集成电路工艺原理

集成电路工艺原理1第一页，共四十一页，编辑于2023年，星期五净化的三个层次：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，IonIoff，栅击穿电压，可靠性电路：产率，电路性能Thebottomlineischipyield.“Bad”diemanufacturedalongside“good”die.

Increasingyieldleadstobetterprofitabilityinmanufacturingchips.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:DIH2O本征吸杂和非本征吸杂2第二页，共四十一页，编辑于2023年，星期五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3第三页，共四十一页，编辑于2023年，星期五光刻的作用和目的图形的产生和布局4第四页，共四十一页，编辑于2023年，星期五35％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）5第五页，共四十一页，编辑于2023年，星期五空间图像潜在图像6第六页，共四十一页，编辑于2023年，星期五掩膜版制作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7第七页，共四十一页，编辑于2023年，星期五电子束直写熔融石英玻璃片80nmCr10～15nmARC（anti-reflectioncoating）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8第八页，共四十一页，编辑于2023年，星期五掩模版制作过程12.Finished9第九页，共四十一页，编辑于2023年，星期五三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10第十页，共四十一页，编辑于2023年，星期五接触式光刻机原理图11第十一页，共四十一页，编辑于2023年，星期五接近式光刻机原理图CD:2~5um12第十二页，共四十一页，编辑于2023年，星期五扫描投影式光刻机原理图1:1曝光系统CD>1um13第十三页，共四十一页，编辑于2023年，星期五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14第十四页，共四十一页，编辑于2023年，星期五DSW－directsteponwafer15第十五页，共四十一页，编辑于2023年，星期五接触式和接近式——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16第十六页，共四十一页，编辑于2023年，星期五接触和接近式利用Fresnel衍射理论计算的间隔范围：最小分辨尺寸g＝10mm，＝365nm（i线）时，Wmin2mm17第十七页，共四十一页，编辑于2023年，星期五投影式——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18第十八页，共四十一页，编辑于2023年，星期五投影式基本参数：分辨率(resolution)焦深(depthoffocus)视场(fieldofview)调制传递函数(MTF—modulationtransferfunction)套刻精度(alignmentaccuracy)产率(throughput)……光学系统决定机械设计19第十九页，共四十一页，编辑于2023年，星期五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20第二十页，共四十一页，编辑于2023年，星期五两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，，k1f21第二十一页，共四十一页，编辑于2023年，星期五光源NGL:X射线(5Å)，电子束(0.62Å)，离子束(0.12Å)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)193193DUV90/65…32nmF2(激光)157VUVCaF2lenses激光激发Xe等离子体13.5EUVReflectivemirrors1、Usinglightsourcewithshorterl22第二十二页，共四十一页，编辑于2023年，星期五248nm157nm13.5nm193nm23第二十三页，共四十一页，编辑于2023年，星期五2、Reducingresolutionfactork1PhaseShiftMaskPatterndependent

k1canbereducedbyupto40%NormalMask24第二十四页，共四十一页，编辑于2023年，星期五2、Reducingresolutionfactork1Maskdesignandresistprocessl

[nm]k14360.83650.62480.3-0.41930.3-0.4Resistchemistry436,365nm:Photo-Active-Component(PAC)248,193nm:Photo-Acid-Generator(PAG)Contrast436,365nm:=2-3,(Qf/Q02.5)248,193nm:=5-10(Qf/Q01.3)25第二十五页，共四十一页，编辑于2023年，星期五3、IncreasingNALensfabricationl

[nm]NA4360.15-0.453650.35-0.602480.35-0.821930.60-0.93StateoftheArt:l=193nm,k1=0.3,NA=0.93R60nm=1.36R40nmNumericalAperture:NA=nsinaImmersionLithographyanH2O26第二十六页，共四十一页，编辑于2023年，星期五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27第二十七页，共四十一页，编辑于2023年，星期五焦深焦平面光刻胶IC技术中，焦深只有1mm，甚至更小作业328第二十八页，共四十一页，编辑于2023年，星期五调制传递函数MTF－－对比度29第二十九页，共四十一页，编辑于2023年，星期五一般要求MTF>0.5与尺寸有关30第三十页，共四十一页，编辑于2023年，星期五MTF与光的部分相干度SS=光源直径s聚光镜直径dS增加，越来越不相干一般S＝0.5-0.7或S=NA聚光光路NA投影光路31第三十一页，共四十一页，编辑于2023年，星期五横坐标：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0＝1/R＝NA/0.61（截止频率）2W特征尺寸大特征尺寸小32第三十二页，共四十一页，编辑于2023年，星期五例题：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，＝436nm（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=0.520。＝436nm时，0＝NA/0.61＝0.35/(0.61×0.436)＝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0.73mm或pitch＝1.46mm若＝365nm（i-line），则分辨尺寸可减小为0.61mm。DOFg-line＝3.56mm，DOFi-line＝2.98mm（假定k2＝1）33第三十三页，共四十一页，编辑于2023年，星期五两类曝光系统的空间图像比较34第三十四页，共四十一页，编辑于2023年，星期五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35第三十五页，共四十一页，编辑于2023年，星期五g线和i线光刻胶的组成（正胶－positivephotoresist,DNQ）a)基底：树脂是一种低分子量的酚醛树脂(novolac,apolymer)本身溶于显影液，溶解速率为15nm/s。b)光敏材料（PAC－photoactivecompounds)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1－2nm/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＝1:136第三十六页，共四十一页，编辑于2023年，星期五负胶(NegativeOpticalPhotoresist)

当VLSI电路需分辨率达2mm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）37第三十七页，共四十一页，编辑于2023年，星期五负胶的组成部分：a)基底：合成环化橡胶树脂(cyclizedsyntheticrubberrisin)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38第三十八页，共四十一页，编辑于2023年，星期五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