1、集成电路制造工艺集成电路的发展历史集成电路的发展历史集成电路集成电路 Integrated Circuit，缩写，缩写IC通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路路互连，互连，“集成集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能集成电路芯片显微照片集成电路芯片显微照片各种封装好的集成电路各种封装好的集成电路1.1900年普朗克发表了著名的年普朗
2、克发表了著名的量子论量子论 揭开了现代物理学的新纪元，并深深地揭开了现代物理学的新纪元，并深深地 影响了影响了20世纪人类社会的发展。世纪人类社会的发展。2.之后的之后的2，30年时间里，包括爱因斯坦年时间里，包括爱因斯坦 在内的一大批物理学家逐步完善了量子理在内的一大批物理学家逐步完善了量子理论，为后来微电子的发展奠定了坚实的理论，为后来微电子的发展奠定了坚实的理论基础论基础历史的回顾19471947年圣诞前夕，贝尔实验年圣诞前夕，贝尔实验室的科学家肖克利室的科学家肖克利(William (William Shockley)Shockley)和他的两助手布拉和他的两助手布拉顿顿(Water
3、Brattain (Water Brattain 、巴丁、巴丁（John bardeen)John bardeen)在贝尔实验在贝尔实验室工作时发明了世界上第一室工作时发明了世界上第一个点接触型晶体管个点接触型晶体管由于三人的杰出贡献，他们分享了由于三人的杰出贡献，他们分享了19561956年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖世界上第一个点接触型晶体管世界上第一个点接触型晶体管锗多晶材料制备的点接触晶体管锗多晶材料制备的点接触晶体管集成电路的发明杰克-基尔比 1959年1959年第一块集成电路：年第一块集成电路：TI公司的公司的Kilby，12个器件，个器件，Ge晶片晶片 从此从此IC经历了：
4、经历了： SSI MSI LSI 现已进入到：现已进入到： VLSI ULSI GSI集成电路的发展集成电路的发展 小规模集成电路小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) 大规模集成电路大规模集成电路(Large Scale IC，LSI) 超大规模集成电路超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI) 特大规模集成电路特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) 巨大规模集成电路巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI） VLSI使用最频繁
5、，其含义往往包括了使用最频繁，其含义往往包括了ULSI和和GSI。中文中。中文中把把VLSI译为超大规模集成，更是包含了译为超大规模集成，更是包含了ULSI和和GSI的意义。的意义。CMOS工艺特征尺寸发展进程工艺特征尺寸发展进程 年份1989年1993年1997年2001年特征尺寸1.0m0.6m0.25m0.18m水平标志 微米（M）亚微米（SM）深亚微米（DSM）超深亚微米（UDSM）0.80.35m0.80.35m称为亚微米，称为亚微米，0.25m0.25m及其以下称为深亚微米及其以下称为深亚微米 ，0.18 m0.18 m以下为超深亚微米，以下为超深亚微米， 0.05m0.05m及其
6、以下称为纳米级及其以下称为纳米级 Ultra Deep Sub Micron，UDSM 集成电路发展的特点集成电路发展的特点特征尺寸越来越小特征尺寸越来越小布线层数布线层数/I/0引脚越来越多引脚越来越多硅圆片尺寸越来越大硅圆片尺寸越来越大芯片集成度越来越大芯片集成度越来越大时钟速度越来越高时钟速度越来越高电源电压电源电压/单位功耗越来越低单位功耗越来越低摩尔定律摩尔定律 一个有关集成电路发展趋势的著名预言，一个有关集成电路发展趋势的著名预言，该预言直至今日依然准确。该预言直至今日依然准确。 集成电路自发明四十年以来，集成电路芯片的集集成电路自发明四十年以来，集成电路芯片的集成度每三年翻两番成
7、度每三年翻两番 ，而加工特征尺寸缩小，而加工特征尺寸缩小 倍。倍。 即由即由Intel公司创始人之一公司创始人之一Gordon E. Moore博博士士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。年总结的规律，被称为摩尔定律。2v集成电路单片集成度和最小特征尺寸的发展曲线集成电路单片集成度和最小特征尺寸的发展曲线vIC在各个发展阶段的主要特征数据在各个发展阶段的主要特征数据 发展发展 阶段阶段主要特征主要特征MSI(1966)LSI(1971)VLSI(1980)ULSI(1990)元件数元件数/芯片芯片102-103103-105105-107107-108特征线宽特征线宽(um)10-55-33
8、-11栅氧化层厚度栅氧化层厚度(nm)120-100100-4040-1515-10结深结深(um)2-1.21.2-0.50.5-.020.2-.01芯片面积芯片面积(mm2)150vIntel 公司第一代公司第一代CPU4004电路规模：电路规模：2300个晶体管个晶体管生产工艺：生产工艺：10um最快速度：最快速度：108KHzvIntel 公司公司CPU386TM电路规模：电路规模：275,000个晶体管个晶体管生产工艺：生产工艺：1.5um最快速度：最快速度：33MHzvIntel 公司最新一代公司最新一代CPUPentium 4电路规模：电路规模：4千千2百万个晶体管百万个晶体管生
9、产工艺：生产工艺：0.13um最快速度：最快速度：2.4GHz集成电路的分类集成电路的分类 双极集成电路：主要由双极型晶体管构成双极集成电路：主要由双极型晶体管构成NPNNPN型双极集成电路型双极集成电路PNPPNP型双极集成电路型双极集成电路金属金属- -氧化物氧化物- -半导体半导体(MOS)(MOS)集成电路：主要由集成电路：主要由MOSMOS晶体管晶体管( (单极型晶体管单极型晶体管) )构成构成NMOSNMOSPMOSPMOSCMOS(CMOS(互补互补MOS)MOS)双极双极-MOS(BiMOS)-MOS(BiMOS)集成电路：是同时包括双极集成电路：是同时包括双极和和MOSMOS
10、晶体管的集成电路。综合了双极和晶体管的集成电路。综合了双极和MOSMOS器件两者的优点，但制作工艺复杂。器件两者的优点，但制作工艺复杂。 集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目类 别数字集成电路模拟集成电路MOS IC双极ICSSI1021002000300ULSI107109GSI109 按集成度分类 数模混合集成电路数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ： 例如例如 数模数模(D/A)转换器和模数转换器和模数(A/D)转换器等。转换器等。按电路的功能分类数字集成电路数字集成电路(Digital IC)： 是指处理数字信号的
11、集成电路，即采用二进制方式进是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。模拟集成电路模拟集成电路(Analog IC)： 是指处理模拟信号是指处理模拟信号(连续变化的信号连续变化的信号)的集成电路，的集成电路， 通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路 ： 线性集成电路：又叫放大集成电路，如运算放大器、电线性集成电路：又叫放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等。压比较器、跟随器等。 非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。v
12、 标准通用集成电路标准通用集成电路 通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会需求量大，通用性强。需求量大，通用性强。按应用领域分类v专用集成电路专用集成电路 根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的集成电路简称集成电路简称ASIC（Application Specific Integrated Circuit)，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封装形式多
13、样。装形式多样。 1. 特征尺寸特征尺寸 (Feature Size) / （Critical Dimension） 特征尺寸定义为器件中最小线条宽度特征尺寸定义为器件中最小线条宽度(对对MOS器件而言，通常器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度指器件栅电极所决定的沟道几何长度)描述集成电路工艺技术水平的描述集成电路工艺技术水平的三个技术指标三个技术指标减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改进。集成电路的特征尺寸寸的减小主要取决于光刻技术的改进。集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的规模化
14、生产是向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.18m、0.13m工艺，工艺， Intel目前将大部分芯片生产制程转换到目前将大部分芯片生产制程转换到0.09 m 。 2. 晶片直径晶片直径(Wafer Diameter) 为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，芯片面积的为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，芯片面积的增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。晶圆的低，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8吋
15、，正在向吋，正在向12吋晶圆迈吋晶圆迈进。下图自左到右给出的是从进。下图自左到右给出的是从2吋吋12吋按比例画出的圆。由吋按比例画出的圆。由此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。尺寸从尺寸从2吋吋12吋成比例增加的晶圆吋成比例增加的晶圆 3.DRAM 的容量的容量 RAM (Random-Access Memory)随机存取存随机存取存储器储器 分为动态存储器分为动态存储器DRAM (Dynamic )和静态存储器和静态存储器SRAM(Static) 中国中国IC产业分布图产业分布图 中芯国际集成电路制造有限公司中芯国际集成电路制造有限公司 上海华
16、虹上海华虹(集团集团)有限公司有限公司 华润微电子华润微电子(控股控股)有限公司有限公司 无锡海力士意法半导体有限公司无锡海力士意法半导体有限公司 和舰科技和舰科技(苏州苏州)有限公司有限公司 首钢日电电子有限公司首钢日电电子有限公司 上海先进半导体制造有限公司上海先进半导体制造有限公司 台积电台积电(上海上海)有限公司有限公司 上海宏力半导体制造有限公司上海宏力半导体制造有限公司 吉林华微电子股份有限公司吉林华微电子股份有限公司 2006年度中国集成电路与分立器件制造前十大企业是：年度中国集成电路与分立器件制造前十大企业是： 飞思卡尔半导体飞思卡尔半导体(中国中国)有限公司有限公司 奇梦达科
17、技奇梦达科技(苏州苏州)有限公司有限公司 威讯联合半导体威讯联合半导体(北京北京)有限公司有限公司 深圳赛意法半导体有限公司深圳赛意法半导体有限公司 江苏新潮科技集团有限公司江苏新潮科技集团有限公司 上海松下半导体有限公司上海松下半导体有限公司 英特尔产品英特尔产品(上海上海)有限公司有限公司 南通富士通微电子有限公司南通富士通微电子有限公司 星科金朋星科金朋(上海上海)有限公司有限公司 乐山无线电股份有限公司乐山无线电股份有限公司2006年度中国集成电路封装测试前十大企业是：年度中国集成电路封装测试前十大企业是： 炬力集成电路设计有限公司炬力集成电路设计有限公司 中国华大集成电路设计集团有限
18、公司中国华大集成电路设计集团有限公司 ( (包含北京中电华大电子设计公司等包含北京中电华大电子设计公司等) ) 北京中星微电子有限公司北京中星微电子有限公司 大唐微电子技术有限公司大唐微电子技术有限公司 深圳海思半导体有限公司深圳海思半导体有限公司 无锡华润矽科微电子有限公司无锡华润矽科微电子有限公司 杭州士兰微电子股份有限公司杭州士兰微电子股份有限公司 上海华虹集成电路有限公司上海华虹集成电路有限公司 北京清华同方微电子有限公司北京清华同方微电子有限公司 展讯通信展讯通信( (上海上海) )有限公司有限公司 2006年度中国集成电路设计前十大企业是：年度中国集成电路设计前十大企业是： 集成电
19、路（集成电路（Integrated Circuit） 制造工艺是集成电路实现的手段，制造工艺是集成电路实现的手段，也是集成电路设计的基础。也是集成电路设计的基础。 基础电路制造工艺基础电路制造工艺 集成电路工艺技术主要包括集成电路工艺技术主要包括: 1、原始硅片工艺、原始硅片工艺 硅单晶拉制到最终形成作为硅单晶拉制到最终形成作为IC衬底和有源区衬底和有源区的硅片的一整套工艺技术。的硅片的一整套工艺技术。 2、掺杂工艺、掺杂工艺 包括各种扩散掺杂和离子注入掺杂技术。包括各种扩散掺杂和离子注入掺杂技术。 3、微细图形加工工艺、微细图形加工工艺 包括图形的复印和刻蚀转移两个方面。包括图形的复印和刻蚀
20、转移两个方面。 4、介质薄膜工艺、介质薄膜工艺 包括各种热生长技术和各种包括各种热生长技术和各种CVD技术。技术。 5、金属薄膜工艺、金属薄膜工艺 包括真空蒸发技术、溅射技术和包括真空蒸发技术、溅射技术和CVD技术。技术。集成电路制造工艺简介集成电路制造工艺简介生产工厂简介生产工厂简介国外某集成电路工厂外景国外某集成电路工厂外景净化厂房净化厂房芯片制造净化区域走廊Here in the Fab Two Photolithography area we see one of our 200mm 0.35 micron I-Line Steppers. this stepper can image
21、 and align both 6 & 8 inch wafers. 投投影影式式光光刻刻机机Here we see a technician loading 300mm wafers into the SemiTool. The wafers are in a 13 wafer Teflon cassette co-designed by Process Specialties and SemiTool in 1995. Again these are the worlds first 300mm wet process cassettes (that can be spin rinse d
22、ried). 硅硅片片清清洗洗装装置置As we look in this window we see the Worlds First true 300mm production furnace. Our development and design of this tool began in 1992, it was installed in December of 1995 and became fully operational in January of 1996. 12英英寸寸氧氧化化扩扩散散炉炉Here we can see the loading of 300mm wafers
23、 onto the Paddle. 12英英寸寸氧氧化化扩扩散散炉炉装装片片工工序序Process Specialties has developed the worlds first production 300mm Nitride system! We began processing 300mm LPCVD Silicon Nitride in May of 1997. 12英寸氧英寸氧化扩散炉化扩散炉取片工序取片工序（已生长（已生长Si3N4）2,500 additional square feet of State of the Art Class One Cleanroom is
24、currently processing wafers! With increased 300mm & 200mm processing capabilities including more PVD Metalization, 300mm Wet processing / Cleaning capabilities and full wafer 300mm 0.35um Photolithography, all in a Class One enviroment.PVD化学汽化学汽相沉积相沉积CVD Accuracy in metrology is never an issue at Pr
25、ocess Specialties. We use the most advanced robotic laser ellipsometers and other calibrated tools for precision thin film, resistivity, CD and step height measurement. Including our new Nanometrics 8300 full wafer 300mm thin film measurement and mapping tool. We also use outside laboratories and ou
26、r excellent working relationships with our Metrology tool customers, for additional correlation and calibration. 检检测测工工序序Above you are looking at a couple of views of the facilities on the west side of Fab One. Here you can see one of our 18.5 Meg/Ohm DI water systems and one of four 10,000 CFM air
27、systems feeding this fab (left picture), as well as one of our waste air scrubber units (right picture). Both are inside the building for easier maintenance, longer life and better control. 去去离离子子水水生生产产装装置置离子注入检查晶圆 Here we are looking at the Incoming material disposition racks 库房库房集成电路制造工艺分类集成电路制造工艺
28、分类1. 双极型工艺（双极型工艺（bipolar）2. CMOS工艺工艺集成电路设计与制造的主要流程框架设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制芯片制造过程造过程封装封装测试测试 系统需求系统需求集成电路芯片设计过程框架集成电路芯片设计过程框架From 吉利久教授吉利久教授是是功能要求功能要求行为设计（行为设计（VHDL）行为仿真行为仿真综合、优化综合、优化网表网表时序仿真时序仿真布局布线布局布线版图版图后仿真后仿真否否是是否否否否是是Sing off设计创意设计创意 + 仿真验证仿真验证集成电路的设计过程：集成电路的设计过程：芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或
29、蒸由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层发形成新的薄膜或膜层曝曝 光光刻刻 蚀蚀硅片硅片测试和封装测试和封装用掩膜版用掩膜版重复重复20-30次次集成电路芯片的显微照片Vsspoly 栅Vdd布线通道参考孔有源区N+P+ 50 m100 m头发丝粗细头发丝粗细1 m 1 m(晶体管的大小晶体管的大小)90年代生产的集成电路中晶体管大小与人年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较N沟道沟道MOS晶体管晶体管CMOS集成电路集成电路(互补型互补型MOS集成电路集成电路)：目前应用最为广泛的一种集成电路，约占目前应用最为广泛的一种集成
30、电路，约占集成电路总数的集成电路总数的95%以上。以上。集成电路制造工艺 图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单晶片上 掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等 制膜：制作各种材料的薄膜1 双极型（双极型（NPN）集成电路工艺）集成电路工艺(典型的典型的PN结隔离工艺结隔离工艺)P-Sub衬底准备（衬底准备（P型）型）光刻光刻n+埋层区埋层区氧化氧化n+埋层区注入埋层区注入 清洁表面清洁表面1.1.衬底准备衬底准备2.2.第一次光刻第一次光刻N+隐埋层扩散孔光刻隐埋层扩散孔光刻 P-Sub生长生长n-外延外延 隔离氧化隔离氧化 光刻光刻p
31、+隔离区隔离区p+隔离注入隔离注入 p+隔离推进隔离推进N+N+N-N-3.3.外延层淀积外延层淀积4.4.第二次光刻第二次光刻PP+ +隔离扩散孔光刻隔离扩散孔光刻光刻硼扩散区光刻硼扩散区P-SubN+N+N-N-P+P+P+硼扩散硼扩散5.5.第三次光刻第三次光刻PP型基区扩散孔光刻型基区扩散孔光刻光刻磷扩散区光刻磷扩散区 磷扩散磷扩散P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP6.6.第四次光刻第四次光刻N+发射区扩散孔光刻发射区扩散孔光刻氧化氧化光刻引线孔光刻引线孔清洁表面清洁表面P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP7.7.第五次光刻第五次光刻引线接触孔光刻引线接触孔光刻 氧化氧化
32、蒸镀金属蒸镀金属反刻金属反刻金属P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP8.8.第六次光刻第六次光刻金属化内连线光刻金属化内连线光刻 NPN晶体管剖面图ALSiO2BPP+P-SUBN+ECN+-BLN-epiP+Epitaxial layer 外延层Buried Layer埋层的作用埋层的作用1.减小串联电阻（集成电路中的各个电极均从减小串联电阻（集成电路中的各个电极均从上表面引出，外延层电阻率较大且路径较长）上表面引出，外延层电阻率较大且路径较长）BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N+埋层埋层N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+钝化层钝化层N+CECEBB2.减小寄生减
33、小寄生pnp晶体管的影响晶体管的影响隔离的实现隔离的实现1.P+隔离扩散要扩穿外延层，与隔离扩散要扩穿外延层，与p型衬底连通。因此，将型衬底连通。因此，将n型外延层分割成若干型外延层分割成若干个个“岛岛” 。2. P+隔离接电路最低电位，使隔离接电路最低电位，使“岛岛” 与与“岛岛” 之间形成两个背靠背的反偏二极之间形成两个背靠背的反偏二极管。管。BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N+埋层埋层N-epiSiO2P+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+N+CECEBB钝化层钝化层光刻掩膜版汇总光刻掩膜版汇总埋层区埋层区隔离墙隔离墙硼扩区硼扩区磷扩区磷扩区 引线孔引线孔金属连线金属连线外延层电
34、极的引出外延层电极的引出欧姆接触电极：金属与掺杂浓度较低的外延欧姆接触电极：金属与掺杂浓度较低的外延层相接触易形成整流接触层相接触易形成整流接触（金半接触势垒二极（金半接触势垒二极管）管）。因此，外延层电极引出处应增加浓扩散。因此，外延层电极引出处应增加浓扩散。BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N+埋层埋层N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+钝化层钝化层N+CECEBB金属与半导体接触？金属与半导体接触？形成欧姆接触的方法？形成欧姆接触的方法？低势垒，高复合，高低势垒，高复合，高掺杂掺杂光刻光刻LithographyLithography光刻是光刻是ICIC制造业中最为重要的
35、一道工制造业中最为重要的一道工艺艺硅片制造工艺中，光刻占所有成本的硅片制造工艺中，光刻占所有成本的35%35% 通常可用通常可用光刻次数光刻次数及所需及所需掩模的个数掩模的个数来来表示某生产工艺的难易程度。表示某生产工艺的难易程度。 一个典型的硅集成电路工艺包括一个典型的硅集成电路工艺包括1520块掩膜版块掩膜版 集成电路的集成电路的特征尺寸特征尺寸是否能够进一是否能够进一步减小，也与步减小，也与光刻技术光刻技术的近一步发展有的近一步发展有密切的关系。密切的关系。 通常人们用特征尺寸来评价一个集通常人们用特征尺寸来评价一个集成电路生产线的技术水平成电路生产线的技术水平。 所谓特征尺寸（所谓特征
36、尺寸（CDCD：characteristic dimensioncharacteristic dimension）是指设计的多晶硅栅长，它标志了器件工艺的总是指设计的多晶硅栅长，它标志了器件工艺的总体水平，是设计规则的主要部分体水平，是设计规则的主要部分通常我们所说的通常我们所说的0.13 m,0.09 m工艺就是工艺就是指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。光刻的定义光刻的定义：光刻是一种图形复印和化学光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。腐蚀相结合的精密表面加工技术。光刻的目的光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或光刻的目的就是在二氧化硅或
37、 金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图几何图 形，形，把掩模版上的图形转换成晶把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构圆上的器件结构,从而实现选择性扩散和从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。金属薄膜布线的目的。光刻的要求光刻的要求 对光刻的基本要求：对光刻的基本要求： （1）高分辨率高分辨率 （2）高灵敏度高灵敏度 （3）精密的套刻对准精密的套刻对准 （4）大尺寸硅片上的加工大尺寸硅片上的加工 （5）低缺陷低缺陷 1. 高分辨率高分辨率 分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力，即对光刻工艺中可以达到分开来
38、的能力，即对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标志之一。随着集成电路精度和清晰度的标志之一。随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越细，对的集成度提高，加工的线条越来越细，对分辨率的要求也越来越高。分辨率的要求也越来越高。分辨率表示每分辨率表示每mmmm内能够刻蚀出可分辨的最多线条数。内能够刻蚀出可分辨的最多线条数。 R= 1/2LR= 1/2L 2.高灵敏度高灵敏度 灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高产量要求曝光时间越短越好，也就要高产量要求曝光时间越短越好，也就要求高灵敏度。求高灵敏
39、度。3.精密的套刻对准精密的套刻对准集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，每次光刻都要相互套准。每次光刻都要相互套准。由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，因此，对套刻要求很高。要求套刻误差在因此，对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸的特征尺寸的10左右。左右。 4.大尺寸硅片的加工大尺寸硅片的加工 随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆片的膨胀和收缩。因此对周围环境的温度片的膨胀和收缩。因此对周围环境的温度控制要求十分严格，否则会影响光刻质量控制要求十分严格，否则会影响光刻质量5.低缺
40、陷低缺陷缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷5.2 光刻胶的组成材料及感光原理光刻胶的组成材料及感光原理光刻胶是光刻工艺的核心，光刻过程光刻胶是光刻工艺的核心，光刻过程中的所有操作都会根据特定的光刻胶中的所有操作都会根据特定的光刻胶性质和想达到的预期结果而进行微调。性质和想达到的预期结果而进行微调。光刻胶的选择和光刻工艺的研发是一光刻胶的选择和光刻工艺的研发是一个非常漫长的过程。个非常漫长的过程。光刻胶种类光刻胶种类 正光刻胶正光刻胶(Positive optical resist) 负光刻胶负光刻胶(Negative optical resist)Re
41、sists are organic polymers that are spun onto wafersand prebaked to produce a film 0.5 - 1 m thick.光刻胶又称光致抗蚀剂光刻胶又称光致抗蚀剂(Photo-Resist) ，根根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，有有正性光刻胶正性光刻胶Positive Optical Resistv 正胶的光化学性质是从抗溶正胶的光化学性质是从抗溶解到可溶性。解到可溶性。v 正胶曝光后显影时感光的胶正胶曝光后显影时感光的胶层溶解了。层溶解了。v 现有现有VLSI工艺都采用正胶工艺都
42、采用正胶 正胶机制正胶机制曝光使感光材料曝光使感光材料(PAC)中分子裂解，中分子裂解，被裂解的分子在显被裂解的分子在显影液中很易溶解，影液中很易溶解，从而与未曝光部分从而与未曝光部分形成强烈反差。形成强烈反差。负性光刻胶负性光刻胶 Negative Optical resist 负胶的光学性能是从可溶负胶的光学性能是从可溶解性到不溶解性。解性到不溶解性。 负胶在曝光后发生交链作负胶在曝光后发生交链作用形成网络结构，在显影用形成网络结构，在显影液中很少被溶解，而未被液中很少被溶解，而未被曝光的部分充分溶解。曝光的部分充分溶解。 小结：小结：正性和负性光刻胶正性和负性光刻胶 正性光刻胶正性光刻胶
43、受光或紫外线照射后受光或紫外线照射后感光的部感光的部分发生光分解反应，可溶于显影液分发生光分解反应，可溶于显影液，未感光的，未感光的部分显影后仍然留在晶圆的表面部分显影后仍然留在晶圆的表面 负性光刻胶负性光刻胶的的未感光部分溶于显影液中未感光部分溶于显影液中，而，而感光部分显影后仍然留在基片表面。感光部分显影后仍然留在基片表面。正胶：曝光前不可溶，曝光后正胶：曝光前不可溶，曝光后 可溶可溶负胶：曝光前负胶：曝光前 可溶，曝光后不可溶可溶，曝光后不可溶 光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。因此光刻通常在因此光刻通常在黄光室黄光室（Yellow Room
44、）内进行。）内进行。正胶和负胶的比较正胶和负胶的比较 正胶正胶a)分辨率高分辨率高 小于小于1微米微米b)抗干法刻蚀能力强抗干法刻蚀能力强c)较好的热稳定性较好的热稳定性 负胶负胶a)对某些衬底表面粘附性好对某些衬底表面粘附性好b) 曝光时间短，产量高曝光时间短，产量高c) 工艺宽容度较高工艺宽容度较高 （显影液稀释度、温度等）（显影液稀释度、温度等）d) 价格较低价格较低 （约正胶的三分之一）（约正胶的三分之一）负胶负胶 曝光后变为曝光后变为可溶可溶 显影时未曝光的部显影时未曝光的部 分溶解于显影液分溶解于显影液 图形与掩模版相反图形与掩模版相反 分辨率较低分辨率较低 含二甲苯，对环境、含二
45、甲苯，对环境、身体有害。身体有害。正胶正胶 曝光后变为可溶曝光后变为可溶 显影时曝光的部分显影时曝光的部分溶解于显影液溶解于显影液 图形与掩模版相同图形与掩模版相同 小的聚合物尺寸，小的聚合物尺寸，有有高的分辨高的分辨 大大应用于应用于IC fabsIC fabs光刻胶种类光刻胶种类q分辨率 (resolution)q敏感度 (Sensitivity)q对比度 (Contrast) q粘滞性q粘附性q抗蚀性光刻胶材料参数光刻胶材料参数1.光刻胶的分辨率光刻胶的分辨率（resolution） 在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为对光刻胶的分辨率。对光刻胶的
46、分辨率。 产生的线条越小，分辨率越高。分辨率不仅产生的线条越小，分辨率越高。分辨率不仅与光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定与光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定的工艺有关，比如：曝光光源、显影工艺等。的工艺有关，比如：曝光光源、显影工艺等。 正胶的分辨率较负胶好，一般正胶的分辨率较负胶好，一般2 m以下工艺以下工艺用正胶用正胶2.灵敏度灵敏度S (Sensitivity) h为比例常数；为比例常数；I为照射光强度，为照射光强度，t为曝光时间为曝光时间 灵敏度反应了需要多少光来使光刻胶曝光，即灵敏度反应了需要多少光来使光刻胶曝光，即光刻胶感光所必须的照射量光刻胶感光所必须的照射量。 曝光时间越
47、短，曝光时间越短，S越高。越高。 波长越短的光源（射线）能量越高。波长越短的光源（射线）能量越高。在短波长在短波长光曝光，光刻胶有较高的灵敏度。光曝光，光刻胶有较高的灵敏度。ShIt3.对比度对比度(Contrast) 衡量光刻胶辨别亮衡量光刻胶辨别亮(light)/暗暗(dark)区域的能力区域的能力 测量方法：对一定厚度的光刻胶，改变曝光剂量，在测量方法：对一定厚度的光刻胶，改变曝光剂量，在固定时间内显影，看显影后留下的光刻胶厚度。固定时间内显影，看显影后留下的光刻胶厚度。 对比度高的光刻胶造成更好的分辨率对比度高的光刻胶造成更好的分辨率Df:完全溶解光刻胶所需的曝光剂量；完全溶解光刻胶所
48、需的曝光剂量；D0:溶解光刻胶所需的阈值曝光剂量溶解光刻胶所需的阈值曝光剂量101logofDD4.粘滞性粘滞性 指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标。指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标。 与时间有关，因为它会在使用中随着光刻胶中溶剂与时间有关，因为它会在使用中随着光刻胶中溶剂的挥发增加。的挥发增加。5.粘附性粘附性描述光刻胶粘附于衬底的强度。描述光刻胶粘附于衬底的强度。 光刻胶与衬底膜层（光刻胶与衬底膜层（SiO2、Al等）的粘结能力直接影等）的粘结能力直接影响光刻的质量。不同的衬底表面，光刻胶的粘结能力是响光刻的质量。不同的衬底表面，光刻胶的粘结能力是不同的。负性胶通常比
49、正性胶有更强的粘结能力。不同的。负性胶通常比正性胶有更强的粘结能力。要求光刻胶能够粘附在不同类型的表面，例如硅，多晶要求光刻胶能够粘附在不同类型的表面，例如硅，多晶硅，氮化硅，二氧化硅和金属等硅，氮化硅，二氧化硅和金属等 必须能够经受住曝光、显影和后续的刻蚀，离子注入必须能够经受住曝光、显影和后续的刻蚀，离子注入的等工艺的等工艺 6.抗蚀性抗蚀性 光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在后续的湿刻和干刻中保护衬底表面。这后续的湿刻和干刻中保护衬底表面。这种性质被称为抗蚀性。种性质被称为抗蚀性。光刻胶由光刻胶由4 4种成分组成：种成分组成：树脂（聚合物材料）树脂（聚合
50、物材料）感光剂感光剂溶剂溶剂添加剂（备选）添加剂（备选）5.2.1 光刻胶的组成材料光刻胶的组成材料树脂树脂 树脂是一种惰性的聚合物，包括碳、氢、氧的树脂是一种惰性的聚合物，包括碳、氢、氧的有机高分子。用于把光刻胶中的不同材料聚在一有机高分子。用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。起的粘合剂。 对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚合状态变为聚合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是在大多数负性胶里面，聚合物是聚异戊二烯类型。是一种相互粘结的物质抗聚异戊二烯类型。是一种相互粘结的物质抗刻蚀的物质，如图所示。刻蚀的物质，如图所示。双键未聚合的聚合的能量CH
