VLSI-04第八章 光刻(上)方案研究.ppt

INFO130024.01 集成电路工艺原理 第八章 光刻原理 (上) 集成电路工艺原理 仇志军 zjqiu@fudan.edu.cn 邯郸校区物理楼435室 大纲 概述 第一章 晶体生长 第二章 硅氧化 第三章 扩散 第四章 离子注入 第五章 扩散淀积 第六章 外延 第八章 光刻 第九章 金属化 第十章 工艺集成 光刻的作用和目的 图形的产生和布局 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 光源 曝光系统 光刻胶 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） 空间图像 潜在图像 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 投影式光刻 ×1掩膜版制作 接触式、接近式光刻 电子束直写 熔融石英玻璃片 80nmCr 10～15nmARC（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 制版时容易检查缺陷 版上缺陷可以修补 蒙膜(pellicle)保护防止颗粒玷污 掩模版制作过程 12. Finished 三种硅片曝光模式及系统 接触式 接近式 投影式 1:1曝光系统 扫描投影式光刻机原理图 1:1曝光系统 步进投影式光刻机原理图 10:1 5:1 1:1 步进扫描光刻机 DSW－direct step on wafer 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 接触和接近式 Fresnel衍射理论适用的间隔范围： 最小分辨尺寸 g＝10 mm， ?＝365 nm（i线）时， Wmin?2 mm 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 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，恰可分辨两物点。 S1 S2 S1 S2 S1 S2 可分辨 不可分辨 恰可分辨 100% 73.6% 分辨率 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? 理论计算人眼爱里斑~20?m 分辨率：100 ?m ?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 焦深 焦平面 光刻胶 IC技术中，焦深只有1mm，甚至更小 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。 灵敏度：单位面积的胶曝光所需的光能量：mJ/cm2 负胶 烃基高分子材料 正胶分辨率高于负胶 抗蚀性：刻蚀和离子注入 正胶 IC主导 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) 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。 前烘后膜上树脂 : PAC＝1:1 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） 负胶的组成部分： a) 基底：合成环化橡胶树脂 (cyclized synthetic rubber risin) 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