集成电路制造工艺 课件 6光刻工艺2

光刻工艺第二讲光刻工艺过程微电子四大基本工艺之——一、复习光刻工艺就是将掩膜版上的几何图形转移到硅片表面的工艺过程。光刻工艺分为光刻和刻蚀。光刻(lithography)：通过光化学反应，将光刻版（mask）上的图形转移到光刻胶上。刻蚀(Etch)：通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到Si片上光刻总的质量要求为：

①条宽符合指标要求

②套刻精度符合指标要求

③胶厚符合指标要求

④无缺陷

⑤胶图形具有较好的抗腐蚀能力光刻的目的：1.在晶圆表面建立尽可能接近设计规则中所要求尺寸的图形。2.在晶圆表面正确定位图形。光刻三要素：①光刻机②光刻版（掩膜版）③光刻胶光刻胶分为正胶和负胶。掩膜版分亮场（明场）掩膜版和暗场掩膜版

光刻胶①正胶：显影时，感光部分溶解，未感光部分不溶解；②负胶：显影时，感光部分不溶解，不感光部分溶解。光刻需要在洁净室（CleanRoom）完成洁净等级：尘埃数/m3；（尘埃尺寸为0.5μm）

10万级：≤350万，单晶制备；

1万级：≤35万，封装、测试；

1000级：≤35000，扩散、CVD；

100级：≤3500，光刻、制版；深亚微米器件（尘埃尺寸为0.1μm）

10级：≤350，光刻、制版；1级：≤35，光刻、制版；二、生产线的工艺中，光刻工序层次一般有：对不同的工艺流程，光刻的层次可能会有所不同，一个典型的1.0微米单多晶双铝工艺一般需要有如下的光刻层次：阱，有源区，场注，多晶，N-LDD，N+S/D，P+S/D，接触孔，孔注，金属-1，通孔，金属-2，钝化孔。注：N-LDD——轻掺杂、漏注入工艺。随着栅的宽度不断减小，栅下的沟道长度也不断减小。这就增加源漏间电荷穿通的可能性，并引起不希望的沟道漏电流。LDD工艺就是为了减少这些沟道漏电流的发生。其中，有源区，多晶，接触孔，金属-1，通孔，金属-2我们称之为关键层。因为：

①直接影响器件的电学性能或对最终成品率有重大影响

②条宽要求最严格

③套刻精度要求最严格CMOS工艺流程中的主要制造步骤Oxidation(Fieldoxide)SiliconsubstrateSilicondioxideoxygenPhotoresistDevelopoxidePhotoresistCoatingphotoresistMask-WaferAlignmentandExposureMaskUVlightExposedPhotoresistexposedphotoresistGSDActiveRegionstopnitrideSDGsiliconnitrideNitrideDepositionContactholesSDGContactEtchIonImplantationresistoxDGScanningionbeamSMetalDepositionandEtchdrainSDGMetalcontactsPolysiliconDepositionpolysiliconSilanegasDopantgasOxidation(Gateoxide)gateoxideoxygenPhotoresistStripoxideRFPowerIonizedoxygengasOxideEtchphotoresistoxideRFPower

IonizedCF4gasPolysiliconMaskandEtchRFPoweroxideIonizedCCl4gaspolygateRFPower1. 双阱工艺2. 浅槽隔离工艺3. 多晶硅栅结构工艺4. 轻掺杂漏(LDD)注入工艺5. 侧墙的形成6. 源/漏（S/D）注入工艺7. 接触孔的形成8. 局部互连工艺9. 通孔1和金属塞1的形成10.金属1互连的形成11.通孔2和金属2的形成12.金属2互连的形成13.制作金属3、压点及合金14.参数测试PassivationlayerBondingpadmetalp+SiliconsubstrateLIoxideSTIn-wellp-wellILD-1ILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3

M-4Polygatep-Epitaxiallayerp+ILD-6LImetalViap+p+n+n+n+2314567891011121314CMOS制作步骤

1衬底准备P+

单晶基片PP单晶片外延片外延层P-Sub2

氧化、光刻N-阱(nwell)3

N-阱注入，N-阱推进,清洁表面P-Sub4长薄氧、长氮化硅、光刻场区(active反版)P-SubP-Sub5场区氧化（LOCOS）,清洁表面

利用氮化硅抗高温氧化的作用，实现场区氧化——局部氧化，提高场开启MOS管阈值电压，降低氧化层台阶高度。

(场区氧化前可做N管场区注入和P管场区注入）P-Sub6栅氧化,淀积多晶硅，多晶硅N+掺杂

反刻多晶（polysilicon—poly)7

P+active注入（Pplus）

（

硅栅自对准：利用硅栅的遮蔽作用形成PMOS沟道，实现沟道与硅栅自对准，提高PMOS沟道尺寸的精度，减小寄生电容）P-SubP-SubP-Sub8

N+active注入（Nplus——Pplus反版）

（

硅栅自对准：利用硅栅的遮蔽作用形成NMOS沟道，实现沟道与硅栅自对准，提高NMOS沟道尺寸的精度，减小寄生电容）P-SubP-SubP-Sub9淀积BPSG，光刻接触孔(contact)，回流P-SubP-Sub10蒸镀金属1，反刻金属1（metal1)P-Sub11绝缘介质淀积，平整化，光刻通孔(via)P-SubP-Sub12蒸镀金属2，反刻金属2（metal2)P-Sub13钝化层淀积，平整化，光刻钝化窗孔(pad)P-Sub14光刻掩膜版简图汇总N阱

有源区

多晶

Pplus

Nplus

引线孔

金属1

通孔

金属2

钝化窗口

N阱CMOS集成电路工艺中MOS管的特点

所有NMOS管的衬底都是统一的P型衬底，接电路最低电位（一般为地GND）

同一个N阱中的PMOS管的衬底都是同一个N阱，接相应电路的最高电位（一般为电源VDD）P-SubN-well

MOS器件的源漏区是相互对称的，因此源漏可以互换，源漏只是根据工作电位的高低来区分。三、详细介绍光刻工艺流程主要步骤：曝光、显影、刻蚀0涂胶前的Si片处理(SiO2光刻)——预处理

SiO2:亲水性；

光刻胶：疏水性；①脱水烘焙:去除水分②HMDS：增强附着力HMDS：六甲基乙硅氮烷，(CH3)6Si2NH作用：去掉SiO2表面的-OH三、详细介绍光刻工艺流程预处理

由于衬底表面存在氢氧基团，使疏水的光刻胶无法与亲水表面结合良好。一般情况下，正胶若不进行预处理，在显影时胶条会被冲掉。涂胶前的硅片表面必须清洁和干燥，若表面有水分，会严重影响胶对硅片的黏附。预处理一般使用HMDS，为hexamethyldisilazane的英文缩写，六甲基二硅胺烷，化学分子式为：（CH3）3Si-NH-Si（CH3）3预处理反应式为：2H2O+（CH3）3Si-NH-Si（CH3）3=2（CH3）3SiO+NH3预处理预处理影响气相涂布质量的主要因素有：①温度②时间③HMDS质量HMDS处理工艺为130℃/55s，确认HMDS的效果用接触角计测量，一般要求大于65度.预处理注意事项：①预处理完的硅片应尽快涂胶，以免表面吸附空气中的水分，降低增粘效果。但同时也要充分冷却，因硅片的温度对胶厚有很大的影响。②反复预处理反而会降低增粘效果。③HMDS的瓶盖打开后，其寿命有限。1涂胶对涂胶总的质量要求为：

①胶厚符合指标要求

②均匀性符合指标要求

③缺陷少

④去边整齐

⑤硅片背面沾污小三、详细介绍光刻工艺流程涂胶的一般过程为：(以SVG88为例)接片对中→稳定转速→滴胶→慢速匀胶→快速匀胶→硅片底部清洗→硅片顶部去边→快速甩干

涂胶主要控制胶厚及胶厚的均匀性。胶厚主要与光刻胶的粘度和涂胶时的转速有关。对于同一种光刻胶，其膜厚主要受涂胶时的转速影响，转速越大，胶厚越薄，一般工艺常用MOTOR转速在3000到5500之间，这时膜厚的稳定性较好。影响膜厚均匀性的因素主要有：环境温度环境湿度排风净压力光刻胶温度旋转马达的精度和重复性、预旋转速度、预旋转时间、最终旋转速度、最终旋转时间和最终旋转加速度、喷胶状况和回吸量等因素。涂胶（环境温度影响）

环境温度的变化大大影响了圆片表面的涂胶均匀性。将环境温度设定于摄氏23度，当环境温度变化而其它条件基本不变时，溶剂的挥发随温度的升高而加快。环境温度超过23度就会引起圆片边缘的膜厚的增长，从而影响圆片表面涂胶的均匀性。环境温度低于23度时，由于溶剂的挥发相对比较慢，胶的流动性稍好。因此膜厚在圆片半径中间减少，在旋转的过程中，溶剂也在不停地挥发,造成中间比边缘的粘性要小。因此，无论在何种温度下，边缘的胶厚都会有所增长。涂胶（环境湿度影响）

环境湿度的变化也影响了圆片表面的涂覆均匀性。在其它条件基本恒定的情况下，溶剂的挥发随着环境湿度的降低而加快，平均膜厚对湿度的变化是：每1%的湿度降低会引起9%的膜厚增长；当环境湿度高于55%时，溶剂的挥发被抑制，会出现圆片边缘比中心厚的不均匀现象。

当环境湿度小于40%时，溶剂的挥发加快，会出现圆片中心比边缘厚的不均匀现象。涂胶（排风静压力影响）

排风静压力的变化大大影响了圆片表面的涂胶均匀性随着排风风速（静压力）的增长，腔内不均匀的蒸气浓度造成圆片中心和边缘之间失去平衡，从而影响圆片表面的涂胶均匀性。涂胶（光刻胶温度影响）光刻胶温度自环境温度的升高影响了圆片表面的涂胶均匀性。随着光刻胶温度的升高，使溶剂挥发加快，引起光刻胶流动性降低，膜厚增加，特别在圆片中心较热的胶滴使其表面温度升高，那么圆片中心的膜厚远大于边缘的膜厚，使圆片表面胶厚不均匀。涂胶（其他因素影响）

旋转时间、旋转速度、旋转滴胶量这些因素也会影响表面涂胶的均匀性，而这些因素与旋转涂胶机的设置有关，其影响的程度在旋转涂胶机的设置中应加以考虑。旋转时间、旋转速度、滴胶量这些参数在达到某一数值之后，对胶厚均匀性的影响基本不变。

涂胶容易出现的问题：表面有气泡彗星状或闪光状条痕中央圆圈涂胶容易出现的问题：有未涂区域涂胶容易出现的问题：针孔或回溅2前烘：

作用：

①驱赶胶中的溶剂

②提高胶对衬底的黏附性

③提高胶的抗腐蚀能力

④优化胶的光学吸收特性

⑤提高涂胶的均匀性

⑥提高条宽控制能力三、详细介绍光刻工艺流程3对准和曝光（A&E)三、详细介绍光刻工艺流程

曝光的典型过程为：

装片（装版）→预对位（找平边）→装片上工作台→硅片整体找平→整体对位→精确对位→单场聚焦→曝光→重复步进聚焦和曝光→卸片

曝光过程中要控制的主要参数有：1．曝光时间2．曝光焦距最佳的曝光量和焦距点一般是通过实验方法由exposure/CD、focus/exposurematrix得出的。曝光可能出现的问题1、整片发花无规律的整片“发花”

有规律的在每一个场内“发花”

整个片子有规律“发花”

2、局部“发花”局部范围比较大局部范围比较小重复性的局部“发花”

非重复性的局部“发花”

引起问题的原因设备原因：硅片调平系统问题、调焦系统问题、

版台系统问题工艺原因：工艺焦距补偿量的确定、平台沾污、背面沾污问

题、胶本身质量对光刻质量的影响其他原因：硅片本身的问题

PEB(postexposurebake)曝光后烘干在曝光后、显影前进行的烘干。这道烘干主要是通过低温短时间的热处理使曝光后的光刻胶进一步发生化学反应，使胶膜在显影液中的溶解度进一步改善。PEB

PEB

PEB被认为能增强一些胶的感光速度和工艺容宽。但PEB最好的效应是消除驻波的影响。当涂在平坦硅片的胶被曝光时，没有被胶吸收的光被高效率的从硅片表面反射回来，入射光和反射光相干涉，使沿胶厚方向的光强形成波峰和波谷，从而产生驻波。

PEB

左图：无PEB右图：PEB之后PEB驻波效应会影响对光刻的分辨率和CD控制。降低或消除驻波效应常采用的几种方法为：⑴PEB如上两图所示。⑵用带染色剂(dye)的光刻胶。⑶采用多层光刻胶技术。⑷加抗反射层用有机（TARC和BARC）或无机材料（SION）

PEB温度一般在110到120度，时间在1到2分钟。PEB温度一般比软烘高15-20度。PEB之后,WAFER须冷却,使WAFER的温度同显影液温度一致(23℃)。常用工艺条件为23℃/45s。显影

4显影三、详细介绍光刻工艺流程显影的一般过程：不同的显影方式有不同的显影过程，以SVG显影程序为例，它的显影过程为：预湿→显影液喷洒，使显影液覆盖整个硅片表面→静置显影→冲水清洗显影

WAFER进冷却后，进入显影腔体，经过温度为23℃的显影液处理约60S左右，将已曝过光的那部分光刻胶显现出来。严格地说，曝过光和未曝过光的光刻胶在显影液中都不同程度地被溶解。为了得到好的显影图像，希望溶解速率差越大越好，即所谓的反差越大越好。显影显影的方法主要有三种：浸润显影（IMMESESEION）、喷雾显影（SPRAY）和静态显影（PUDDLE）。我们目前用PUDDLE的方式。影响显影的因素主要有：显影液的成分、温度；环境温度和湿度；显影液量；显影方式和显影程序。5后烘

又称坚膜、硬烘(HBHARDBAKE)。光刻胶显影后留下的图形，是作为后步工序对WAFER进行加工的保护膜。因此，要求光刻胶和WAFER粘附牢固，并且保持没有形变。光刻胶在显影后，必须再经过一次烘烤，进一步将胶内残余的溶剂蒸发，使其硬化，即坚膜。通常坚膜温度比SB温度要高，所以也将此工序称做硬烘。三、详细介绍光刻工艺流程后烘HB温度过高，光刻胶内溶剂含量越少。但另一方面，最后去胶时会比较困难。所以必须控制HB的温度，一般HB的温度控制在100-130℃之间。我们目前采用112℃/60S。HB的方式同SB一样有三种，目前我们采用接近式。显检显检的重要性：与任何制造工艺一样，光刻工艺的目标是无缺陷产品。一旦光刻胶在硅片上形成图形，就要进行检查，以确定光刻胶图形的质量。然而不检查并在胶中留下缺陷将是灾难性的问题。显影后检查可以发现错误，并及时纠正。这是硅片制造过程中，少有的可以纠正的几步之一。显检（FR标记）

标记用途：

用于检查第一次曝光时场与场之间的位置关系，可以发现由于版旋转或工作台走位不稳定导致的质量问题。适用版次：每套电路的第一块版（一般为阱版）。标记设计：标记分为两种，分别为FR-X（图-1）和FR-Y（图-2），图中所标示的尺寸均为版上尺寸，阴影部分为不透光的区域显检（FR标记）

图-1FR-X

图-2FR-Y

标记布局：标记布局的示意图见图-3，标记布置在划片槽中，左右各放一个FR-X标记，上下各放一个FR-Y标记，每个标记必须紧靠场的边缘，标记的主体位于场内。左右放置的两个FR-X标记必须位于同一水平线上，上下放置的两个FR-Y标记必须位于同一垂直线上。标记尽量放置在靠近场中心的划片槽中。显检（FR标记）显检（FR标记）图-3显检（FR标记）场一场二场三显检（套刻标识）十字形套刻标识

方框形套刻标识

显检（套刻标识）

判断校正值正负的两种方法：①根据十字套刻偏置方向判断（本层图形相对于前面层次的图形）NIKON光刻机：上偏加“+”，下偏加“-”，左偏加“-”，右偏加“+”GCA光刻机：上偏加“-”，下偏加“+”，左偏加“-”，右偏加“+”

②根据套刻游标上的正负判断（一般情况）NIKON光刻机：X方向与读出相同，Y方向与读出相反GCA光刻机：X、Y均与读出相同显检（套刻游标）Y方向X方向

显检（总图）显检（对位标记）NIKONWGA-Y标记（白）

NIKONWGA-Y标记（黑）NIKONLSA-Y标记（单条，白）

NIKONLSA-Y标记（单条，黑）

显检（对位标记）GCAglobal对位标记

GCAmapping对位标记（Segmented）

GCAmapping对位标记（bar）

6刻蚀三、详细介绍光刻工艺流程湿法刻蚀：用溶剂刻蚀干法刻蚀：等离子体刻蚀湿法刻蚀化学的解决方法来溶解硅片表面上的物质副产物是气体，液体或可溶在腐蚀溶液中的物质三个基本步骤：腐蚀，漂洗，甩干

基本的湿法刻蚀步骤腐蚀甩干湿法刻蚀纯粹的化学过程，各向同性的剖面广泛使用在特征尺寸大于3um的IC产业中仍就使用在先进的IC厂里–

硅片清洗

–

整个薄膜的剥离

湿法刻蚀的剖面不能使用在特征尺寸小于3um的工艺上被等离子体腐蚀所代替湿法刻蚀的应用湿法刻蚀不能使用在CD<3um的腐蚀中

高选择比湿法刻蚀广泛用在薄膜剥离工艺中,例如SiN的剥离和Ti的剥离等.也广泛使用在CVD薄膜质量控制中(BOE)测试硅片的剥离，清洗，重新使用二氧化硅的湿法刻蚀HF酸溶液通常在缓冲溶液中稀释或者用去离子水来减小腐蚀速率

SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O广泛使用在CVD薄膜质量控制中BOE:BufferedoxideetchWERR:wetetchrateratioSiO2的湿法刻蚀常用配方(KPR胶）：HF:NH4F:H2O=3ml:6g:10ml(HF溶液浓度为48％)HF：腐蚀剂，SiO2+HF→H2[SiF6]+H2ONH4F：缓冲剂，NH4F→NH3↑+HF

Si3N4的湿法刻蚀腐蚀液：热H3PO4，180℃；WideGlassContact湿法刻蚀硅和多晶硅硅腐蚀通常使用HNO3和HF的混合液HNO3氧化硅，HF剥离二氧化硅去离子水或者乙酸能用来稀释腐蚀溶液，以及减小腐蚀速率Si+2HNO3+6HF→H2SiF6+2HNO2+2H2O

湿法刻蚀特点：各向同性腐蚀。优点：工艺简单，腐蚀选择性好。缺点：钻蚀严重（各向异性差），难于获得精细图形。（刻蚀3μm以上线条）刻蚀的材料：Si、SiO2、Si3N4；Si的湿法刻蚀常用腐蚀剂①HNO3-HF-H2O(HAC)混合液：

HNO3：强氧化剂；

HF：腐蚀SiO2；

HAC：抑制HNO3的分解；

Si+HNO3+HF→H2[SiF6]+HNO2+H2O+H2②KOH-异丙醇氮化硅的湿法刻蚀热磷酸溶液(150to200°C)对二氧化硅有高选择比

使用在LOCOS和STI的SiN剥离中Si3N4+4H3PO4→Si3(PO4)4+4NH3氮化硅的湿法刻蚀在长场氧时SIN表面会生成SINO，而H3PO4对SINO基本不腐蚀，加HF漂洗的目的是腐蚀SIN表面的SINO2H3PO4+3SiO23H2SIO3

+P2O5

3Si3N4+27H2O+4H3PO44(NH4)3PO4+9H2SIO3

3Si3N4+27H2O+4H3PO44(NH4)3PO4+9H2SIO3

影响湿法刻蚀速率的因素腐蚀溶液的温度化学试剂的浓度膜的类型(如SIO2,POLY,SILICON等)晶向<111><100>膜的形成(是热生长形成或掺杂形成)膜的密度(THERMALORLTO)腐蚀时的作业方式(喷淋,浸没或是旋转）腐蚀过程中有无搅拌或对流湿法的化学危害性HF、H3PO3、HNO4、H2SO4腐蚀性强氧化剂

湿法刻蚀的优点高选择比

相对来说不是很贵的设备批处理系统,高产能

湿法刻蚀的缺点各向同性的剖面不能用在图形的特征尺寸小于3um中高化学性的使用化学危害性–

对液体来说直接曝露–

对气体（烟）直接和间接曝露–

爆炸的潜在性湿法刻蚀注意事项AL及AL以后的片子不能进SH槽;湿法氧化物腐蚀（BOE)前必须进行充分的浸润（湿法开碗口）须做先行的片子根据先行结果适当调整腐蚀时间对湿法氧化物腐蚀检查,原则上检查膜厚最厚且小图形处和大块被腐蚀区域应保证干净;

腐蚀过程中一定注意搅拌在线湿法刻蚀常见问题EKC清洗后AL上黑点多去背面背面、正面发花SIN全剥未净胶残留阱内有亮点（残余）硅片颗粒多等离子体（干法）腐蚀介绍气体进，气体出等离子体产生自由基团和正离子轰击RIE(反应离子腐蚀)

—化学和物理结合的腐蚀大部分图形腐蚀是RIE腐蚀什么叫等离子体简而言之，等离子体是指电离的气体，是由电子、离子、原子和分子或自由基团粒子的集合体。而这些原子和自由基团通常具有很强的化学活性，可以与其它物质反应。等离子体腐蚀等离子刻蚀就是选用合适的气体，通过高频低压放电产生等离子体，利用其中的活性原子和自由基团与硅片表面的薄膜反应，生成挥发性产物而被去除掉，从而实现腐蚀的目的。湿法刻蚀和干法腐蚀的比较干法腐蚀优点：各向异性腐蚀强；分辨率高；刻蚀3μm以下线条。类型：①等离子体刻蚀：化学性刻蚀；②溅射刻蚀：纯物理刻蚀；③反应离子刻蚀（RIE）：结合①、②；干法刻蚀的原理①等离子体刻蚀原理a.产生等离子体:刻蚀气体经辉光放电后，成为具有很强化学活性的离子及游离基--等离子体。

CF4RFCF3*、CF2*

、CF*

、F*BCl3

RFBCl3*、BCl2*、Cl*b.等离子体活性基团与被刻蚀材料发生化学反应。特点：选择性好；各向异性差。刻蚀气体：CF4、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。干法刻蚀的原理②溅射刻蚀原理a.形成能量很高的等离子体；b.等离子体轰击被刻蚀的材料，使其被撞原子飞溅出来，形成刻蚀。特点：各向异性好；选择性差。刻蚀气体：惰性气体；干法刻蚀的原理③反应离子刻蚀原理同时利用了溅射刻蚀和等离子刻蚀机制；特点：各向异性和选择性兼顾。刻蚀气体：与等离子体刻蚀相同。SiO2和Si的干法刻蚀刻蚀剂：CF4、CHF3、C2F6、SF6、C3F8

；等离子体：CF4→

CF3*、CF2*

、CF*

、F*化学反应刻蚀：F*+Si→SiF4↑F*+SiO2→SiF4↑+O2↑CF3*+SiO2→SiF4↑+CO↑+CO2↑

实际工艺：①CF4中加入O2

作用：调整选择比；机理：CF4+O2→F*+O*+COF*+COF2+CO+CO2

（初期：F*比例增加；后期：O2比例增加）

O2吸附在Si表面，影响Si刻蚀；②CF4中加H2作用：调整选择比；机理：

F*+H*(H2)→HFCFX*(x≤3)+Si→SiF4+C(吸附在Si表面）

CFX*(x≤3)+SiO2→SiF4+CO+CO2+COF2刻蚀总结湿法刻蚀（刻蚀3μm以上线条）优点：工艺简单，选择性好。缺点：各向异性差，难于获得精细图形。干法腐蚀（刻蚀3μm以下线条）优点：各向异性强；分辨率高；Si3N4的干法刻蚀刻蚀剂：与刻蚀Si、SiO2相同。

Si3N4＋F*→SiF4