光刻工艺概述课件

1、 *1第8章 光刻工艺概述8.1 光刻技术的发展8.2 光刻工艺流程8.3 光刻技术 *28.1 光刻技术的发展8.1.1 集成电路制造工艺流程回顾2、将硅片进行抛光以除去硅片表面的划伤和其它杂质，制备成一片近乎完整的硅衬底片。 1、将一个纯度为99.9999%的硅单晶棒切成硅片。 *38.1 光刻技术的发展3、将硅片进行化学处理以便制备可以控制晶体管电流的源区和漏区。在硅片上涂上一层称为感光胶的光敏性材料膜。 *48.1 光刻技术的发展4、对涂有感光胶的硅片，用分步重复曝光机的设备，通过掩膜板进行重复曝光。它能将芯片图形分步重复的曝光在整个硅片上。这种重复曝光过程与复印负性照片的过程相似。在

2、显影过程中曝过光的区域感光胶留了下来，未曝过光的胶层被清除掉了。 *58.1 光刻技术的发展、掺杂杂质的原子如硼、砷等可以用注入技术来掺杂入硅原子中去，然后用热退火的方法使注入离子“活化”。感光胶层能阻挡杂质离子的注入，离子注入后的胶层可以用移胶的办法把它去掉，当要在硅片的其它区域掺杂别的杂质时，可以重复使用离子注入工艺。在随后的几道工艺中，还会多次用图形制备工艺（光刻工艺），但感光胶层这时可用作腐蚀掩膜用。 *78.1 光刻技术的发展7、制备工艺的其它部分是将晶体管的栅极、源极、漏极之间和对其它元件、对外部的连线用金属膜作连线将它们连起来。二氧化硅层是一种介质层，也是一种绝缘层，是用化学汽淀

3、积(CVD)方法形成的，在CVD方法中所含某种材料的原子与淀积的受热硅片的表面发生反应，形成某种材料的固体薄膜。PVD又称溅射技术，是气体离子受电场加速并轰击靶材，使它的原子脱离靶材并溅落和积累在硅片上。 *88.1 光刻技术的发展8、第3、4和5步工艺会反复多次使用，使SiO2层、金属层和其它材料层形成图形，以往成完整的电路设计。金属层（通常是铝和铜）是用CVD或PVD方法淀积的，经曝光光刻、腐蚀等工艺后形成薄的金属连线。对于复杂的芯片有时还要求用多金属层和通常所称的通孔进行垂直连线来形成复杂的芯片连线。 *108.1 光刻技术的发展8.1.2 光刻技术基本原理 光刻是现代IC制造业的基石，

4、它能在硅片衬底上印制出亚微米尺寸的图形。 基本原理：将对光敏感的光刻胶旋涂在晶圆上，在表面形成一层薄膜，同时使用光刻版，版上包含着所要制作的特定层的图形信息，光源透过光刻版照射到光刻胶上，使得光刻胶选择性的曝光；接着对光刻胶显影，于是就完成了从版到硅片的图形转移。 另外，剩余的光刻胶可以在下面的过程中，刻蚀或离子技术中，充当掩蔽层。 *118.1 光刻技术的发展超大规模集成电路及SoC对光刻技术的要求高分辨率 随着集成电路集成度的不断提高，加工的线条越来越精细。在保证一定成品率前提下刻蚀出的最细光刻线条称为特征尺寸，特征尺寸反映了光刻水平的高低，同时也是集成电路生产线水平的重要标志。 *128

5、.1 光刻技术的发展高灵敏度的光刻胶 光刻胶的灵敏度通常是指光刻胶的感光速度。在集成电路工艺中，为了提高产品产量，希望曝光速度越快越好。 *148.1 光刻技术的发展精密的套刻对准 因为最终的图形是用多个掩膜版按照特定的顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来的。图形定位的要求就好像是一幢建筑物每一层之间所要求的正确对准。如果每一次的定位不准，将会导致整个电路失效。 *15PMOSFETNMOSFETCross section of CMOS inverterTop view of CMOS inverterThe masking layers determine the accuracy by w

6、hich subsequent processes can be performed. The photoresist mask pattern prepares individual layers for proper placement, orientation, and size of structures to be etched or implanted. Small sizes and low tolerances do not provide much room for error. *178.2 基本光刻工艺流程 其次，把图形从光刻胶层转移到晶圆上。这一步是通过不同的刻蚀方法把

7、晶圆上没有被光刻胶保护的部分的薄膜层去掉。这时图形转移就彻底完成了。如图所示。 *184:1 Reticle1:1 Mask投影掩模版(Reticle):石英板，包含了在晶圆上重复生成的图形。由一个晶体管或多个晶体管组成。光掩模版（Mask），也是石英板，包含了对于整块硅片某一工艺层上所有晶体管加工信息。 *19LinewidthSpaceThicknessSubstratePhotoresist *208.2 基本光刻工艺流程 如果掩膜版的图形是由不透光的区域决定的，称其为亮场掩膜版；而在一个暗场掩膜版中，掩膜版上的图形是用相反的方式编码的，如果按照同样的步骤，就会在晶圆表面留下凸起的图形（

8、？）。 暗场掩膜版主要用来制作反刻金属互联线。 *21亮场掩模版和暗场掩模版Simulation of contact holes(positive resist lithography)Simulation of metal interconnect lines(positive resist lithography)Clear Field MaskDark Field Mask *228.2 基本光刻工艺流程 刚才介绍了对光有负效应的光刻胶，称为负胶。同样还有对光有正效应的光刻胶，称为正胶。用正胶和亮场掩膜版在晶圆表面建立凸起图形的情况如图所示。 右图显示了用不同极 性的掩膜版和不同极 性

9、的光刻胶相结合而 产生的结果。通常是 根据尺寸控制的要求 和缺陷保护的要求来 选择光刻胶和掩膜版 极性的。 *24正性光刻photoresistsilicon substrateoxideoxidesilicon substratephotoresistUltraviolet lightIslandAreas exposed to light are dissolved.Resulting pattern after the resist is developed.Shadow on photoresistExposed area of photoresistChrome island on

10、glass maskWindowSilicon substratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSilicon substrate *25正性光刻和负性光刻的区别负性光刻：产生和掩模版相反的图形正性光刻：产生和掩模版相同的图形Desired photoresist structure to be printed on wafer WindowSubstrateIsland of photoresistQuartzChromeIslandMask pattern required when using negative photoresist (opposite

11、 of intended structure)Mask pattern required when using positive photoresist (same as intended structure) *278) Develop inspect5) Post-exposure bake6) Develop7) Hard bakeUV LightMask4) Alignment and ExposureResist2) Spin coat3) Soft bake1) Vapor primeHMDS *28光刻轨道系统 *298.3 光刻技术8.3.1 表面准备 为确保光刻胶能和晶圆表面

12、很好粘结，必须进行表面处理，包括三个阶段：微粒清除、脱水和涂底胶。 *308.3 光刻技术微粒清除 虽然光刻前的每一步工艺（氧化、掺杂等）都是在清洁区域完成的，但晶圆表面有可能吸附一些颗粒状的污染物，所以必须给以清除。微粒清除方法见下图 *31Resist liftoff *328.3 光刻技术脱水烘焙 经过清洁处理后的晶圆表面可能会含有一定的水分（亲水性表面），所以必须脱水烘焙使其达到清洁干燥（憎水性表面），以便增加光刻胶和晶圆表面的黏附能力。 *338.3 光刻技术保持憎水性表面通常通过下面两种方法： 一是保持室内温度在50以下，并且在晶圆完成前一步工艺之后尽可能快的进行涂胶。 另一种方法

13、是把晶圆存储在用干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中。 *348.3 光刻技术 除此之外，通过加热也可以使晶圆表面恢复到憎水表面。有三种温度范围： 150200（低温），此时晶圆表面会被蒸发。 到了400（中温）时，与晶圆表面结合较松的水分子会离开。 当超过750（高温）时，晶圆表面从化学性质上讲恢复到了憎水性条件。 通常采用低温烘焙，原因是操作简单。 *358.3 光刻技术涂底胶 涂底胶的目的是进一步保证光刻胶和晶圆表面的粘结能力。底胶的选择必须保证一个很好的黏附和平滑的表面。 底胶的作用是从化学上把晶圆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 旋转式 蒸汽式 各有优缺

14、点，使用时根据具体情况选择。 *368.3 光刻技术一般的材料： 六甲基乙硅氮烷（hexa-methyl-disilazane,简称HMDS）。 以SiO2为例，HDMS的作用是去掉其表面的-OH基。HMDS首先与表面的水反应，生成气态的NH3和O2,形成脱水表面，然后在加热的情况下和O2反应，形成三甲基甲硅烷（SiCH33）的氧化物，附着在SiO2表面，形成疏水表面 *378.3 光刻技术六甲基二硅亚胺HMDS反应机理SiO2SiO2OHOH(CH3) 3SiNHSi(CH3) 3O-Si(CH3) 3O-Si(CH3) 3+NH3 *38Process Summary:晶圆放置在真空工艺腔

15、内大致5ml 光刻胶慢速旋转 500 rpm逐渐增至 3000 to 5000 rpm注意控制:timespeedthicknessuniformityparticles and defectsVacuum chuckSpindle connected to spin motorTo vacuum pumpPhotoresist dispenser *39WaferExhaustHot plateChamber coverProcess Summary:在带有抽气的密闭腔内去湿烘焙六甲基二硅胺脘 (HMDS) 清洗并干燥硅片表面Temp 200 to 250CTime 60 sec. *408

16、.3 光刻技术8.3.2 涂光刻胶 目的是在晶圆表面建立薄而均匀并且没有缺陷的光刻胶膜。要做到这一点必须用精良的设备和严格的工艺控制才能达到。 厚度：0.51.5m，均匀性：0.01m 常用方法：旋转涂胶法 分手动，半自动，全自动 *418.3 光刻技术静态涂胶工艺 首先把光刻胶通过管道堆积在晶圆的中心，堆积量由晶圆大小和光刻胶的类型决定，堆积量非常关键，量少了会导致涂胶不均匀，量大了会导致晶圆边缘光刻胶的堆积甚至流到背面。 *428.3 光刻技术静态旋转工艺 光刻胶膜的最终厚度是由光刻胶的粘度、旋转速度、表面张力和光刻胶的干燥性来决定的。 *438.3 光刻技术光刻胶覆盖 *448.3 光刻

17、技术动态喷洒 随着晶圆直径越来越大，静态涂胶已不能满足要求，动态喷洒是晶圆以500rpm的速度低速旋转，其目的是帮助光刻胶最初的扩散，用这种方法可以用较少量的光刻胶而达到更均匀的光刻胶膜。待扩散后旋转器加速完成最终要求薄而均匀的光刻胶膜。 *458.3 光刻技术 *468.3 光刻技术自动旋转器 自动系统如图所示，包含了晶圆表面处理、涂底胶 和涂光刻胶 的全部过程， 标准的系统 配置就是一 条流水线。 *478.3 光刻技术 *488.3 光刻技术 *493) Spin-off4) Solvent evaporation1) Resist dispense2) Spin-up *50旋转涂胶设备 *518.3 光刻技术8.3.4 软烘焙 因为光刻胶是一种粘稠体，所以涂胶结束后并不能直接进行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。烘焙后的光刻胶仍然保持“软”状态。但和晶圆的粘结更加牢固。 *52软烘原因将硅片上覆盖的光刻胶溶剂去除增强光刻胶的黏附性缓和在旋转过程中光刻胶胶膜内的应力防止光刻胶沾到设备上 *53旋转涂胶之前，光刻胶包含65%到85%的溶剂。旋转涂胶后，仍有