半导体制造工艺基础教材

1、半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )光刻的作用和目的光刻的作用和目的图形的产生和布局图形的产生和布局1半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 光刻的定义光刻的定义 光刻是一种光刻是一种图形复印图形复印和和化学腐蚀化学腐蚀相结合的精相结合的精密表面加工技术。用密表面加工技术。用照相复印的方法将掩模版上的图照相复印的方法将掩模版上的图案转移到硅片表面的光刻胶上案转移到硅片表面的光刻胶上，以实现后续的有选择，以实现后续的有选择刻蚀或注入掺杂刻蚀或注入掺杂 光刻的目的光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完

2、全对应的几何图属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，形，把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构构,从而实现从而实现选择性扩散选择性扩散和和金属薄膜布线金属薄膜布线的目的的目的。2半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 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进一步发展有的进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（所谓特征尺寸（CDCD：characteri

3、stic 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。3半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )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

4、硅片上的加工 （5）低缺陷低缺陷 4半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 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开来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的最小光刻图的能力，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，是光刻精度和清晰度的标志形尺寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标志之一。之一。 随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越细，对分辨率的要求也越来越高。细，对分辨率的要求也越来越高。 通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目通常以每毫米内能刻蚀出可分

5、辨的最多线条数目来表示。来表示。5半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 2.2.高灵敏度高灵敏度 灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高产量灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高产量, ,要求光刻周期越短越好，这就要求曝光时间越短要求光刻周期越短越好，这就要求曝光时间越短越好，也就要求高灵敏度。越好，也就要求高灵敏度。 3.3.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，每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。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，因此，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。

6、要求套刻误差在特征尺寸的对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸的1010左右。左右。6半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 4.大尺寸硅片的加工大尺寸硅片的加工 提高了经济效益提高了经济效益 但是要在大面积的晶圆上实现均匀的胶膜涂覆，但是要在大面积的晶圆上实现均匀的胶膜涂覆，均匀感光，均匀显影，比较困难均匀感光，均匀显影，比较困难 高温会引起晶圆的形变，需要对周围环境的温高温会引起晶圆的形变，需要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度控制要求十分严格，否则会影响光刻质量5.低缺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

7、缺陷7半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )光学图形曝光洁净室在集成电路制造中，主要的图形曝光设备是利用紫外光=0.2-0.4m的光学仪器。主要讨论曝光装置、掩模版、抗蚀剂与分辨率。尘埃粒子在掩模版图案上所造成的不同腐蚀的影响在IC制造中必须要求洁净的厂房，特别是图形曝光的工作区域，因为尘埃可能会粘附于晶片或掩模版上造成器件的缺陷从而是电路失效。8半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )35的成的成本来自于本来自于光刻工艺光刻工艺图形转移技术组成：图形转移技术组成：掩膜版掩膜版/电路设计电路设计掩膜版制作掩膜版制作光刻光刻光源光源曝光系统曝光系统光刻胶光刻

8、胶 用于IC制造的掩模版通常为缩小倍数的掩模版。掩模版的第一步为设计者用CAD系统完整地将版图描绘出来。然后将CAD得到的数据信息传送到电子束图形曝光的图形产生器。再将图案直接转移至对电子束敏感的掩模版上。掩模版是由融凝硅土的基底覆盖一层铬膜组成。电路图案先转移至电子敏感层进而转移至底下的铬膜层，掩模版便完成了9半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )IC掩模版10半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )空间图像空间图像潜潜在图在图像像11半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )掩膜版制作掩膜版制作CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数

9、字图形设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形数字图形数字图形4或或5投影光投影光刻版刻版投影式光刻投影式光刻1掩膜版制作掩膜版制作接触式、接近式光刻接触式、接近式光刻12半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )电子束直写电子束直写熔融石英玻璃片熔融石英玻璃片80nmCr1015nmARC（anti-reflection coating）光刻胶光刻胶高透明度（散射小）高透明度（散射小）热膨胀小热膨胀小4或或5投影光刻版在投影光刻版在 制版时容易检查缺陷制版时容易检查缺陷版上缺陷可以修补版上缺陷可以修补蒙膜蒙膜(pellicle)保护防止颗保护防止颗粒玷污粒玷污13半导体制备

10、工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )掩模版制作过程掩模版制作过程12. Finished14半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )成品率成品率Y:cANDeY0 D0:单位面积缺陷数，单位面积缺陷数， Ac: 芯片面积，芯片面积， N: 掩膜版层数掩膜版层数15半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )光刻机光刻机的性能由三个参数判断：分辨率、套准精度与产率。分辨率：能精确转移到晶片表面抗蚀剂膜上图案的最小尺寸；套准精度：后续掩模版与先前掩模版刻在硅片上的图形相互对准的程 度；产率：对一给定的掩模版，每小时能曝光完成的晶片数量。光学曝光方法：遮蔽

11、式曝光和投影式曝光。遮蔽式曝光：可分为掩模版与晶片直接接触的接触式曝光和二者紧密相 邻的接近式曝光。若有尘埃或硅渣嵌入掩模版中，将造成掩 模版永久性损坏，在后续曝光的晶片上形成缺陷。投影式曝光：在掩模版与晶片间有一距离，10-50um。但这一间隙会在掩 模版图案边缘造成光学衍射。导致分辨率退化。16半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )三种硅片曝光模式及系统三种硅片曝光模式及系统接触式接触式接近式接近式投影式投影式1:1曝光系统曝光系统17半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )步进投影式光刻机原理图步进投影式光刻机原理图10:15:11:1步进扫描光刻机

12、步进扫描光刻机18半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )DSWdirect step on wafer19半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )接触式和接近接触式和接近式式近场衍近场衍射（射（Fresnel）像平面靠近孔像平面靠近孔径，二者之间径，二者之间无镜头系统无镜头系统曝光系统曝光系统20半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )接触和接近式接触和接近式Fresnel衍射理论适用衍射理论适用的间隔范围：的间隔范围：2Wg 最小分辨尺寸最小分辨尺寸gWming10 m， 365 nm（i线）时，线）时，Wmin 2 m21半导体制备工

13、艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )对遮蔽式曝光，最小线宽（临界尺寸）可用下式表示C Dlg其中，是曝光光源的波长，g是掩模版与晶片间的间隙距离。当与g减小时，可以得到lCD缩小的优势。然而，当给定一个g，任何大于g的微尘粒子都会对掩模版造成损坏。22半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )投影式投影式远场衍远场衍射（射（Fraunhofer） 像平面远离孔径，像平面远离孔径，在孔径和像之间设在孔径和像之间设置镜头置镜头爱里斑爱里斑df22. 1df22. 1中心极大半径23半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：瑞

14、利给出恰可分辨两个物点的判据：点物点物S1的爱里斑中心恰好与另一个点物的爱里斑中心恰好与另一个点物S2的爱里斑的爱里斑边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。S1S2S1S2S1S2可分辨可分辨不可分辨不可分辨恰可分辨恰可分辨100%73.6%分辨率分辨率24半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )两个爱里斑之间的分辨率两个爱里斑之间的分辨率(瑞利判据瑞利判据):sin61. 0)sin2(22. 122. 1nfnfdfRsinnNA 数值孔径：收集衍射数值孔径：收集衍射光的能力。光的能力。n为折射率为折射率分辨率分辨率N

15、AkR1k1=0.6-0.8提高分辨率：提高分辨率：NA ， ，k1 理论计算人眼爱里斑理论计算人眼爱里斑20 m分辨率分辨率：100 m25半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )由于有较高的光强度与稳定度，高压汞灯被广泛用作曝光光源。26半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )投影式投影式基本参数：基本参数：分辨率分辨率(resolution)焦深焦深(depth of focus)视场视场(field of view)调制传递函数调制传递函数(MTFmodulation transfer function)套刻精度套刻精度(alignment accu

16、racy)产率产率(throughput) 光学系统决定光学系统决定 机械设计机械设计27半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 为为轴上光线到极限聚焦位置的光程差。根据瑞利判据：轴上光线到极限聚焦位置的光程差。根据瑞利判据：cos4/ 很小时，很小时，2/)2/1 (1 4/22NAfd 2sin 焦深焦深NA ，焦深，焦深 焦深焦深22)(NAkDOF 28半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )焦深焦深焦平面焦平面光刻胶光刻胶IC技术中，焦深只有技术中，焦深只有1 m，甚至更小，甚至更小29半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )光

17、刻胶光刻胶光刻胶的作用：对于入射光光刻胶的作用：对于入射光子有化学变化，通过显影，子有化学变化，通过显影，从而实现图形转移。从而实现图形转移。灵敏度：单位面积的胶曝光灵敏度：单位面积的胶曝光所需的光能量：所需的光能量：mJ/cm2负胶负胶烃基高分子材料烃基高分子材料正胶分辨率高于负胶正胶分辨率高于负胶抗蚀性：刻蚀和离子注入抗蚀性：刻蚀和离子注入正胶正胶IC主导主导30半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 正性光刻胶正性光刻胶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

18、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，光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。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）内进行。内进行。31半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )負光阻負光阻正光阻正光阻32半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻

19、( (上上) )汞灯汞灯436nm (g线线)和和365nm (i线线)光刻胶的组成光刻胶的组成（正胶（正胶positive photoresist, DNQ）a) 基底：树脂基底：树脂 是一种低分子量的酚醛树脂是一种低分子量的酚醛树脂 (novolac, a polymer) 本身溶于显影液，溶解速率为本身溶于显影液，溶解速率为15 nm/s。 b)光敏材料（光敏材料（PACphotoactive compounds) 二氮醌二氮醌 (diazoquinone, DQ)DQ不溶于显影液，光刻胶在显影液中的溶解速率为不溶于显影液，光刻胶在显影液中的溶解速率为 12 nm/sec光照后，光照后，

20、DQ结构发生重新排列，成为溶于显影液的烃基酸结构发生重新排列，成为溶于显影液的烃基酸（TMAH四甲基氢氧化铵四甲基氢氧化铵典型显影液）典型显影液）光照后，光刻胶在显影液中的溶解速度为光照后，光刻胶在显影液中的溶解速度为100200nm/s c)溶剂溶剂 是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纤剂的混合物，用于调节光是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纤剂的混合物，用于调节光刻胶的粘度。刻胶的粘度。前烘后膜上树脂前烘后膜上树脂 : PAC1:133半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )负胶负胶 (Negative Optical Photoresist) 当当VLSI电路需分辨率达电路需分辨率达2

21、 m之前，基本上是采用负性光刻之前，基本上是采用负性光刻胶。胶。 负胶在显影时线条会变粗，使其分辨率不能达到很高。负胶在显影时线条会变粗，使其分辨率不能达到很高。但在分辨率要求不太高的情况，负胶也有其优点：但在分辨率要求不太高的情况，负胶也有其优点：a)对衬底表面粘附性好对衬底表面粘附性好b)抗刻蚀能力强抗刻蚀能力强c)曝光时间短，产量高曝光时间短，产量高d)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）e)价格较低价格较低 （约正胶的三分之一）（约正胶的三分之一）34半导体制备工艺基础第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) )负胶的组成部分：负胶的组成部分：a) 基底：合成环化橡胶树脂基底：合成环化橡胶树脂 (cyclized synthetic rubber risin)对光照不敏感，但在有机溶剂如甲苯和二甲苯中溶解很快对光照不敏感，但在有机溶剂如甲苯和二甲苯中溶解很快b) 光敏材料光敏材料 PAC： 双芳化基双芳化基 (bis-arylazide) 当光照后，产生交