集成電路工藝原理

仇志軍zjqiu@邯鄲校區物理樓435室1上節課主要內容基于衍射理論的光刻原理投影式（遠場衍射）：分辨率、焦深、MTF、不相干度S接觸/接近式（近場衍射）:最小尺寸光刻膠：正膠/負膠光刻膠的組成i線/g線（PAC）DUV（PAG）掩模版制作光刻機工作模式：接觸式，接近式，投影式（掃描式，步進式，步進掃描式）2大綱第一章前言第二章晶體生長第三章實驗室凈化及硅片清洗第四章光刻第五章熱氧化第六章熱擴散第七章離子注入第八章薄膜淀積第九章刻蝕第十章后端工藝與集成第十一章未來趨勢與挑戰3光刻膠的表征參數：1、對比度：膠區分亮區和暗區的能力mJ/cm2=mW/cm2×sec4對比度:Df即靈敏度注意：g線和i線膠那樣是靠光子一個一個曝光的，DUV膠不是。DUV膠一旦反應開始，則會在催化作用下，使反應進行到底。所以DUV膠從未曝光狀態到完全曝光狀態的轉變更為陡峭，即對比度更大。一般，g線和i線膠的對比度在2～3，而DUV膠的對比度為5～10。依賴于工藝參數，如：顯影液、前烘時間、曝光后及堅膜的溫度，光源波長和硅片的表面形貌等5空間圖像與光刻膠對比度結合，直接決定潛像的質量CMTFMTF，膠才能分辨空間圖形g線和i線膠CMTF0.4，DUV膠為0.1～0.2。作業2、臨界調制傳遞函數CMTF(criticalmodulationtransferfunction)：膠分辨圖形所需的最小光學傳遞函數MTF。局部曝光區域決定圖形的陡直度f6光刻膠的一些問題1、由于硅片表面高低起伏，可能造成曝光不足或過曝光。線條寬度改變！72、下層反射造成駐波，下層散射降低圖像分辨率。DUV膠—>ARCg線和i線膠—>使用添加劑，吸光并降低反射，曝光后顯影前的烘烤也有利于緩解其駐波現象。8駐波對于光刻圖形的影響9光刻步驟簡述前烘對準及曝光堅膜曝光后烘10光刻步驟詳述硅片增粘處理高溫烘培增粘劑處理：六甲基二硅胺烷（HMDS）勻膠機涂膠：3000～6000rpm，0.5~1mm前烘：10～30min，90～100C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。11硅片對準，曝光每個視場對準曝光強度150mJ/cm2曝光后烘烤（PEB）：10min，100C顯影：30～60s浸泡顯影或噴霧顯影干法顯影AlignmentmarkPreviouspattern12堅膜：10～30min，100～140C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、玷污、關鍵尺寸、對準精度等，不合格則去膠返工。13Stepper&ScanSystemCanonFPA-4000ES1:248nm,8”wafer×80/hr,fieldview:25mm×33mm,alignment:70nm,NA:0.63,OAI透鏡成本下降、性能提升視場大尺寸控制更好變形小14圖形轉移——刻蝕15圖形轉移——剝離（lift-off）16去膠溶劑去膠（strip）：Piranha(H2SO4:H2O2)。正膠：丙酮氧化去膠450CO2+膠CO2+H2O等離子去膠（Oxygenplasmaashing）高頻電場O2電離O－＋O＋O＋活性基與膠反應CO2，CO，H2O。干法去膠（Ash)17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)193193DUV90/65…32nmF2(激光)157VUVCaF2lenses激光激發Xe等離子體13.5EUVReflectivemirrors1、Usinglightsourcewithshorterl提高分辨率的方法18248nm157nm13.5nm193nm192、Reducingresolutionfactork1PhaseShiftMaskPatterndependent

k1canbereducedbyupto40%NormalMask1.相移掩模技術PSM(phaseshiftmask)附加材料造成光學路逕差異，達到反相20AlternatingPSMAttenuatedPSM……相移技術提高圖形分辨率選擇性腐蝕石英基板造成光學路逕差異，達到反相i~e2212.光學光刻分辨率增強技術(RET)

光學臨近修正OPC(opticalproximitycorrection)在光刻版上進行圖形修正，來補償衍射帶來的光刻圖形變形22OPC實例233、離軸照明技術OAI(off-axisillumination)可以減小對分辨率的限制、增加成像的焦深且提高了MTF24OAI的原理例如：當1＝NA（1＋S）時，R可以提高1倍！25實現方式：環形照明四極照明兩極照明實現與傳統照明方式相同的分辨率，可以用較小NA，所以焦深可以增加在投影曝光系統中，掩模圖形的空間像的對比度（MTF）依賴于投影物鏡中參與成像的1級以上衍射光的比例。由于收集了較多高頻信號，離軸照明技術通過降低成像光束中的低頻成分來提高高頻成分在總光強中的比例，從而提高了空間像的對比度。26Maskdesignandresistprocessl

[nm]k14360.83650.62480.3-0.41930.3-0.4Resistchemistry436,365nm:Photo-Active-Component(PAC)248,193nm:Photo-Acid-Generator(PAG)Contrast436,365nm:=2-3,(Qf/Q02.5)248,193nm:=5-10(Qf/Q01.3)4、光刻膠對比度改進27Lensfabricationl

[nm]NA4360.15-0.453650.35-0.602480.35-0.821930.60-0.93StateoftheArt:l=193nm,k1=0.3,NA=0.93R60nm=1.36R40nmNumericalAperture:NA=nsinaImmersionLithographyanH2O5、增加數值孔徑282945,32,22nmTechnologynodes全氟聚烷基醚油3031EUV32MinimumfeaturesizeProduction20032005200720092011TechnologyNode90nm65nm45nm32nm22nmHalfpitch[nm]110105~80~55~39LG[nm]6042~30~21~16

l=193nm

l=193nmimmersion193nmimmersionwithhighern?pitchLGP.Bai,et.al.,IEDM200533EUV（Extremeultraviolet)34反射式掩模版35NGL（nextgenerationlithography—E-Beam直寫）PMMA光刻膠制作掩模版36電子束光刻問題：1）速度慢！37電子束光刻問題：2）電子散射及二次電子：線條寬>束斑真空下工作焦深大直寫，無掩膜版38電子束源：熱電子發射場發射光發射電子束發射后,被準直或聚焦，然后加速到

20kV束斑直徑

≈100?和離子注入類似39其它可能的下一代光刻技術納米壓?。∟anoimprint）基于材料和工藝革新的“側墻轉移”技術（Sidewall/Spacer