集成电路工艺原理-05 (1) PDF

INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 1/41 集成电路工艺原理 王霄/敖金平 [email protected] 集成电路学院A113室/物联网学院B501室 INFO130024.02...

INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 1/41 集成电路工艺原理 王霄/敖金平 [email protected] 集成电路学院A113室/物联网学院B501室 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 2/41 上节课主要内容 掩模版制作 光刻机工作模式： 基于衍射理论的光刻原理 接触式，接近式，投 接触/接近式（近场衍射）:最小尺寸 影式（扫描式，步进 式，步进扫描式） Wmin  g 投影式（远场衍射）：分辨率、 焦深、MTF、不相干度S R = k1  光刻胶：正胶/负胶 NA 光刻胶的组成 DOF =  =  k2  i线/g线（PAC） DUV（PAG） (NA)2 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 3/41 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 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 4/41 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 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 5/41 对比度: Df 即灵敏度 D0：开始光化学反应的曝光能量； Df ：所有光刻胶完全去除需要的最低曝 = 1 光量。 log 10 ( D f / D0 )  对比度越大，光刻后的线条边缘越陡。 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 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 6/34 调制传递函数MTF －－对比度 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 7/34 I max − I min MTF = I max + I min 一般要求MTF>0.5 与尺寸有关 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 8/41 局部曝光区域决定图形的陡直度 2、临界调制传递函数CMTF (critical modulation transfer f function)：胶分辨图形所需的 最小光学传递函数MTF。 D f − D0 101/  − 1 CMTF = = 1/  D f + D0 10 + 1 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。 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 9/41 光刻胶光敏度S 光刻胶抗蚀能力 完成所需图形的最小曝光量；  表征光刻胶耐酸碱（或等离 表征：S=n/E， 子体）腐蚀的程度。 E-曝光量（lx·s，勒克斯· 秒）； 湿法腐蚀：抗蚀能力较强； n-比例系数； 干法腐蚀：抗蚀能力较差。 光敏度S是光刻胶对光的敏  负胶抗蚀能力大于正胶； 感程度的表征； 负胶的S大于正胶  抗蚀性与分辨率的矛盾：分 辨率越高，抗蚀性越差； INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 10/41 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！ INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 11/41 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。 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 12/41 驻波对于光刻图形的影响 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 13/41 光刻步骤简述 前烘 硅片增粘 旋涂光刻胶 对准及曝光 显影 坚膜 曝光后烘 显影检查 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 14/41 光刻步骤详述  SiO2：亲水性；光刻胶：疏水性； 硅片增粘处理  预烘：去除Si片水汽，增强光 ✓高温烘培 刻胶与表面的黏附性；大约 ✓增粘剂处理 ：六甲基二硅胺烷 1000C； （HMDS）  打底膜：涂HMDS（六甲基乙硅 氮烷），去掉SiO2表面的-OH， 增强光刻胶与表面的黏附性。 涂胶：3000～6000 rpm，0.5~1 m INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 15/41  厚度与涂胶旋转速率成反比 涂胶：3000～6000 rpm，0.5~1 m  厚度与光刻胶粘性成正比  要求：粘附良好，均匀，薄厚适当 胶膜太薄－针孔多，抗蚀性差； 胶膜太厚－分辨率低（分辨率与膜厚 成反比）  涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂√ EBR: Edge bead removal边缘修复 匀胶机 旋转涂胶 Spin Coating 圆片放置在涂胶机的真空卡盘上高速旋转 液态光刻胶滴在圆片中心 光刻胶以离心力向外扩展 均匀涂覆在圆片表面 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 16/41 涂胶：3000～6000 rpm，0.5~1 m 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 热板 胶和钻蚀。  作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；增加胶膜与SiO2 （Al 膜等）的粘附性及耐磨性。  影响因素：温度，时间。 烘焙不足（温度太低或时间太短）－显影时易浮胶，图形易变形。 烘焙时间过长－增感剂挥发，导致曝光时间增长，甚至显不出图形。 烘焙温度过高－感光剂反应（胶膜硬化），不易溶于显影液，导致显 影不干净。 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 17/41 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 Previous 干法显影 pattern Alignment mark INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 18/41 硅片对准，曝光 曝光后烘烤（PEB）：10 min，100 C 光刻胶中的驻波效应  作用：平衡驻波效应，平滑光刻胶侧墙  目的：提高分辨率  烘焙温度：高于光刻胶玻璃化转变温度（Tg） 光刻胶分子发生热运动 过曝光和欠曝光的光刻胶分子发生重分布 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 19/41 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  作用：从掩膜版转移图形到光刻胶上  显影液：专用 溶解掉光刻胶中软化部分（曝光的正胶或未曝光的负胶） 正胶显影液：含水的碱性显影液，如KOH、TMAH (四甲基氢氧 化胺水溶液)，等。 负胶显影液：有机溶剂，如丙酮、甲苯等。  三个基本步骤：显影、漂洗、干燥 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 20/41 显影：30～60 s  影响显影效果的主要因素： ⅰ）曝光时间； 正常显影 不完全显影 ⅱ）前烘的温度与时间； ⅲ）胶膜的厚度； ⅳ）显影液的浓度； ⅴ）显影液的温度； 欠显影 过显影  显影时间适当 t太短：可能留下光刻胶薄层→阻挡腐蚀SiO2(金属） →氧化层“小岛”。 t太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶→图形边缘破坏。 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 21/41  蒸发PR中所有有机溶剂  提高刻蚀和注入的抵抗力 坚膜：1～30 min，  提高光刻胶和表面的黏附性 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 坚膜工艺：  坚膜温度：100 到1400C 烘箱、红外灯  坚膜时间：1 到30分钟  坚膜不足：光刻胶不能充分聚合，黏附性变差，刻蚀 坚膜控制 时易浮胶、钻蚀。  过坚膜：光刻胶流动造成分辨率变差，易翘曲和剥落  若T>300℃：光刻胶分解，失去抗蚀能力。 正常坚膜 过坚膜 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 22/41 检查发现问题：剥去光刻胶， 坚膜：1～30 min， 重新开始 100～140 C 光刻胶图形是暂时的 刻蚀和离子注入图形是永久的 显影检查：缺陷、玷 光刻工艺是可以返工的，刻蚀 污、关键尺寸、对准 和注入以后就不能再返工 精度等，不合格则去 检测手段：SEM（扫描电子显 胶返工。 微镜）、光学显微镜 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 23/41 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 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 24/41 图形转移——刻蚀 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 25/41 图形转移——剥离（lift-off） INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 26/41 去胶 溶剂去胶 （strip）：Piranha (H2SO4:H2O2)。 正胶：丙酮 氧化去胶 450 C O2+胶→CO2+H2O 干法去胶（Ash) 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。 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 27/41  R = k1 提高分辨率的方法 光源 NA 1、Using light source with shorter  光源 波长(nm) 术语 技术节点 汞灯 436 g线 >0.5m 汞灯 365 i线 0.5/0.35m KrF(激光) 248 DUV 0.25/0.13m ArF (激光) 193 193DUV 90/65/32…14nm F2 (激光) 157 VUV CaF2 lenses 激光激发Xe 13.5 EUV Reflective 等离子体 mirrors NGL: X射线(5Å)，电子束(0.62Å)，离子束(0.12 Å) INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 28/41 248 nm 193 nm 157 nm 13.5 nm INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 29/41 2、Reducing 1.相移掩模技术 PSM (phase shift mask) Normal Mask Phase Shift Mask resolution factor k1  R = k1 NA I = EE * 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 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 30/41 d = 0.5 /( n − 1) 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 i ~ e2 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 31/41 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 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 32/41 OPC实例 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 33/41 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 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 34/41 OAI的原理 R = k1  例如：当1＝NA（1＋S）时， NA(1 + S ) + 1 R可以提高1倍！ INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 35/41 ✓实现与传统照明方式相同的分辨率，可以用较小NA，所以 R==k1k1 焦深可以增加 R  DOF =  =  k 2  NANA(1 + S ) + 1 (NA) 2 ✓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。 实现方式：环形照明 四极照明 两极照明 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 36/41  R = k1 4、光刻胶对比度改进 Resist chemistry 436,365 nm: Photo-Active-Component (PAC) NA 248,193 nm: Photo-Acid-Generator (PAG) Mask design and resist process  [nm] k1 436 0.8 365 0.6 248 0.3-0.4 193 0.3-0.4 Contrast 436,365 nm: =2-3, (Qf/Q02.5) 248,193 nm: =5-10 (Qf/Q01.3) INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 37/41 5、增加数值孔径 Lens fabrication Immersion Lithography  [nm] NA Numerical 436 0.15-0.45 Aperture: 365 0.35-0.60 n  H2O NA=nsin 248 0.35-0.82 193 0.60-0.93  R = k1 nH 2O = 1.44  NA  1.36 NA State of the Art: =193 nm, k1=0.3, NA=0.93  R60 nm =1.36  R40 nm INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 38/41 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 39/41 45, 32, 22, 14, 11 nm Technology nodes 全氟聚烷基醚油 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 40/41 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 41/41 Minimum feature size Production 2003 2005 2007 2009 2011 2017 Technology Node 90 nm 65 nm 45 nm 32 nm 22 nm 11 nm Half pitch [nm] 110 105 ~80 ~ 55 ~39 ~20 LG [nm] 60 42 ~30 ~21 ~16 ~11 =193 nm =193 nm immersion pitch 193 nm immersion with higher n? LG P. Bai, et. al., IEDM2005 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 42/41 EUV（Extreme ultra violet) INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 43/41 反射式掩模版 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 44/41 NGL（next generation lithography — PMMA光刻胶 E-Beam 直写） 制作掩模版 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 45/41 电子束光刻问题：1）速度慢！ INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 46/41 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 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 47/41 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 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 48/41 其它可能的下一代光刻技术 ✓纳米压印（Nanoimprint） 无 ✓基于材料和工艺革新的“侧墙转移”技 光 术（Sidewall/Spacer transfer lithography） 源 ✓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） INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 49/45 适用于小批量制备/制造的纳米级“光刻” 电子束曝光，EBL：Electron-Beam Litho 纳米压印， NIL：Nano-Imprint Litho “侧墙转移”，STL：Sidewall-Transfer Litho INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 50/41 50/45 EBL的特征和优点 +直写、灵活 +任意形状 + < 0.1 nm +束斑直径/宽 ~1 nm INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 51/41 51/45 EBL的分辨率 高能：100 keV 高对比度的光刻胶 薄光刻胶 – 用叠层光刻胶 – 用“硬胶”Hard mask Thin resist Hard Mask Thick resist Wafer Wafer INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 52/41 52/45 EBL分辨率的提高 使用不同光刻胶的对比 相等亮/暗线宽的分辨率 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 53/41 53/45 NIL工艺流程和特征 压印及UV光辐照 Step and flash 分辨率 ~10 nm 任意图形 石英母版复制实用版方法 套刻精度 ~1 µm，有声称到 100 nm的 50 nm pillars after 500 imprints C.R.K. Marrian and D.M. Tennant, JVST, 2003 with the same master INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 54/45 NIL在大尺寸硅片上应用实例 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 55/45 NIL在多栅纳米晶体管FinFET中应用实例 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 56/45 NIL制作的互连双大马士革 结构。减少制作步骤。 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第四章 第四章 光刻原理（下） 光刻原理 (下) 57/41 光刻总结 短波长光源 理论分辨率：R = k1  大NA：透镜系统、浸润 NA 小k1：RET及工艺和光刻胶改进 PSM 焦深: DOF =  =  k2  OPC OAI (NA)2 实际分辨率：光刻胶、曝光系统、光源