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1、1,集成电路工艺原理,仇志军 ftp:/10.12.241.99 (username & password: vlsi) 邯郸路校区物理楼435室 助教：沈臻魁 杨荣 邯郸路校区计算中心B204,2,净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂,上节课主要内容,The bottom line is chip yield. “Bad” die manufactured alongside “good” die. Increasing yield leads to better profitability in manufacturing chips.,3,4,光刻的作用和目的 图形的产生和布局,5
2、,35的成本来自于光刻工艺,光刻的要求,图形转移技术组成： 掩膜版/电路设计 掩膜版制作 光刻,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）,6,空间图像,潜在图像,7,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,数字图形,4或5投影光刻版（reticle）,投影式光刻,1掩膜版（mask）制作,接触式、接近式光刻,8,电子束直写,熔融石英玻璃片,80nmCr,1015nmARC（anti-reflection coating）,光刻胶,高透明度（散射小） 热膨胀小,4或5投影光刻版在 制版时容易检查缺
3、陷 版上缺陷可以修补 蒙膜(pellicle)保护防止颗粒玷污,9,10,三种硅片曝光模式及系统,接触式,接近式,投影式（步进）,4或5倍缩小曝光系统,1:1曝光系统,11,接触式光刻机原理图,12,接近式光刻机原理图,CD:25um,13,扫描投影式光刻机原理图,1:1曝光系统,CD1um,14,步进投影式光刻机原理图,投影掩模版称为“reticle”与mask之间有一定放大比例,步进扫描光刻机,15,DSWdirect step on wafer,16,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,曝光系统,17,接触和接近式,利用Fresnel衍射理论计算
4、的间隔范围：,最小分辨尺寸,g10 mm， 365 nm（i线）时， Wmin2 mm,18,投影式远场衍射（Fraunhofer） 像平面远离孔径，在孔径和像之间设置镜头,爱里斑,19,投影式,基本参数： 分辨率(resolution) 焦深(depth of focus) 视场(field of view) 调制传递函数(MTFmodulation transfer function) 套刻精度(alignment accuracy) 产率(throughput) ,20,瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：,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
5、分辨两物点。,分辨率,21,两个爱里斑之间的分辨率（瑞利判据）：,数值孔径：收集衍射光的能力。n为折射率,分辨率,k1=0.6-0.8,提高分辨率： NA，k1,22,光源,NGL: X射线(5)，电子束(0.62)，离子束(0.12 ),1、Using light source with shorter l,23,248 nm,157 nm,13.5 nm,193 nm,24,2、Reducing resolution factor k1,Phase Shift Mask,Pattern dependent k1 can be reduced by up to 40 %,Normal Mas
6、k,25,2、Reducing resolution factor k1,Contrast 436,365 nm: =2-3, (Qf/Q02.5) 248,193 nm: =5-10 (Qf/Q01.3),26,3、Increasing NA,State of the Art: l=193 nm, k1=0.3, NA=0.93 R60 nm =1.36 R40 nm,Numerical Aperture: NA=nsina,Immersion Lithography,27,为轴上光线到极限聚焦位置的光程差。根据瑞利判据：, 很小时，,焦深,NA，焦深 ,焦深,28,焦深,焦平面,光刻胶,I
7、C技术中，焦深只有1mm，甚至更小,作业3,29,调制传递函数MTF对比度,30,一般要求MTF0.5 与尺寸有关,31,MTF与光的部分相干度S,S=,光源直径s 聚光镜直径d,S增加，越来越不相干,一般S0.5-0.7,或,32,横坐标：归一化的空间频率，线条数/mm/截止频率,空间频率1/(2W), W是等宽光栅的线条宽度，2W即Pitch,按照瑞利判据归一化，即01/R NA/0.61 （截止频率）,33,例题：假定某种光刻胶可以MTF0.4分辨图形，如果曝光系统的NA0.35，436 nm（g-line），S0.5。则光刻分辨的最小尺寸为多少？如果采用i线光源呢？ 解：从图中可以知道
8、：S0.5 ，MTF0.4，对应于=0.520。 436 nm时，0NA/0.610.35/(0.610.436) 1.32/mm 即分辨率为每mm的0.686对（=0.520 ） 最小线条的分辨尺寸为0.73 mm或pitch1.46 mm 若365 nm（i-line），则分辨尺寸可减小为0.61 mm。 DOFg-line3.56 mm， DOFi-line2.98 mm（假定k21）,34,两类曝光系统的空间图像比较,35,光刻胶,光刻胶的作用：对于入射光子有化学变化，保持潜像至显影，从而实现图形转移，即空间图像潜像。 灵敏度：单位面积的胶曝光所需的光能量：mJ/cm2,负胶,烃基高分
9、子材料 正胶分辨率高于负胶,抗蚀性：刻蚀和离子注入,36,g线和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（PACphotoactive compounds) 二氮醌 (diazoquinone, DQ) DQ不溶于显影液，光刻胶在显影液中的溶解速率为 12 nm/sec 光照后，DQ可以自我稳定（Wolff重排列），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
10、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。,前烘后膜上树脂 : PAC1:1,37,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： 对衬底表面粘附性好 抗刻蚀能力强 曝光时间短，产量高 工艺宽容度较高 （显影液稀释度、温度等） 价格较低 （约正胶的三分之一）,38,负胶的组成部分： a) 基底：合成环化橡胶树脂 (cyclized synthetic rubber ris
11、in) 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),39,DUV深紫外光刻胶,传统DNQ胶的问题： 1、对于i线波长的光强烈吸收 2、汞灯在DUV波段输出光强不如i线和g线，因此灵敏度不够 3、量子效率提高有限（最大为1，一般0.3),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,40,DUV胶化学增强的基本原理,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。,PAG,INSOL,INSOL,聚合物长链,酸,INSOL,INSOL,聚合物长链,SOL,SOL,聚合物长链,酸,SOL,INSOL,聚合物长链,酸,酸,曝光,曝光后烘烤 （PEB）,酸,41,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,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）,光源：g线、i线，DUV，193DUV，VUV，EUV 汞灯、准分子激光、激光激发Xe等离子体,掩模版制作 光刻机工作模式： 接触式，接近式，扫描式，步进式，步进扫描式,