集成电路 工艺 原理

1. 仇志军 zjqiu@fudan.edu.cn 邯郸校区物理楼435室 集成电路工艺原理

2. 上节课主要内容 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） 基于衍射理论的光刻原理 接触/接近式（近场衍射）:最小尺寸 投影式（远场衍射）：分辨率、焦深、MTF、不相干度S 光刻胶：正胶/负胶 光刻胶的组成 i线/g线（PAC） DUV（PAG）

3. 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

4. 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

5. 对比度: 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

6. 局部曝光区域决定图形的陡直度 f 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。 作业 空间图像与光刻胶对比度结合，直接决定潜像的质量 • CMTFMTF，胶才能分辨空间图形 • g线和i线胶CMTF0.4，DUV胶为0.1～0.2。

7. 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！

8. 2、下层反射造成驻波，下层散射降低图像分辨率。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。

9. 驻波对于光刻图形的影响

10. 前烘 对准及曝光 坚膜 曝光后烘 光刻步骤简述

11. 光刻步骤详述 匀胶机 • 硅片增粘处理 • 高温烘培 • 增粘剂处理 ：六甲基二硅胺烷（HMDS） 涂胶：3000～6000 rpm，0.5~1 mm 热板 前烘：10～30 min，90～100 C 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。

12. Previous pattern Alignment mark 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

13. 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。

14. Stepper & Scan System 透镜成本下降、性能提升 视场大 尺寸控制更好 变形小 Canon FPA-4000ES1: 248 nm, 8”wafer×80/hr, field view: 25 mm×33 mm, alignment: 70 nm, NA: 0.63, OAI

15. 图形转移——刻蚀

16. 图形转移——剥离（lift-off）

17. 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) 去胶 溶剂去胶 （strip）：Piranha (H2SO4:H2O2)。 正胶：丙酮

18. 提高分辨率的方法 光源 1、Using light source with shorter l NGL: X射线(5Å)，电子束(0.62Å)，离子束(0.12 Å)

19. 248 nm 193 nm 157 nm 13.5 nm

20. 2、Reducing resolution factor k1 1.相移掩模技术 PSM (phase shift mask) Phase Shift Mask Normal Mask 附加材料造成光学 路迳差异，达到反相 • Pattern dependent • k1 can be reduced by up to 40 %

21. i ~ e2 选择性腐蚀石英基板造成光学 路迳差异，达到反相 Alternating PSM Attenuated PSM …… 相移技术提高图形分辨率

22. 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

23. OPC实例

24. 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

25. OAI的原理 例如：当1＝NA（1＋S）时，R可以提高1倍！

26. 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。

27. Resist chemistry 436,365 nm: Photo-Active-Component (PAC) 248,193 nm: Photo-Acid-Generator (PAG) 4、光刻胶对比度改进 Contrast 436,365 nm: =2-3, (Qf/Q02.5) 248,193 nm: =5-10 (Qf/Q01.3)

28. H2O n a 5、增加数值孔径 Immersion Lithography Numerical Aperture: NA=nsina State of the Art: l=193 nm, k1=0.3, NA=0.93  R60 nm =1.36  R40 nm

30. 45, 32, 22 nm Technology nodes

32. EUV

33. pitch • 193 nm immersion • with higher n? LG P. Bai, et. al., IEDM2005 Minimum feature size l=193 nm l=193 nm immersion

34. EUV（Extreme ultra violet)

35. 反射式掩模版

36. PMMA光刻胶 制作掩模版 NGL（next generation lithography — E-Beam 直写）

37. 电子束光刻问题：1）速度慢！

38. 电子束光刻问题：2）电子散射及二次电子：线条宽>束斑电子束光刻问题：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

39. 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

40. 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 lithography） • 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

41. 光刻总结 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 理论分辨率： PSM OPC OAI 焦深: 实际分辨率：光刻胶、曝光系统、光源