复旦大学微电子工艺 VLSI-04第四讲 光刻(上) (1)

集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
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MTF Imax Imin Imax Imin
一般要求MTF>0.5 与尺寸有关
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MTF与光的部分相干度S
S增加，越来越不相干
S=
光源直径s 聚光镜直径d
或
S=
NA聚光光路 NA投影光路
INSOL INSOL 酸
聚合物长链
PEB
（曝 光 后
）烘 烤
SOL SOL
酸
酸
SOL INSOL
酸
酸
要求对于环境和工艺参数控制严格，PEB 温度控制在几分之一度。
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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
a)对衬底表面粘附性好 b)抗刻蚀能力强 c)曝光时间短，产量高 d)工艺宽容度较高 （显影液稀释度、温度等） e)价格较低 （约正胶的三分之一）
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负胶的组成部分：
a) 基底：合成环化橡胶树脂
负胶显影液
(cyclized synthetic rubber risin)
传统DNQ胶的问题： 12、、对汞于灯在<i线DU波V长波的段光输强出烈光吸强收不如i线和g线，因此化灵学敏增度强不光够刻胶 3、量子效率提高有限（最大为1，一般0.3)
PAG (photo-acid generator)
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，酸分子起催化剂作用，使曝光区域光刻胶改性
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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。
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一般S＝0.5-0.7
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光刻胶
光刻胶的作用：对于入射光 子有化学变化，通过显影， 从而实现图形转移。
负胶
灵敏度：单位面积的胶曝光 所需的光能量：mJ/cm2
正胶
烃基高分子材料 正胶分辨率高于负胶
IC主导
抗蚀性：刻蚀和离子注入
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接触和接近式
Fresnel衍射理论适用 的间隔范围：
g
W2
g＝10 mm， ＝365 nm（i线）时，
Wmin2 mm
最小分辨尺寸
Wmin g
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投影式——远场衍 射（Fraunhofer）
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驻波对于光刻图形的影响
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本节课主要内容
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
掩模版制作
光刻机工作模式：
接触式，接近式，投 影式
R
k1
NA
DOF
k2
( NA)2
接触/接近式（近场衍射）:最小尺寸
✓套刻精度(alignment accuracy)
✓产率(throughput)
机械设计
✓……
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焦深
为轴上光线到极限聚焦位置的光程差。根据瑞利判据：
/ 4 cos
很小时， / 4 [1 (1 2 / 2)] 2 / 2
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
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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！
100%
S1
恰可分辨
73.6%
S2
S1 S2
不可分辨
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两个爱里斑之间的分辨率(瑞利判据):
理论计算人眼爱里斑~20mm 分辨率：100 mm
R＝1.22f
d
1.22f n(2 f sin )
0.61 n sin
数值孔径：收集衍射 光的能力。n为折射率
✓DQ不溶于显影液，光刻胶在显影液中的溶解速率为 1－2 nm/sec ✓光照后，DQ结构发生重新排列，成为溶于显影液的烃基酸 （TMAH四甲基氢氧化铵——典型显影液） 光照后，光刻胶在显影液中的溶解速度为100－200nm/s
c)溶剂 是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纤剂的混合物，用于调节光 刻胶的粘度。
总量子效率>>1，因此DUV胶的灵敏度有很大提高。 g线、i线光刻胶灵敏度为100 mJ/cm-2，DUV胶为20－40 mJ/cm-2
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DUV胶化学增强的基本原理
聚合物长链
曝光 聚合物长链
INSOL INSOL PAG
聚合物长链
对光照不敏感，但在有机溶剂如甲苯和二甲苯中溶解很快
b) 光敏材料 PAC： 双芳化基 (bis-arylazide) 当光照后，产生交联的三维分子网络，使光刻胶在显
影液中具有不溶性。
c)溶剂：芳香族化合物 (aromatic)
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DUV深紫外光刻胶
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三种硅片曝光模式及系统
接近式
投影式
1:1曝光系统
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扫描投影式光刻机原理图
1:1曝光系统
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步进投影式光刻机原理图 步进扫描光刻机
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对比度
1 ln( Df / D0 )
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。
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掩模版制作过程
12. Finished
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掩膜版的成品率Y: Y e ND0Ac
D0:单位面积缺陷数， Ac: 芯片面积， N: 掩膜版层数
INFO130024.01 接触式
10:1
5:1
1:1
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DSW－direct step on wafer
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曝光系统
接触式和接近 式——近场衍 射（Fresnel）
像平面靠近孔 径，二者之间 无镜头系统
×1掩膜版制作
接触式、接近式光刻
数字图形
×4或×5投影光 刻版
投影式光刻
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电子束直写
✓×4或×5投影光刻版在 制版时容易检查缺陷
✓版上缺陷可以修补
✓蒙膜(pellicle)保护防止颗 粒玷污
高透明度（散射小） 热膨胀小
光刻胶
10～15nmARC（antireflection coating） 80nmCr 熔融石英玻璃片
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汞灯436nm (g线)和365nm (i线)光刻胶的组成
（正胶－positive photoresist, DNQ）
a) 基底：树脂 是一种低分子量的酚醛树脂 (novolac, a polymer) 本身溶于显影液，溶解速率为15 nm/s。
b)光敏材料（PAC－photoactive compounds) 二氮醌 (diazoquinone, DQ)
前烘后膜上树脂 : PAC＝1:1
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负胶 (Negative Optical Photoresist)
当VLSI电路需分辨率达2 mm之前，基本上是采用负性光刻 胶。 负胶在显影时线条会变粗，使其分辨率不能达到很高。
但在分辨率要求不太高的情况，负胶也有其优点：
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光刻的作用和目的
图形的产生和布局
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光刻的要求
分辨率（高） 曝光视场（大） 图形对准精度（高）——1/3最小特征尺寸 产率（throughput）（大） 缺陷密度（低）
NA nsin
分辨率
R
k1
NA
k1=0.6-0.8
提高分辨率：
NA，，k1
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投影式
基本参数：
✓分辨率(resolution)
✓焦深(depth of focus) ✓视场(field of view)
光学系统决定
✓调制传递函数(MTF—modulation transfer function)
sin
d 2f
NA
焦深
DOF
k2
( NA)2
NA，焦深
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焦平面
焦深 光刻胶
IC技术中，焦深只有1mm，甚至更小
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调制传递函数MTF －－对比度
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净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂
净化级别 高效净化
杂质种类：颗粒、有机 物、金属、天然氧化层
本征吸杂和非本 征吸杂
强氧化
HF:DI H2O
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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
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仇志军
zjqiu@fudan.edu.cn
邯郸校区物理楼435室
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上节课主要内容
净化的必要性
器件：少子寿命，VT改变，Ion Ioff，栅击穿电压，可靠性 电路：产率，电路性能
像平面远离孔径， 在孔径和像之间设 置镜头
1.22f
d
爱里斑
中心极大半径＝1.22f
d
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瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：
分辨率
点物S1的爱里斑中心恰好与另一个点物S2的爱里斑
边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。
S1
S2
可分辨
35％的成 本来自于 光刻工艺
图形转移技术组成：
•掩膜版/电路设计 •掩膜版制作 •光刻
光源 曝光系统 光刻胶
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空间图像
潜在图像
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掩膜版制作
CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形
Wmin g
光刻胶：正胶/负胶 光刻胶的组成
i线/g线（PAC） DUV（PAG）
Байду номын сангаас