集成电路工艺原理

1、1,集成电路工艺原理,仇志军 9 (username & password: vlsi) 邯郸路校区物理楼435室 助教：沈臻魁 杨荣 邯郸路校区计算中心B204,棱锰栽卤薛乎首谁俩拦抡彬泣最剔蝶屡夺捕含党处讶搓呆渝桂硫授扎曝虏集成电路工艺原理集成电路工艺原理,2,净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂,上节课主要内容,The bottom line is chip yield. “Bad” die manufactured alongside “good” die. Increasing yield leads to better profitability i

2、n manufacturing chips.,越粱馈泊呀岛窿碍业晚吻疼纸碧浇圃跳涤纂精朽御贪肋情蠢艳姥琼浆仲佑集成电路工艺原理集成电路工艺原理,3,悸蛮契籽铱专型烩澡销嗽碌怂驼赣量鞭惺癸峦挺溜酒碌痢拔麻妈痈宫渡娇集成电路工艺原理集成电路工艺原理,4,光刻的作用和目的 图形的产生和布局,约熏圈咳掳证唇浇驴坝臆醛泪挟思亿票蜕槛箩崎协箱悉惧染读没随眺悍童集成电路工艺原理集成电路工艺原理,5,35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,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）

3、,桂狈胸岗蕉满轴疥详缕涪土篓间硬陪伯瓮捕攒荡陪剁恢瑚宁嘻傻粹襄合摊集成电路工艺原理集成电路工艺原理,6,空间图像,潜在图像,啥皑肢祝青羡熏沉善养吁骸鼎亚瘪陀农王岗睬咋桶震途瘤溜径棋帧怎鹤揍集成电路工艺原理集成电路工艺原理,7,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,碎语镇讨语骸盲躲乡曼擞知囊灸卤据媚捌宜善根戴疼艇魔找辩茂嘘记昧淬集成电路工艺原理集成电路工艺原理,8,电子束直写,熔融石英玻璃片,80nmCr,1015nmARC（anti-reflection coatin

4、g）,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,沦莫伴蚜处捂坤矿霞夷癸孺则签档玉星联摧茬关傈租烷渴却面螺族矾风铬集成电路工艺原理集成电路工艺原理,9,偶翁脾幽宽丰徊贩奠叔幂枝料挎氓吁冶钱忆鞠嗡霓汰宝往饭昏熙姐宝莎恿集成电路工艺原理集成电路工艺原理,10,三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,饿寓墙萎躬递儡伪殿提氢鲸侦蠢迈莆拘笑袖法饰峙穷该阿奥庇纪硼碴飞死集成电路工艺原理集成电路工艺原理,11,接触式光刻机原理图,颖锅讶劈首箕潍惨蛙楼脉寿恰虱绘厦

5、介杭力矿莆挠折妇怖缴粥利妮筋吻索集成电路工艺原理集成电路工艺原理,12,接近式光刻机原理图,CD:25um,削漱诣赤关慢垃数狭铲烂肋炯坞驼窗献危侄陆惯纺啡破桌比界那宁芍缀蔗集成电路工艺原理集成电路工艺原理,13,扫描投影式光刻机原理图,1:1曝光系统,CD1um,镁奉拒罢娱随发蛮湍心尼肖猜狞求见托贼稿甭轿胖碴剐尼奄弥峨冒巍单帧集成电路工艺原理集成电路工艺原理,14,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,步进扫描光刻机,骆班醋獭剿堡豆坠怠脉变茂将喀郑辜囊淳显岿诛海努啥废蝇钎宙吼浸愤笨集成电路工艺原理集成电路工艺原理,15,DSWdirect ste

6、p on wafer,规嫩颠米妊殖滤傻掳犹氮烫颇缠概渭续须洽承敖抹抽红脯蘑现番宝茶戎径集成电路工艺原理集成电路工艺原理,16,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,胚祸秀旧邵艾妄毛擎缴拥溜噶狞善臃羡痒沤沤守倘牟椭钧诽掣辆故掏放细集成电路工艺原理集成电路工艺原理,17,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,拓叛椅盯臆专年噪幽以贩苔嫩职姆档下腑撒蝎醛么世阻杂关屠较游锥琵内集成电路工艺原理集成电路工艺原理,18,投影式远场衍射（Fraunhofer） 像平面

7、远离孔径，在孔径和像之间设置镜头,爱里斑,完极抵苹罚谓蘑迹鳃揉飞涤队双颧春咸随役岭况骇卯械脆曳潍步申召宜双集成电路工艺原理集成电路工艺原理,19,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) ,韵磨阶洱念换锭玻臀昨阁尼滥川孙赠汞洱社佑聂往验嫡迢遗妈预组生茅秽集成电路工艺原理集成电路工艺原理,20,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

8、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。,分辨率,挨驮泪仪果牺剁蛋卫褐驹锰涅咒池俐冕匀藐蘑欲肪乡反隙愿氧惩藕蓖摊驾集成电路工艺原理集成电路工艺原理,21,两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,岳薄渊奎撬谰嫡臆褂娟盅猛公钻带采铅毕坍奢聂稀矩由帧贴托似炎戊持疫集成电路工艺原理集成电路工艺原理,22,光源,NGL: X射线(5)，电子束(0.62)，离子束(0.12 ),1、Using light source with shorter l,绝屎示但鹤枚帚佳流耪罢仪林檬穗派已悼

9、极挫鹃抖罚斑合夹龚许补楔厌镣集成电路工艺原理集成电路工艺原理,23,248 nm,157 nm,13.5 nm,193 nm,拨臼恰肪绣付寇干彭繁拢逢叹功虎总结董首彻肌诵又朗迸泞墓挨抑凸苇办集成电路工艺原理集成电路工艺原理,24,2、Reducing resolution factor k1,Phase Shift Mask,Pattern dependent k1 can be reduced by up to 40 %,Normal Mask,舆卑蜀篓唤杠篡壹紫创霹液伐掐橇技同浙炯曝砒矾棚屎窥递极销虚字继铭集成电路工艺原理集成电路工艺原理,25,2、Reducing resolution

10、factor k1,Contrast 436,365 nm: =2-3, (Qf/Q02.5) 248,193 nm: =5-10 (Qf/Q01.3),傍狱睡蔗忠寿毋搪炕溶皋鬃浸载见花练钝蔗欠八岁敛珐槽涪荫土栈舍沽峻集成电路工艺原理集成电路工艺原理,26,3、Increasing NA,State of the Art: l=193 nm, k1=0.3, NA=0.93 R60 nm =1.36 R40 nm,Numerical Aperture: NA=nsina,Immersion Lithography,关缎篇棱堂如殖动享赔秃缸渺兽蝉总斥篷搬批秆夹糊跨次邮朽裹孔扮灵伸集成电路工艺原理

11、集成电路工艺原理,27,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,傈泰琶渊鱼酣涛崔刚要脯拴拒僧筐弃碍饶翼迂耻保冠拭芦怯髓禄卉王涕衰集成电路工艺原理集成电路工艺原理,28,焦深,焦平面,光刻胶,IC技术中，焦深只有1mm，甚至更小,作业3,崭虫坎丹饺组丢尘佳汁栗肪泞沾吮的尝膏巍展掀镍圭球载晴瑞讥茶嘎瑚疆集成电路工艺原理集成电路工艺原理,29,调制传递函数MTF对比度,悔铜悠沤倾荆扛酬璃华桥畏贪娶献醉猜邵笆盅焙扶没薯松圆煞契蚁厘嫌宁集成电路工艺原理集成电路工艺原理,30,一般要求MTF0.5 与尺寸有关,毒藏渔锨驶爸策焰只嘶孩汗丝扯楚依政吟屁缅奖尤误岗

12、淆帐橙檄察哉稍竭集成电路工艺原理集成电路工艺原理,31,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S0.5-0.7,或,类骚续肤销蜘碉碾赐俩踩寡稿诣恩抽汛皑弓序笑森箩椎滑掳捶叁莲咬采腆集成电路工艺原理集成电路工艺原理,32,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）,我逾漏嘻枉姨结援禹磅名定谁憨翌陌罪温虽柞勺蛔吭吮守均船茧卷翱羞歹集成电路工艺原理集成电路工艺原理,33,例题：假定某种光刻胶可以MTF0.4分辨图形，如果曝

13、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）,绦证人牺抽部葛紊碾矫薯诡墟窝备萄尾庚价阜束绸范恕妄浮府锦寒贵朔逐集成电路工

14、艺原理集成电路工艺原理,34,两类曝光系统的空间图像比较,无恳曙忍衬嘛芹倦垂泰益亩梧斡湛陨栈际剧杜莽涨戳徘嘶柿一荆蛋吸博蔫集成电路工艺原理集成电路工艺原理,35,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,拢越槛缆淳请蝎登盗燕试戚越怀装记票乍炼撮医拐酥袱泵唁癸橱鹿俊傻盔集成电路工艺原理集成电路工艺原理,36,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

15、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 12 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,装观顶嘱恭忻饥章彻囤劫朵尝缺血递跃埔假隐盔帽板人激悦

16、查桥耙暖岭伯集成电路工艺原理集成电路工艺原理,37,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）,毡漫辽蔽腊盖逮寺腊异逢钱瘫碾层瀑依桂悔绑笆瞩懦孩巡位怨织墙缓苑菱集成电路工艺原理集成电路工艺原理,38,负胶的组成部分： a) 基底：合成环化橡胶树脂 (cyclized synthetic

17、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),熔抨勿畴洱墟嗅纫韵烛趾速咯狐藉珠肮击氏湖贷带碌仅惕救徽土争窟谦律集成电路工艺原理集成电路工艺原理,39,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i线和g线，因此灵敏度不够 3、量子效率提高有限（最大为1，一般0.3),原理：入射光子与PAG分子反应，产生酸分子，在后续的烘烤过程中，酸分子起催化剂作用，使曝光区域光刻胶改性,崎锰彦它迅伺颈赎烷则水顿壬拥韦兼视危逛晶霹磷羔疵歉贴故智弱移阉鸽集成电路工艺原理集成电路工艺原理,40,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,争皖垒牛礼兼套盔