集成电路工艺原理教案课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,集成电路工艺原理,2,第一讲 前言,第二讲 实验室净化及硅片清洗,第三讲 光刻原理,1,第四讲 光刻原理,2,第五讲 热氧化,原理,1,第六讲 热氧化原理,2,第七讲 扩散原理,1,第八讲 扩散原理,2,第九讲 离子注入原理,1,第十讲 离子注入原,理,2,第十一讲 薄膜淀积原,理,1,第十二讲 薄膜淀积原,理,2,第十三讲 薄膜淀积原,理,3,第十四讲 刻蚀原理,第十五讲 接触和互连,第十六讲 工艺集成,第十七讲 前瞻性工艺研究,第1页/共40页,3,光刻的作用和目的,图形的产生和布局,第2页/共40页,4,35,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,）,第3页/共40页,5,空间图像,潜,在图,像,第4页/共40页,6,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,第5页/共40页,7,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,第6页/共40页,8,掩模版制作过程,12. Finished,第7页/共40页,9,三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,第8页/共40页,10,接触式光刻机原理图,第9页/共40页,11,接近式光刻机原理图,CD:25um,第10页/共40页,12,扫描投影式光刻机原理图,1:1,曝光系统,CD1um,第11页/共40页,13,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,10:1,5:1,1:1,步进扫描光刻机,第12页/共40页,14,DSW,direct step on wafer,第13页/共40页,15,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,第14页/共40页,16,接触和接近式,利用,Fresnel,衍射理论计算的间隔范围：,最小分辨尺寸,g,10,m,m,，,365 nm,（,i,线）时，,W,min,2,m,m,第15页/共40页,17,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,第16页/共40页,18,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),光学系统决定,机械设计,第17页/共40页,19,瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：,点物,S,1,的爱里斑中心恰好与另一个点物,S,2,的爱里斑,边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。,S,1,S,2,S,1,S,2,S,1,S,2,可分辨,不可分辨,恰可分辨,100%,73.6%,分辨率,第18页/共40页,20,两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,k,1,=0.6-0.8,提高分辨率：,NA,，,，,k,1,f,第19页/共40页,21,光源,NGL: X,射线,(5),，,电子束,(0.62),，,离子束,(0.12 ),光源,波长,(,nm),术语,技术节点,汞灯,436,g,线,0.5,m,m,汞灯,365,i,线,0.5/0.35,m,m,KrF(,激光,),248,DUV,0.25/0.13,m,m,ArF (,激光,),193,193DUV,90/6532nm,F,2,(,激光,),157,VUV,CaF,2,lenses,激光激发,Xe,等离子体,13.5,EUV,Reflective mirrors,1,、,Using light source with shorter,l,第20页/共40页,22,248 nm,157 nm,13.5 nm,193 nm,第21页/共40页,23,2,、,Reducing resolution factor,k,1,Phase Shift Mask,Pattern dependent,k,1,can be reduced by up to 40 %,Normal Mask,第22页/共40页,24,2,、,Reducing resolution factor,k,1,Mask design and resist process,l,nm,k,1,436,0.8,365,0.6,248,0.3-0.4,193,0.3-0.4,Resist chemistry,436,365 nm: Photo-Active-Component (PAC),248,193 nm: Photo-Acid-Generator (PAG),Contrast,436,365 nm:,=2-3, (Q,f,/Q,0,2.5),248,193 nm:,=5-10 (Q,f,/Q,0,1.3),第23页/共40页,25,3,、,Increasing,NA,Lens fabrication,l,nm,NA,436,0.15-0.45,365,0.35-0.60,248,0.35-0.82,193,0.60-0.93,State of the Art:,l,=193 nm,k,1,=0.3,NA,=0.93,R,60 nm,=1.36,R,40 nm,Numerical Aperture:,NA,=,n,sin,a,Immersion Lithography,a,n,H,2,O,第24页/共40页,26,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,第25页/共40页,27,焦深,焦平面,光刻胶,IC,技术中，焦深只有,1,m,m,，甚至更小,作业,3,第26页/共40页,28,调制传递函数,MTF,对比度,第27页/共40页,29,一般要求,MTF0.5,与尺寸有关,第28页/共40页,30,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,S,0.5-0.7,或,S=,NA,聚光光路,NA,投影光路,第29页/共40页,31,横坐标：归一化的空间频率，线条数,/,m,m/,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,0,1/,R,NA,/0.61,（截止频率）,2W,特征尺寸大,特征尺寸小,第30页/共40页,32,例题：假定某种光刻胶可以,MTF,0.4,分辨图形，如果曝光系统的,NA,0.35,，,436 nm,（,g-line,），,S,0.5,。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：,S,0.5,，,MTF,0.4,，对应于,=0.52,0,。,436 nm,时，,0,NA,/0.61,0.35/(0.61,0.436),1.32/,m,m,即分辨率为每,m,m,的,0.686,对（,=0.52,0,）,最小线条的分辨尺寸为,0.73,m,m,或,pitch,1.46,m,m,若,365 nm,（,i-line,），则分辨尺寸可减小为,0.61,m,m,。,DOF,g-line,3.56,m,m,，,DOF,i-line,2.98,m,m,（假定,k,2,1,）,第31页/共40页,33,两类曝光系统的空间图像比较,第32页/共40页,34,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/cm,2,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,第33页/共40页,35,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（,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,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,100,200nm/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,第34页/共40页,36,负胶,(Negative Optical Photoresist),当,VLSI,电路需分辨率达,2,m,m,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）,第35页/共40页,37,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),负胶显影液,第36页/共40页,38,DUV,深紫外光刻胶,传统,DNQ,胶的问题：,1,、对于,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,第37页/共40页,39,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,第38页/共40页,40,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,第39页/共40页,41,感谢您的观看。,第40页/共40页,