集成電路工藝原理

集成電路工藝原理1第1頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月凈化的三個層次：環(huán)境、硅片清洗、吸雜上節(jié)課主要內(nèi)容凈化級別高效凈化凈化的必要性器件：少子壽命

，VT改變，IonIoff，柵擊穿電壓，可靠性電路：產(chǎn)率

，電路性能

Thebottomlineischipyield.“Bad”diemanufacturedalongside“good”die.

Increasingyieldleadstobetterprofitabilityinmanufacturingchips.雜質(zhì)種類：顆粒、有機物、金屬、天然氧化層強氧化天然氧化層HF:DIH2O本征吸雜和非本征吸雜2第2頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第一講前言第二講實驗室凈化及硅片清洗第三講光刻原理1第四講光刻原理2第五講熱氧化原理1第六講熱氧化原理2第七講擴散原理1第八講擴散原理2第九講離子注入原理1第十講離子注入原理2第十一講薄膜淀積原理1第十二講薄膜淀積原理2第十三講薄膜淀積原理3第十四講刻蝕原理第十五講接觸和互連第十六講工藝集成第十七講前瞻性工藝研究3第3頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月光刻的作用和目的圖形的產(chǎn)生和布局4第4頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月35％的成本來自于光刻工藝光刻的要求圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)組成：掩膜版/電路設(shè)計掩膜版制作光刻光源曝光系統(tǒng)光刻膠分辨率（高）曝光視場（大）圖形對準精度（高）——1/3最小特征尺寸產(chǎn)率（throughput）（大）缺陷密度（低）5第5頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月空間圖像潛在圖像6第6頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月掩膜版制作CAD設(shè)計、模擬、驗證后由圖形發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字圖形數(shù)字圖形×4或×5投影光刻版（reticle）投影式光刻×1掩膜版（mask）制作接觸式、接近式光刻7第7頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月電子束直寫熔融石英玻璃片80nmCr10～15nmARC（anti-reflectioncoating）光刻膠高透明度（散射?。崤蛎浶　?或×5投影光刻版在制版時容易檢查缺陷版上缺陷可以修補蒙膜(pellicle)保護防止顆粒玷污8第8頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月掩模版制作過程12.Finished9第9頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月三種硅片曝光模式及系統(tǒng)接觸式接近式投影式（步進）4或5倍縮小曝光系統(tǒng)1:1曝光系統(tǒng)10第10頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月接觸式光刻機原理圖11第11頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月接近式光刻機原理圖CD:2~5um12第12頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月掃描投影式光刻機原理圖1:1曝光系統(tǒng)CD>1um13第13頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月步進投影式光刻機原理圖投影掩模版稱為“reticle”——與mask之間有一定放大比例10:15:11:1步進掃描光刻機14第14頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月DSW－directsteponwafer15第15頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月接觸式和接近式——近場衍射（Fresnel）像平面靠近孔徑，二者之間無鏡頭系統(tǒng)曝光系統(tǒng)16第16頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月接觸和接近式利用Fresnel衍射理論計算的間隔范圍：最小分辨尺寸g＝10mm，

＝365nm（i線）時，Wmin2mm17第17頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月投影式——遠場衍射（Fraunhofer）

像平面遠離孔徑，在孔徑和像之間設(shè)置鏡頭愛里斑18第18頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月投影式基本參數(shù)：分辨率(resolution)焦深(depthoffocus)視場(fieldofview)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF—modulationtransferfunction)套刻精度(alignmentaccuracy)產(chǎn)率(throughput)……光學系統(tǒng)決定機械設(shè)計19第19頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月瑞利給出恰可分辨兩個物點的判據(jù)：點物S1的愛里斑中心恰好與另一個點物S2的愛里斑邊緣（第一衍射極?。┫嘀睾蠒r，恰可分辨兩物點。S1S2S1S2S1S2可分辨不可分辨恰可分辨100%73.6%分辨率20第20頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月兩個愛里斑之間的分辨率（瑞利判據(jù)）：數(shù)值孔徑：收集衍射光的能力。n為折射率分辨率k1=0.6-0.8提高分辨率：NA，

，k1

f21第21頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月光源NGL:X射線(5?)，電子束(0.62?)，離子束(0.12?)光源波長(nm)術(shù)語技術(shù)節(jié)點汞燈436g線>0.5mm汞燈365i線0.5/0.35mmKrF(激光)248DUV0.25/0.13mmArF(激光)193193DUV90/65…32nmF2(激光)157VUVCaF2lenses激光激發(fā)Xe等離子體13.5EUVReflectivemirrors1、Usinglightsourcewithshorterl22第22頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月248nm157nm13.5nm193nm23第23頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2、Reducingresolutionfactork1PhaseShiftMaskPatterndependent

k1canbereducedbyupto40%NormalMask24第24頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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25頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3、IncreasingNALensfabricationl

[nm]NA4360.15-0.453650.35-0.602480.35-0.821930.60-0.93StateoftheArt:l=193nm,k1=0.3,NA=0.93

R60nm=1.36

R40nmNumericalAperture:NA=nsinaImmersionLithographyanH2O26第26頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

為軸上光線到極限聚焦位置的光程差。根據(jù)瑞利判據(jù)：

很小時，焦深NA，焦深焦深27第27頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月焦深焦平面光刻膠IC技術(shù)中，焦深只有1mm，甚至更小作業(yè)328第28頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)制傳遞函數(shù)MTF－－對比度29第29頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月一般要求MTF>0.5與尺寸有關(guān)30第30頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月MTF與光的部分相干度SS=光源直徑s聚光鏡直徑dS增加，越來越不相干一般S＝0.5-0.7或S=NA聚光光路NA投影光路31第31頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月橫坐標：歸一化的空間頻率，線條數(shù)/mm/截止頻率空間頻率

＝1/(2W),W是等寬光柵的線條寬度，2W即Pitch按照瑞利判據(jù)歸一化，即

0＝1/R＝NA/0.61

（截止頻率）2W特征尺寸大特征尺寸小32第32頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月例題：假定某種光刻膠可以MTF＝0.4分辨圖形，如果曝光系統(tǒng)的NA＝0.35，

＝436nm（g-line），S＝0.5。則光刻分辨的最小尺寸為多少？如果采用i線光源呢？解：從圖中可以知道：S＝0.5，MTF＝0.4，對應(yīng)于

=0.52

0。

＝436nm時，

0＝NA/0.61

＝0.35/(0.61×0.436)＝1.32/mm即分辨率為每mm的0.686對（

=0.52

0）最小線條的分辨尺寸為0.73mm或pitch＝1.46mm若

＝365nm（i-line），則分辨尺寸可減小為0.61mm。DOFg-line＝3.56mm，DOFi-line＝2.98mm（假定k2＝1）33第33頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月兩類曝光系統(tǒng)的空間圖像比較34第34頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月光刻膠光刻膠的作用：對于入射光子有化學變化，保持潛像至顯影，從而實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，即空間圖像

潛像。靈敏度：單位面積的膠曝光所需的光能量：mJ/cm2負膠烴基高分子材料正膠分辨率高于負膠抗蝕性：刻蝕和離子注入正膠IC主導35第35頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月g線和i線光刻膠的組成（正膠－positivephotoresist,DNQ）a)基底：樹脂是一種低分子量的酚醛樹脂(novolac,apolymer)本身溶于顯影液，溶解速率為15nm/s。b)光敏材料（PAC－photoactivecompounds)二氮醌(diazoquinone,DQ)DQ不溶于顯影液，光刻膠在顯影液中的溶解速率為1－2nm/sec光照后，DQ可以自我穩(wěn)定（Wolff重排列），成為溶于顯影液的烴基酸（TMAH四甲基氫氧化銨——典型顯影液）光照后，光刻膠在顯影液中的溶解速度為100－200nm/s

c)溶劑是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纖劑的混合物，用于調(diào)節(jié)光刻膠的粘度。前烘后膜上樹脂:PAC＝1:136第36頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月負膠(NegativeOpticalPhotoresist)

當VLSI電路需分辨率達2mm之前，基本上是采用負性光刻膠。負膠在顯影時線條會變粗，使其分辨率不能達到很高。但在分辨率要求不太高的情況，負膠也有其優(yōu)點：對襯底表面粘附性好抗刻蝕能力強曝光時間短，產(chǎn)量高工藝寬容度較高（顯影液稀釋度、溫度等）價格較低（約正膠的三分之一）37第37頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月負膠的組成部分：a)基底：合成環(huán)化橡膠樹脂(cyclizedsyntheticrubberrisin)對光照不敏感，但在有機溶劑如甲苯和二甲苯中溶解很快b)光敏材料PAC：雙芳化基(bis-arylazide)當光照后，產(chǎn)生交聯(lián)的三維分子網(wǎng)絡(luò)，使光刻膠在顯影液中具有不溶性。c)溶劑：芳香族化合物(aromatic)

負膠顯影液38第38頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月DUV深紫外光刻膠傳統(tǒng)DNQ膠的問題：1、對于<i線波長的光強烈吸收2、汞燈在DUV波段輸出光強不如i線和g線