微電子技術(shù)工藝原理謝生天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系

第26教學(xué)樓D區(qū)431室教學(xué)大綱第一章概述第一章晶體生長第二章硅氧化第三章擴散第四章離子注入第五章薄膜淀積第七章外延第八章光刻第九章金屬化第十章工藝集成ContentsBasicofCleanRoomLithographicProcessCommonlithographicmethod——OpticallithographyNext-generationlithographicmethodsComparisonofVariousLithographicMethodHowtomeettheprocessrequirement???LLS-locatedlightscattersGOI–gateoxideintegrityFabCostCleanroomEquipment,>$1MpertoolMaterials,highpurity,ultrahighpurityFacilitiesPeople,trainingandpay

Fabcostisveryhigh,>$1Bfor8”fabYieldHowDoesFabMakeMoney

Sale:Wafer(8”):~$150/waferProcessing:~$200(1$/wafer,200processsteps)Packing:~$1/chip

Cost~100chips/wafer~$50/chip(low-endmicroprocessorin2000)HowDoesaFabMake(Loss)Money100%yield:150+200+100=$450/wafer50%yield:150+200+50=$400/wafer0%yield:150+200=$350/waferCost:100%yield:100×50=$5,000/wafer50%yield:50×50

=$2,500/wafer0%yield:0×50

=$0.0/waferSale:100%yield:5000-450=$4550/wafer50%yield:2500-400=$2100/wafer

0%yield:0-350=-$350/waferProfitMargin三道防線:超凈間（cleanroom）硅片清洗（wafercleaning）吸雜（gettering）一、超凈間Fed.Std.209ECleanroomStructureIllustrationofFabFloor恒溫、恒濕！硅片清洗注意：高溫工藝過程會使污染物擴散進入硅片或薄膜中，因而前端工藝(FEOL)的清洗尤為重要！有機物/光刻膠的清除方法：

氧等離子體干法刻蝕：把光刻膠分解為氣態(tài)CO2＋H2O（適用于大多數(shù)高分子膜）SPM：sulfuric/peroxidemixtureH2SO4(98％):H2O2(30％)=2:1~4:1把光刻膠分解為CO2＋H2O（適合于幾乎所有有機物）SC-1(APM，AmmoniaPeroxideMixture)：NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:5～1:2:7

30～80C,10min堿性（pH值>7）氧化有機膜形成金屬絡(luò)合物緩慢溶解原始氧化層，再氧化——去除顆粒RCA——標準清洗RCAcleanis“standardprocess”usedtoremoveorganics,heavymetalsandalkaliions！SC-2(HPM，HydrochloricPeroxideMixture):HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:6~1:2:8

65～80C,10min酸性（pH值<7）將堿金屬離子及Al3＋、Fe3＋和Mg2＋在SC-1溶液中形成的不溶的氫氧化物反應(yīng)成溶于水的絡(luò)合物進一步去除殘留的重金屬污染（如Au）RCA與水浴超聲波共同作用，可更好清除晶片表面的有機沾污、金屬離子、顆粒等。吸雜

器件正面的堿金屬離子被吸雜到介質(zhì)層（鈍化層），如PSG、Si3N4

硅片中的金屬離子則被俘獲到體硅中（本征吸雜）或硅片背面（非本征吸雜）—把有害雜質(zhì)和缺陷從晶體的器件制造區(qū)除掉的工藝吸雜步驟：

雜質(zhì)元素從原有陷阱中釋放，成為可動原子雜質(zhì)元素擴散到吸雜中心雜質(zhì)元素被吸雜中心俘獲堿金屬離子的吸雜：PSG——可以束縛堿金屬離子成為穩(wěn)定的化合物超過室溫的條件下，堿金屬離子即可擴散進入PSG超凈工藝＋Si3N4鈍化保護——抵擋堿金屬離子的進入其他金屬離子的吸雜：本征吸雜——使硅表面10－20mm范圍內(nèi)氧原子擴散到體硅內(nèi)，而硅表面的氧原子濃度降低至10ppm以下。利用體硅中的SiO2的凝結(jié)成為吸雜中心。非本征吸雜——利用在硅片背面形成損傷或生長一層多晶硅，制造缺陷成為吸雜中心。在器件制作過程中的一些高溫處理步驟，吸雜自動完成。二、光刻步驟

光刻是指利用掩模板上的幾何圖形，通過光化學(xué)反應(yīng)，將圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上的工藝步驟。光刻步驟詳述硅片增粘處理高溫烘培增粘劑處理：六甲基二硅胺烷（HDMS）勻膠機涂膠：3000～6000rpm，0.5~1mm前烘：10～30min，90～100C熱板去除光刻膠中的溶劑，改善膠與襯底的粘附性，增加抗蝕性，防止顯影時浮膠和鉆蝕。硅片對準，曝光每個視場對準曝光強度150mJ/cm2曝光后烘烤（PEB）：10min，100C顯影：30～60s浸泡顯影或噴霧顯影干法顯影AlignmentmarkPreviouspattern堅膜：10～30min，100～140C去除殘余溶劑、顯影時膠膜所吸收的顯影液和殘留水分，改善光刻膠的粘附性和抗蝕能力顯影檢查：缺陷、玷污、關(guān)鍵尺寸、對準精度等，不合格則去膠返工。圖形轉(zhuǎn)移——刻蝕圖形轉(zhuǎn)移——剝離（lift-off）去膠溶劑去膠（strip）：Piranha(H2SO4:H2O2)。正膠：丙酮氧化去膠450CO2+膠CO2+H2O等離子去膠（Oxygenplasmaashing）高頻電場O2電離O－＋O＋

O＋活性基與膠反應(yīng)CO2，

CO，H2O。干法去膠（Ash)1、曝光設(shè)備三、光學(xué)光刻接觸式的缺點：塵?；蚓系墓柙鼤斐裳谀び谰眯該p傷接觸和接近式曝光Fresnel衍射理論適用的間隔范圍：最小分辨尺寸＝400nm,g＝50mm，Wmin4.5mm＝250nm,g＝15mm，Wmin2mm投影式基本參數(shù)：分辨率(resolution)

焦深(depthoffocus)

套刻精度(alignmentaccuracy)

產(chǎn)率(throughput)……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，，k1NA，焦深焦深光源波長(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)248DUV0.25/0.18mmArF(激光)193193DUV100/65…32nmF2(激光)157VUV70/……Usinglightsourcewithshorterl分辨率增強方法高壓汞燈光譜圖248nm157nm13.5nm193nmPhaseShiftMaskNormalMask

相移掩模技術(shù)PSM(phaseshiftmask)

光學(xué)臨近修正OPC(opticalproximitycorrection)在光刻版上進行圖形修正，來補償衍射帶來的光刻圖形變形OPC實例2、掩膜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投影光刻版投影式光刻×1掩膜版制作接觸式、接近式光刻電子束直寫熔融石英玻璃片80nmCr10～15nmARC（anti-reflectioncoating）電子抗蝕劑高透明度（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)保護防止顆粒玷污掩模版制作過程12.Finished若制備IC芯片需要N塊掩膜版，則最終的成品率Y:其中，D0是單位面積的“致命”缺陷數(shù)，Ac是芯片缺陷敏感區(qū)面積單版成品率Y芯片尺寸A=90mm2D0=0.25cm-2Y=10%光刻膠的作用：對于入射光子有化學(xué)變化，通過顯影，從而實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移。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(dǎo)3、光刻膠光刻膠的組成：樹脂基底、感光劑和有機溶劑

光刻膠的參數(shù)靈敏度正膠：曝光區(qū)域內(nèi)光刻膠完全溶解所需的能量ET負膠：保留曝光區(qū)光刻膠原始膜厚50%所需的能量對比度正膠負膠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，因此靈敏度不夠3、量子效率提高有限（最大為1，一般0.3)化學(xué)增強光刻膠PAG(photo-acidgenerator)原理：入射光子與PAG分子反應(yīng)，產(chǎn)生酸分子，在后續(xù)的烘烤過程中，酸分子起催化劑作用，使曝光區(qū)域光刻膠改性總量子效率>>1，因此DUV膠的靈敏度有很大提高。g線、i線光刻膠靈敏度為100mJ/cm-2，DUV膠為20－40mJ/cm-2

電子束光刻四、下一代光刻技術(shù)優(yōu)勢：

能生產(chǎn)亞微米抗蝕劑