曝光

坚膜曝光后烘


光刻步骤详述

硅片增粘处理高温烘培增粘剂处理：六甲基二硅胺烷（ HMDS ）

匀胶机

涂胶： 3000 ～ 6000 rpm ， 0.5~1 m

前烘： 10 ～ 30 min ， 90 ～ 100 C

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。


硅片对准，曝光每个视场对准曝光强度 150 mJ/cm2

曝光后烘烤（ PEB ）： 10 min ， 100 C

显影： 30 ～ 60 s 浸泡显影或

喷雾显影干法显影

Alignment mark

Previous pattern


坚膜： 10 ～ 30 min ，100 ～ 140 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、玷污、关键尺寸、对准精度等，不合格则去胶返工。


Stepper & Scan System

Canon FPA-4000ES1: 248 nm, 8”wafer×80/hr, field view: 25 mm×33 mm, alignment: 70 nm, NA: 0.63, OAI

透镜成本下降、性能提升视场大尺寸控制更好变形小


图形转移——刻蚀


图形转移——剥离（ lift-off ）


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 O －＋ O ＋

O ＋活性基与胶反应 CO2 ， CO ， H2O 。

干法去胶（ Ash)


光源

NGL: X 射线 (5Å) ，电子束 (0.62Å) ，离子束 (0.12 Å)

光源波长 (nm) 术语技术节点

汞灯 436 g 线 >0.5m

汞灯 365 i 线 0.5/0.35m

KrF( 激光 ) 248 DUV 0.25/0.13m

ArF ( 激光 ) 193 193DUV 90/65…32nm

F2 ( 激光 ) 157 VUV CaF2 lenses

激光激发 Xe等离子体

13.5 EUV Reflective mirrors

NAkR

1

1 、 Using light source with shorter

提高分辨率的方法


248 nm

157 nm 13.5 nm

193 nm


2 、 Reducing resolution

factor k1

Phase Shift Mask

Pattern dependent• k1 can be reduced by up to 40 %

NAkR

1

Normal Mask

*EEI

1. 相移掩模技术 PSM (phase shift mask)

附加材料造成光学路迳差异，达到反相


Alternating PSMAttenuated PSM……

相移技术提高图形分辨率

选择性腐蚀石英基板造成光学路迳差异，达到反相

i ~ e2

)1/(5.0 nd


2. 光学光刻分辨率增强技术 (RET)

光学临近修正 OPC (optical proximity correction)

在光刻版上进行图形修正，来补偿衍射带来的光刻图形变形


OPC 实例


3 、离轴照明技术 OAI (off-axis illumination)

可以减小对分辨率的限制、增加成像的焦深且提高了MTF


OAI 的原理

11 )1(

SNA

kR 例如：当 1＝ NA （ 1＋ S ）时， R 可以提高 1倍！


实现方式：环形照明四极照明两极照明

实现与传统照明方式相同的分辨率，可以用较小 NA ，所以焦深可以增加

在投影曝光系统中，掩模图形的空间像的对比度（ MTF ）依赖于投影物镜中参与成像的 1级以上衍射光的比例。由于收集了较多高频信号，离轴照明技术通过降低成像光束中的低频成分来提高高频成分在总光强中的比例，从而提高了空间像的对比度。

NAkR

1 22)(NA

kDOF 1

1 )1(

SNAkR


Mask design and resist process

[nm] k1

436 0.8

365 0.6

248 0.3-0.4

193 0.3-0.4

NAkR

1Resist chemistry

436,365 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


Lens fabrication

[nm] NA

436 0.15-0.45

365 0.35-0.60

248 0.35-0.82

193 0.60-0.93

NAkR

1

State of the Art: =193 nm, k1=0.3, NA=0.93 R60 nm

=1.36 R40 nm

Numerical Aperture: NA=nsin

Immersion Lithography

36.144.12

NAn OH

nH2O

5 、增加数值孔径



45, 32, 22 nmTechnology nodes

全氟聚烷基醚油



EUV


Minimum feature size Production 2003 2005 2007 2009 2011

Technology Node

90 nm 65 nm 45 nm 32 nm 22 nm

Half pitch [nm] 110 105 ~80 ~ 55 ~39

LG [nm] 60 42 ~30 ~21 ~16

193 nm 193 nmimmersion

•193 nm immersionwith higher n?

pitch

LG

P. Bai, et. al., IEDM2005


EUV （ Extreme ultra violet)


反射式掩模版


NGL （ next generation lithography — E-Beam 直写）

PMMA 光刻胶制作掩模版


电子束光刻问题： 1 ）速度慢！


电子束光刻问题： 2 ）电子散射及二次电子：线条宽 >束斑

真空下工作焦深大直写，无掩膜版


电子束源：热电子发射场发射光发射

电子束发射后 , 被准直或聚焦，然后加速到 20 kV束斑直径 ≈ 100 Å 和离子注入类似


其它可能的下一代光刻技术

纳米压印（ Nanoimprint ）基于材料和工艺革新的“侧墙转移”技术（ Sidewall/Spacer transfer lithograph

y ）X 射线光刻技术（ XRL ）离子束光刻技术（ IBL ）无掩模光刻——电子束（ Shaped

Beam / Multi-Column / Multi-Beams ）

无光源


光刻总结

理论分辨率：NA

kR 1

短波长光源大 NA ：透镜系统、浸润小 k1 ： RET 及工艺和光刻胶改进

实际分辨率：光刻胶、曝光系统、光源

PSMOPCOAI焦深 : 22 )(NA

kDOF

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