集成电路工艺原理

1、集成电路工艺原理第1页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四1 净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂 上节课主要内容净化级别高效净化净化的必要性器件：少子寿命，VT改变，Ion Ioff，栅击穿电压，可靠性电路：产率，电路性能The bottom line is chip yield. “Bad” die manufactured alongside “good” die. Increasing yield leads to better profitability in manufacturing chips.杂质种类：颗粒、有机物、金属、天然氧化层强氧化天然氧化层HF:DI

2、 H2O本征吸杂和非本征吸杂第2页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四2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3页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四3光刻的作用和目的图形的产生和布局第4页，共41页，2022年，5月20日，1点

3、34分，星期四435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5页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四5空间图像潜在图像第6页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四6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7页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四7电子束直写熔融石英玻

4、璃片80nmCr1015nmARC（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8页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四8掩模版制作过程12. Finished第9页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四9三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10页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四10接触式光刻机原理图第11页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四

5、11接近式光刻机原理图CD:25um第12页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四12扫描投影式光刻机原理图1:1曝光系统CD1um第13页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四13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10:15:11:1步进扫描光刻机第14页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四14DSWdirect step on wafer第15页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四15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16页，

6、共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四16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g10 mm， 365 nm（i线）时，Wmin2 mm第17页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四17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18页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四18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(a

7、lignment accuracy)产率(throughput) 光学系统决定 机械设计第19页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四19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。S1S2S1S2S1S2可分辨不可分辨恰可分辨100%73.6%分辨率第20页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四20两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k1提高分辨率：NA，k1f第21页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四21光源NGL

8、: 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436g线0.5mm汞灯365i线0.5/0.35mmKrF(激光)248DUV0.25/0.13mmArF (激光)193193DUV90/6532nmF2 (激光)157VUVCaF2 lenses激光激发Xe等离子体13.5EUVReflective mirrors1、Using light source with shorter l第22页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四22248 nm157 nm13.5 nm193 nm第23页，共41页，2022年，5月20日，1点34

9、分，星期四232、Reducing resolution factor k1Phase Shift Mask Pattern dependent k1 can be reduced by up to 40 %Normal Mask第24页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四242、Reducing resolution factor k1Mask design and resist processl nmk14360.83650.62480.3-0.41930.3-0.4Resist chemistry436,365 nm: Photo-Active-Component (P

10、AC)248,193 nm: Photo-Acid-Generator (PAG)Contrast436,365 nm: =2-3, (Qf/Q02.5)248,193 nm: =5-10 (Qf/Q01.3)第25页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四253、Increasing NALens fabricationl nmNA4360.15-0.453650.35-0.602480.35-0.821930.60-0.93State of the Art: l=193 nm, k1=0.3, NA=0.93 R60 nm =1.36 R40 nmNumerical Aper

11、ture: NA=nsinaImmersion LithographyanH2O第26页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四26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27页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四27焦深焦平面光刻胶IC技术中，焦深只有1mm，甚至更小作业3第28页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四28调制传递函数MTF对比度第29页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四29一般要求MTF0.5与尺寸有关第30页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四30

12、MTF与光的部分相干度SS=光源直径s聚光镜直径dS增加，越来越不相干或S=NA聚光光路NA投影光路第31页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四31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）2W特征尺寸大特征尺寸小第32页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四32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

13、可以知道：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）第33页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四33两类曝光系统的空间图像比较第34页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四34光刻胶光刻胶的作用：对于入射光子有化学变化，保持潜

14、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35页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四35g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 1

15、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100200nm/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第36页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四36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

16、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37页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四37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38页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四38DUV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2040 mJ/cm-2第39页，共41页，2022年，5月20日，1点34分，星期四39DUV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。PAGINSOLINSOL聚合物长链酸INSOLINSOL聚合物长链SOLSOL聚合物长链酸SOLINS