光刻工艺概述

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第8章 光刻工艺概述
2014年11月5日2时34分
8.1 光刻技术的发展
５、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。
亮场
暗场
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第8章 光刻工艺概述
Fra Baidu bibliotek
2014年11月5日2时34分
亮场掩模版和暗场掩模版
Clear Field Mask Dark Field Mask
Simulation of metal interconnect lines (positive resist lithography)
Simulation of contact holes (positive resist lithography)
1:1 Mask 4:1 Reticle
2014年11月5日2时34分
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。
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Cross section of CMOS inverter
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PMOSFET
NMOSFET
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8.2 基本光刻工艺流程
工艺步骤
对准和曝光
目的 掩膜 / 图形
在掩膜版和图形在晶圆上 的精确对准和光刻胶的曝 光。负胶是聚合物
晶圆
光刻胶 氧化层
显影
去除非聚合的光刻胶
Photoresist
Shadow on photoresist
Photoresist Oxide Silicon substrate
Oxide Silicon substrate
Resulting pattern after the resist is developed. 23
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Linewidth
Space Photoresist
Thickness
Substrate
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8.2 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（？）。 暗场掩膜版主要用来 制作反刻金属互联线。
Window
Exposed area of photoresist
photoresist Photoresist oxide Oxide silicon substrate Silicon substrate oxide Oxide silicon substrate substrate Silicon
8.2 基本光刻工艺流程
工艺步骤 刻蚀 目的 将晶圆顶层通过光刻 胶的开口去除 晶圆
光刻胶 氧化层
光刻胶去除
从晶圆上去除光刻 胶层
氧化层
晶圆
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。
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正性光刻
Ultraviolet light Areas exposed to light are dissolved. Chrome island on glass mask Shadow on photoresist Island
photoresist Photoresist
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。
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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
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8.1 光刻技术的发展
8.1.1 集成电路制造工艺流程回顾
1、将一个纯度为99.9999%的硅 单晶棒切成硅片。
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。
晶圆
表面层 晶圆 图形层 晶圆
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8.1 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。 11
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8.2 基本光刻工艺流程
八步基本的光刻工艺
气相成底膜处理 曝光后烘焙
旋转涂胶
显影
软烘（前烘）
坚膜显影
对准和曝光
显影检查
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2014年11月5日2时34分 UV Light
HMDS
Resist

Mask

1) Vapor prime
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负性光刻
Ultraviolet light Chrome island on glass mask Areas exposed to light become crosslinked and resist the developer chemical. Exposed area of photoresist Island Window
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8.1 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。
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8.1 光刻技术的发展
低缺陷
一般集成电路的加工需要几十步甚至上百步工序，而在 其中光刻大概要占10~20次，每次光刻都要尽量避免缺 陷。
对大尺寸晶圆的加工
大尺寸的晶圆对光刻技术要求更为苛刻。
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8.1 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。
Mask pattern required when using negative photoresist (opposite of intended structure)
Mask pattern required when using positive photoresist (same as intended structure)
Resulting pattern after the resist is developed.
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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 Chrome Window Island of photoresist Substrate Quartz Island
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8.1 光刻技术的发展
9、对于图形矩阵的硅片进行适当 的切割、压焊，即成了封装好的 芯片。引出适合的电学外引线。
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8.1 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，它能在硅 片衬底上印制出亚微米尺寸的图形。
2) Spin coat
3) Soft bake
4) Alignment and Exposure
5) Post-exposure bake
6) Develop
7) Hard bake
8) Develop inspect
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8.1 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。
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8.1 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。
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8.1 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。
#2 栅掩膜
#1 阱掩膜
#3 接触 掩膜
#4 金属 掩膜 #5 PAD 掩膜
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Top view of CMOS inverter
The masking layers determine the accuracy by which 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.
2014年11月5日2时34分
8.1 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。
晶圆
光刻胶 氧化层
图形转移通过两步完成。首先，图形被转移到光刻胶层。光刻胶经过曝光 后自身性质和结构发生变化（由原来的可溶性物质变为非可溶性物质，或 者相反）。再通过化学溶剂（显影剂）把可以溶解的部分去掉，在光刻层 下就会留下一个孔，而这个孔就是和掩膜版不透光的部分相对应
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8.1 光刻技术的发展
6、下一步是制备晶体管的栅极、 淀积SiO2层并使之图形化（形成 栅氧化层）之后淀积多晶硅和重 掺杂多晶硅层，形成多晶硅栅。 多晶硅栅对源区和漏区之间流动 的电流起到象水龙头那样的“开” 和“关”的作用。
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第8章 光刻工艺概述
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第8章 光刻工艺概述
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8.2 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。