1、INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )1集成電路工藝原理 仇志軍邯鄲校區物理樓435室INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )2上節課主要內容上節課主要內容基于衍射理論的光刻原理基于衍射理論的光刻原理投影式（遠場衍射）：分辨率、投影式（遠場衍射）：分辨率、焦深、焦深、MTF、不相干度、不相干度SNAkR1gWmin接觸接觸/接近式（近場衍射）接近式（近場衍射）:最小尺寸最小尺寸光刻膠：正膠光刻膠：正膠/負膠負膠光刻膠的組成光刻膠的組成i線線/g線（線（PAC）DUV（PAG）掩模版制作掩模版制

2、作光刻機工作模式：光刻機工作模式：接觸式，接近式，投接觸式，接近式，投影式（掃描式，步進影式（掃描式，步進式，步進掃描式）式，步進掃描式）22)(NAkDOF INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )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 未來趨勢與挑戰未

3、來趨勢與挑戰INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )4光刻步驟簡述光刻步驟簡述前烘前烘對準及曝光對準及曝光堅膜堅膜曝光后烘曝光后烘INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )5光刻步驟詳述光刻步驟詳述硅片硅片增粘處理高溫烘培增粘劑處理 ：六甲基二硅胺烷（HDMS）勻膠機勻膠機涂膠：涂膠：30006000 rpm，0.51 m mm前烘：前烘：1030 min，90100 C熱板熱板去除光刻膠中的溶劑，改善膠與襯底的粘附性，增加抗蝕性，防止顯影時浮膠和鉆蝕。INFO130024.01集成電路工藝原理第

4、四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )6硅片對準，曝光硅片對準，曝光每個視場對準每個視場對準曝光強度曝光強度150 mJ/cm2曝光后烘烤（曝光后烘烤（PEB）：）：10 min，100 C顯影：顯影：3060 s浸泡顯影或浸泡顯影或噴霧顯影噴霧顯影干法顯影干法顯影Alignment markPrevious patternINFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )7堅膜：堅膜：1030 min，100140 C去除殘余溶劑、顯影時膠膜所吸收的顯影液和殘留水分，改善光刻膠的粘附性和抗蝕能力顯影檢查：缺陷、玷顯影檢查：缺陷、玷污、關鍵尺寸、

5、對準污、關鍵尺寸、對準精度等，不合格則去精度等，不合格則去膠返工。膠返工。INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 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透鏡成本下降、透鏡成本下降、性能提升性能提升視場大視場大尺寸控制更好尺寸控制更好變形小變形小INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )9圖形轉移圖形轉移

6、刻蝕刻蝕INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )10圖形轉移圖形轉移剝離（剝離（lift-off）INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )11去膠去膠溶劑去膠 （strip）：Piranha (H2SO4:H2O2)。正膠：丙酮氧化去膠 450 C O2+膠CO2+H2O等離子去膠（Oxygen plasma ashing） 高頻電場 O2電離OO O活性基與膠反應 CO2， CO ，H2O。干法去膠（干法去膠（Ash)INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 (

7、 (下下) )12光源光源NGL: X射線(5)，電子束(0.62)，離子束(0.12 )光源波長(nm)術語技術節點汞燈436g線0.5mm汞燈365i線0.5/0.35mmKrF(激光)248DUV0.25/0.13mmArF (激光)193193DUV90/6532nmF2 (激光)157VUVCaF2 lenses激光激發Xe等離子體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集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )132

8、48 nm157 nm13.5 nm193 nmINFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 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.相移掩模技術相移掩模技術 PSM (phase shift mask)附加材料造成光學附加材料造成光學路逕差異，達到反路逕差異，達到反相相INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (

9、下下) )15Alternating PSMAttenuated PSM相移技術提高相移技術提高圖形分辨率圖形分辨率選擇性腐蝕石英基板造成光學選擇性腐蝕石英基板造成光學路逕差異，達到反相路逕差異，達到反相i e2) 1/(5 . 0ndINFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )162.光學光刻分辨率增強技術光學光刻分辨率增強技術(RET) 光學臨近修正光學臨近修正OPC (optical proximity correction)在光刻版上進行圖形在光刻版上進行圖形修正，來補償衍射帶修正，來補償衍射帶來的光刻圖形變形來的光刻圖形變形INFO130

10、024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )17OPC實例實例INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )183、離軸照明技術、離軸照明技術 OAI (off-axis illumination) 可以減小對分辨率的限制、增加成像的焦深且可以減小對分辨率的限制、增加成像的焦深且提高了提高了MTFINFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 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、光刻膠對比度改進、光刻膠對比度改進INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 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、增加數值孔徑、增加數值孔徑INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )21INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )22INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )23EUVI

13、NFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 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集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光

14、刻原理理 ( (下下) )25EUV（Extreme ultra violet)INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 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集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )27NGL（next generation lithography E-Beam 直寫）直寫）PMMA光刻膠光刻膠制作掩模版制作掩模版INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )28電子束光刻問題：電子束光刻問題：1）速度慢！）速度慢！INFO130024.01集成

15、電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )29電子束光刻問題：電子束光刻問題：2）電子散射及二次電子：線條寬）電子散射及二次電子：線條寬束斑束斑真空下工作真空下工作焦深大焦深大直寫，無掩膜版直寫，無掩膜版INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )30電子束源：電子束源：熱電子發射熱電子發射場發射場發射光發射光發射電子束發射后, 被準直或聚焦，然后加速到 20 kV束斑直徑 100 和離子注入類似INFO130024.01集成電路工藝原理第四章第四章 光刻原光刻原理理 ( (下下) )31其它可能的下一代光刻技術其它可能的下一代光刻技術納米壓印（納米壓印（Nanoimprint）基于材料和工藝革新的基于材料和工藝革新的“側墻轉移側墻轉移”技技術（術（Sidewall/Spacer transfer lithography）X射線光刻技術（射線光刻技術（XRL）離子束光刻技術（離子束光刻技術（IBL）無掩模光刻無掩