光刻工藝概述

*1第8章光刻工藝概述8.1光刻技術(shù)的發(fā)展8.2光刻工藝流程8.3光刻技術(shù)

*28.1光刻技術(shù)的發(fā)展8.1.1集成電路制造工藝流程回顧2、將硅片進行拋光以除去硅片表面的劃傷和其它雜質(zhì)，制備成一片近乎完整的硅襯底片。

1、將一個純度為99.9999%的硅單晶棒切成硅片。

*38.1光刻技術(shù)的發(fā)展3、將硅片進行化學處理以便制備可以控制晶體管電流的源區(qū)和漏區(qū)。在硅片上涂上一層稱為感光膠的光敏性材料膜。

*48.1光刻技術(shù)的發(fā)展4、對涂有感光膠的硅片，用分步重復曝光機的設(shè)備，通過掩膜板進行重復曝光。它能將芯片圖形分步重復的曝光在整個硅片上。這種重復曝光過程與復印負性照片的過程相似。在顯影過程中曝過光的區(qū)域感光膠留了下來，未曝過光的膠層被清除掉了。

*58.1光刻技術(shù)的發(fā)展５、摻雜雜質(zhì)的原子如硼、砷等可以用注入技術(shù)來摻雜入硅原子中去，然后用熱退火的方法使注入離子“活化”。感光膠層能阻擋雜質(zhì)離子的注入，離子注入后的膠層可以用移膠的辦法把它去掉，當要在硅片的其它區(qū)域摻雜別的雜質(zhì)時，可以重復使用離子注入工藝。在隨后的幾道工藝中，還會多次用圖形制備工藝（光刻工藝），但感光膠層這時可用作腐蝕掩膜用。

*68.1光刻技術(shù)的發(fā)展6、下一步是制備晶體管的柵極、淀積SiO2層并使之圖形化（形成柵氧化層）之后淀積多晶硅和重摻雜多晶硅層，形成多晶硅柵。多晶硅柵對源區(qū)和漏區(qū)之間流動的電流起到象水龍頭那樣的“開”和“關(guān)”的作用。

*78.1光刻技術(shù)的發(fā)展7、制備工藝的其它部分是將晶體管的柵極、源極、漏極之間和對其它元件、對外部的連線用金屬膜作連線將它們連起來。二氧化硅層是一種介質(zhì)層，也是一種絕緣層，是用化學汽淀積(CVD)方法形成的，在CVD方法中所含某種材料的原子與淀積的受熱硅片的表面發(fā)生反應，形成某種材料的固體薄膜。PVD又稱濺射技術(shù)，是氣體離子受電場加速并轟擊靶材，使它的原子脫離靶材并濺落和積累在硅片上。

*88.1光刻技術(shù)的發(fā)展8、第3、4和5步工藝會反復多次使用，使SiO2層、金屬層和其它材料層形成圖形，以往成完整的電路設(shè)計。金屬層（通常是鋁和銅）是用CVD或PVD方法淀積的，經(jīng)曝光光刻、腐蝕等工藝后形成薄的金屬連線。對于復雜的芯片有時還要求用多金屬層和通常所稱的通孔進行垂直連線來形成復雜的芯片連線。

*98.1光刻技術(shù)的發(fā)展9、對于圖形矩陣的硅片進行適當?shù)那懈睢汉?，即成了封裝好的芯片。引出適合的電學外引線。

*108.1光刻技術(shù)的發(fā)展8.1.2光刻技術(shù)基本原理光刻是現(xiàn)代IC制造業(yè)的基石，它能在硅片襯底上印制出亞微米尺寸的圖形。

基本原理：將對光敏感的光刻膠旋涂在晶圓上，在表面形成一層薄膜，同時使用光刻版，版上包含著所要制作的特定層的圖形信息，光源透過光刻版照射到光刻膠上，使得光刻膠選擇性的曝光；接著對光刻膠顯影，于是就完成了從版到硅片的圖形轉(zhuǎn)移。另外，剩余的光刻膠可以在下面的過程中，刻蝕或離子技術(shù)中，充當掩蔽層。

*118.1光刻技術(shù)的發(fā)展超大規(guī)模集成電路及SoC對光刻技術(shù)的要求高分辨率

隨著集成電路集成度的不斷提高，加工的線條越來越精細。在保證一定成品率前提下刻蝕出的最細光刻線條稱為特征尺寸，特征尺寸反映了光刻水平的高低，同時也是集成電路生產(chǎn)線水平的重要標志。

*128.1光刻技術(shù)的發(fā)展高靈敏度的光刻膠

光刻膠的靈敏度通常是指光刻膠的感光速度。在集成電路工藝中，為了提高產(chǎn)品產(chǎn)量，希望曝光速度越快越好。

*138.1光刻技術(shù)的發(fā)展低缺陷

一般集成電路的加工需要幾十步甚至上百步工序，而在其中光刻大概要占10~20次，每次光刻都要盡量避免缺陷。對大尺寸晶圓的加工

大尺寸的晶圓對光刻技術(shù)要求更為苛刻。

*148.1光刻技術(shù)的發(fā)展精密的套刻對準因為最終的圖形是用多個掩膜版按照特定的順序在晶圓表面一層一層疊加建立起來的。圖形定位的要求就好像是一幢建筑物每一層之間所要求的正確對準。如果每一次的定位不準，將會導致整個電路失效。

*15PMOSFETNMOSFETCrosssectionofCMOSinverterTopviewofCMOSinverterThemaskinglayersdeterminetheaccuracybywhichsubsequentprocessescanbeperformed.Thephotoresistmaskpatternpreparesindividuallayersforproperplacement,orientation,andsizeofstructurestobeetchedorimplanted.Smallsizesandlowtolerancesdonotprovidemuchroomforerror.

*168.2基本光刻工藝流程圖形轉(zhuǎn)移通過兩步完成。首先，圖形被轉(zhuǎn)移到光刻膠層。光刻膠經(jīng)過曝光后自身性質(zhì)和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（由原來的可溶性物質(zhì)變?yōu)榉强扇苄晕镔|(zhì)，或者相反）。再通過化學溶劑（顯影劑）把可以溶解的部分去掉，在光刻層下就會留下一個孔，而這個孔就是和掩膜版不透光的部分相對應

*178.2基本光刻工藝流程

其次，把圖形從光刻膠層轉(zhuǎn)移到晶圓上。這一步是通過不同的刻蝕方法把晶圓上沒有被光刻膠保護的部分的薄膜層去掉。這時圖形轉(zhuǎn)移就徹底完成了。如圖所示。

*184:1Reticle1:1Mask投影掩模版(Reticle):石英板，包含了在晶圓上重復生成的圖形。由一個晶體管或多個晶體管組成。光掩模版（Mask），也是石英板，包含了對于整塊硅片某一工藝層上所有晶體管加工信息。

*19LinewidthSpaceThicknessSubstratePhotoresist

*208.2基本光刻工藝流程

如果掩膜版的圖形是由不透光的區(qū)域決定的，稱其為亮場掩膜版；而在一個暗場掩膜版中，掩膜版上的圖形是用相反的方式編碼的，如果按照同樣的步驟，就會在晶圓表面留下凸起的圖形（？）。暗場掩膜版主要用來制作反刻金屬互聯(lián)線。

*21亮場掩模版和暗場掩模版Simulationofcontactholes(positiveresistlithography)Simulationofmetalinterconnectlines(positiveresistlithography)ClearFieldMaskDarkFieldMask

*228.2基本光刻工藝流程

剛才介紹了對光有負效應的光刻膠，稱為負膠。同樣還有對光有正效應的光刻膠，稱為正膠。用正膠和亮場掩膜版在晶圓表面建立凸起圖形的情況如圖所示。

右圖顯示了用不同極性的掩膜版和不同極性的光刻膠相結(jié)合而產(chǎn)生的結(jié)果。通常是根據(jù)尺寸控制的要求和缺陷保護的要求來選擇光刻膠和掩膜版極性的。

*23UltravioletlightIslandAreasexposedtolightbecomecrosslinkedandresistthedeveloperchemical.Resultingpatternaftertheresistisdeveloped.WindowExposedareaofphotoresistShadowonphotoresistChromeislandonglassmaskSiliconsubstratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSiliconsubstrate負性光刻

*24正性光刻photoresistsiliconsubstrateoxideoxidesiliconsubstratephotoresistUltravioletlightIslandAreasexposedtolightaredissolved.Resultingpatternaftertheresistisdeveloped.ShadowonphotoresistExposedareaofphotoresistChromeislandonglassmaskWindowSiliconsubstratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSiliconsubstrate

*25正性光刻和負性光刻的區(qū)別負性光刻：產(chǎn)生和掩模版相反的圖形正性光刻：產(chǎn)生和掩模版相同的圖形DesiredphotoresiststructuretobeprintedonwaferWindowSubstrateIslandofphotoresistQuartzChromeIslandMaskpatternrequiredwhenusingnegativephotoresist(oppositeofintendedstructure)Maskpatternrequiredwhenusingpositivephotoresist(sameasintendedstructure)

*268.2基本光刻工藝流程八步基本的光刻工藝

*278)Developinspect5)Post-exposurebake6)Develop7)HardbakeUVLightMask

4)AlignmentandExposureResist2)Spincoat3)Softbake1)VaporprimeHMDS

*28光刻軌道系統(tǒng)

*298.3光刻技術(shù)8.3.1表面準備為確保光刻膠能和晶圓表面很好粘結(jié)，必須進行表面處理，包括三個階段：微粒清除、脫水和涂底膠。

*308.3光刻技術(shù)微粒清除

雖然光刻前的每一步工藝（氧化、摻雜等）都是在清潔區(qū)域完成的，但晶圓表面有可能吸附一些顆粒狀的污染物，所以必須給以清除。微粒清除方法見下圖

*31Resistliftoff

*328.3光刻技術(shù)脫水烘焙

經(jīng)過清潔處理后的晶圓表面可能會含有一定的水分（親水性表面），所以必須脫水烘焙使其達到清潔干燥（憎水性表面），以便增加光刻膠和晶圓表面的黏附能力。

*338.3光刻技術(shù)保持憎水性表面通常通過下面兩種方法：

一是保持室內(nèi)溫度在50℃以下，并且在晶圓完成前一步工藝之后盡可能快的進行涂膠。另一種方法是把晶圓存儲在用干燥并且干凈的氮氣凈化過的干燥器中。

*348.3光刻技術(shù)

除此之外，通過加熱也可以使晶圓表面恢復到憎水表面。有三種溫度范圍：

150～200℃（低溫），此時晶圓表面會被蒸發(fā)。到了400℃（中溫）時，與晶圓表面結(jié)合較松的水分子會離開。當超過750℃（高溫）時，晶圓表面從化學性質(zhì)上講恢復到了憎水性條件。通常采用低溫烘焙，原因是操作簡單。

*358.3光刻技術(shù)涂底膠

涂底膠的目的是進一步保證光刻膠和晶圓表面的粘結(jié)能力。底膠的選擇必須保證一個很好的黏附和平滑的表面。

底膠的作用是從化學上把晶圓表面的水分子系在一起，因此增加了表面的黏附能力。方法有：沉浸式旋轉(zhuǎn)式蒸汽式

各有優(yōu)缺點，使用時根據(jù)具體情況選擇。

*368.3光刻技術(shù)一般的材料：六甲基乙硅氮烷（hexa-methyl-disila