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(jìn)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(gè)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(jìn)行化學(xué)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(chēng)為感光膠的光敏性材料膜。

*48.1光刻技術(shù)的發(fā)展4、對(duì)涂有感光膠的硅片，用分步重復(fù)曝光機(jī)的設(shè)備，通過(guò)掩膜板進(jìn)行重復(fù)曝光。它能將芯片圖形分步重復(fù)的曝光在整個(gè)硅片上。這種重復(fù)曝光過(guò)程與復(fù)印負(fù)性照片的過(guò)程相似。在顯影過(guò)程中曝過(guò)光的區(qū)域感光膠留了下來(lái)，未曝過(guò)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(lái)?yè)诫s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(dāng)要在硅片的其它區(qū)域摻雜別的雜質(zhì)時(shí)，可以重復(fù)使用離子注入工藝。在隨后的幾道工藝中，還會(huì)多次用圖形制備工藝（光刻工藝），但感光膠層這時(shí)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?fù)诫s多晶硅層，形成多晶硅柵。多晶硅柵對(duì)源區(qū)和漏區(qū)之間流動(dòng)的電流起到象水龍頭那樣的“開(kāi)”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(duì)其它元件、對(duì)外部的連線用金屬膜作連線將它們連起來(lái)。二氧化硅層是一種介質(zhì)層，也是一種絕緣層，是用化學(xué)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(yīng)，形成某種材料的固體薄膜。PVD又稱(chēng)濺射技術(shù)，是氣體離子受電場(chǎng)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(huì)反復(fù)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(jì)。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(duì)于復(fù)雜的芯片有時(shí)還要求用多金屬層和通常所稱(chēng)的通孔進(jìn)行垂直連線來(lái)形成復(fù)雜的芯片連線。

*98.1光刻技術(shù)的發(fā)展9、對(duì)于圖形矩陣的硅片進(jìn)行適當(dāng)?shù)那懈睢汉?，即成了封裝好的芯片。引出適合的電學(xué)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(duì)光敏感的光刻膠旋涂在晶圓上，在表面形成一層薄膜，同時(shí)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(guò)光刻版照射到光刻膠上，使得光刻膠選擇性的曝光；接著對(duì)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(guò)程中，刻蝕或離子技術(shù)中，充當(dāng)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(duì)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(lái)越精細(xì)。在保證一定成品率前提下刻蝕出的最細(xì)光刻線條稱(chēng)為特征尺寸，特征尺寸反映了光刻水平的高低，同時(shí)也是集成電路生產(chǎn)線水平的重要標(biāo)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(duì)大尺寸晶圓的加工

大尺寸的晶圓對(duì)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(duì)準(zhǔn)因?yàn)樽罱K的圖形是用多個(gè)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(lái)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(duì)準(zhǔn)。如果每一次的定位不準(zhǔn)，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)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(guò)兩步完成。首先，圖形被轉(zhuǎn)移到光刻膠層。光刻膠經(jīng)過(guò)曝光后自身性質(zhì)和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（由原來(lái)的可溶性物質(zhì)變?yōu)榉强扇苄晕镔|(zhì)，或者相反）。再通過(guò)化學(xué)溶劑（顯影劑）把可以溶解的部分去掉，在光刻層下就會(huì)留下一個(gè)孔，而這個(gè)孔就是和掩膜版不透光的部分相對(duì)應(yīng)

*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(guò)不同的刻蝕方法把晶圓上沒(méi)有被光刻膠保護(hù)的部分的薄膜層去掉。這時(shí)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(fù)生成的圖形。由一個(gè)晶體管或多個(gè)晶體管組成。光掩模版（Mask），也是石英板，包含了對(duì)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(chēng)其為亮場(chǎng)掩膜版；而在一個(gè)暗場(chǎng)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(huì)在晶圓表面留下凸起的圖形（？）。暗場(chǎng)掩膜版主要用來(lái)制作反刻金屬互聯(lián)線。

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

*228.2基本光刻工藝流程

剛才介紹了對(duì)光有負(fù)效應(yīng)的光刻膠，稱(chēng)為負(fù)膠。同樣還有對(duì)光有正效應(yīng)的光刻膠，稱(chēng)為正膠。用正膠和亮場(chǎng)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(hù)的要求來(lái)選擇光刻膠和掩膜版極性的。

*23UltravioletlightIslandAreasexposedtolightbecomecrosslinkedandresistthedeveloperchemical.Resultingpatternaftertheresistisdeveloped.WindowExposedareaofphotoresistShadowonphotoresistChromeislandonglassmaskSiliconsubstratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSiliconsubstrate負(fù)性光刻

*24正性光刻photoresistsiliconsubstrateoxideoxidesiliconsubstratephotoresistUltravioletlightIslandAreasexposedtolightaredissolved.Resultingpatternaftertheresistisdeveloped.ShadowonphotoresistExposedareaofphotoresistChromeislandonglassmaskWindowSiliconsubstratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSiliconsubstrate

*25正性光刻和負(fù)性光刻的區(qū)別負(fù)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(zhǔn)備為確保光刻膠能和晶圓表面很好粘結(jié)，必須進(jìn)行表面處理，包括三個(gè)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(jiàn)下圖

*31Resistliftoff

*328.3光刻技術(shù)脫水烘焙

經(jīng)過(guò)清潔處理后的晶圓表面可能會(huì)含有一定的水分（親水性表面），所以必須脫水烘焙使其達(dá)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(guò)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(jìn)行涂膠。另一種方法是把晶圓存儲(chǔ)在用干燥并且干凈的氮?dú)鈨艋^(guò)的干燥器中。

*348.3光刻技術(shù)

除此之外，通過(guò)加熱也可以使晶圓表面恢復(fù)到憎水表面。有三種溫度范圍：

150～200℃（低溫），此時(shí)晶圓表面會(huì)被蒸發(fā)。到了400℃（中溫）時(shí)，與晶圓表面結(jié)合較松的水分子會(huì)離開(kāi)。當(dāng)超過(guò)750℃（高溫）時(shí)，晶圓表面從化學(xué)性質(zhì)上講恢復(fù)到了憎水性條件。通常采用低溫烘焙，原因是操作簡(jiǎn)單。

*358.3光刻技術(shù)涂底膠

涂底膠的目的是進(jìn)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(gè)很好的黏附和平滑的表面。

底膠的作用是從化學(xué)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(diǎn)，使用時(shí)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