微电子材料-第三章-20181016
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2018年深圳大学材料学院本科生课程
微电子材料与制程
第三章 光刻及光刻材料
3.1 微电子制造流程
微电子工业就是用微米级、纳米 级的加工技术，生产出来各种各 样的半导体分立器件和集成电路， 微电子材料是微电子工业重要的 物质基础。
2
3.源自文库 微电子制造流程
三极管的结构
二氧化硅
e
b
N 发射区
P 基区 N 集电区
16
3.4 光刻胶
光刻胶是长链聚合物，酚醛树脂基化合物是IC制造中最常用的光刻胶的 主要成分。胶中通常有三种成分，即树脂或基体材料、感光化合物 （PAC）、溶剂、添加剂。PAC是抑制剂，感光前，抑制光刻胶在显影 液中的溶解。感光后，起化学反应，增加了胶的溶解速度。
17
3.4 光刻胶
光刻胶的类型 显影后图形与掩膜版相反。凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的 照射下，以交联反应为主的光刻胶称为 负性光刻胶，简称 负胶。负胶在 曝光后，使聚合物发生交联，在显影液中溶解变慢。
显影后图形与掩膜版相同。凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的 照射下，以降解反应为主的光刻胶称为 正性光刻胶，简称 正胶。正胶在 感光时，曝光对聚合物起断链作用，使长链变短，使聚合物更容易在显影 液中溶解。
18
3.4 光刻胶
两种光刻胶的性能
显影液：
正胶：典型的正胶显影液为碱性水溶液，如： 25%的四甲 基氢氧化氨[TMAH--NH4（OH）4] 水溶液。
晶体管就绪：至此，晶体 管已经基本完成。在绝缘 材(品红色)上蚀刻出三个 孔洞，并填充铜，以便和 其它晶体管互连。
抛光：将多余铜抛光掉， 也就是磨光晶圆表面。
铜层：电镀完成后，铜离 子沉积在晶圆表面，形成 一个薄薄的铜层。
电镀：在晶圆上电镀一层
硫酸铜，将铜离子沉淀到
晶体管上。
7
3.1 微电子制造流程
负胶：典型的负胶显影液为二甲苯。
正胶和负胶的工艺温度： 1. 正胶 前烘：90°C，20分；坚膜：130 °C，30分。 2. 负胶 前烘：85 °C，10分；坚膜：140 °C，30分；
过高的前烘温度，将会使光刻胶的光敏剂失效。
8
3.1 微电子制造流程
9
3.2 光刻技术重要性
10
3.2 光刻技术重要性
11
3.2 光刻技术重要性
• IC制造中最重要的工艺 • 占用40 to 50% 芯片制造时间 • 成本占IC制造成本达1/3 • 决定着芯片的最小特征尺寸 • 光刻材料：光刻胶、掩膜版
12
3.3 光刻技术原理
光刻：利用照相复制与化学腐蚀相结合的技术，在工件表面制取精密、微细和 复杂薄层图形的化学加工方法。多用于半导体器件与集成电路的制作。
封装：封装级别，20毫米/1英寸。衬底 (基片)、内核、散热片堆叠在一起，就形 成了我们看到的处理器的样子。衬底(绿色) 相当于一个底座，并为处理器内核提供电 气与机械界面，便于与PC系统的其它部分 交互。散热片(银色)是负责内核散热。
单个内核：内核级别， 从晶圆上切割下来的 单个内核
丢弃瑕疵内核：晶圆级别，测 试过程中发现的有瑕疵的内核 被抛弃，留下完好的准备进入 下一步。
13
3.3 光刻技术原理
光刻基本原理 利用光刻胶感光后因光化学反应而形成耐蚀性的特点，与化
学腐蚀相结合，将掩模板上的图形刻制到被加工表面上。
14
3.3 光刻技术原理
在集成电路制造中，利用光刻胶图形作为保护膜，对选定区域进行刻蚀， 或进行离子注入，形成器件和电路结构。
15
3.4 光刻胶
光学曝光过程中，为了将掩模上的图形转移到圆片上，辐 照必须作用在光敏物质上，该光敏物质必须通过光照，改 变材料性质，使在完成光刻工艺后，达到转移图形的目的。 该光敏物质称为光刻胶。 • 传统I线光刻胶（I线紫外波长365nm，0.35μmCD） • 深紫外（DUV）光刻胶（248nm，0.25μmCD） • 深紫外光刻胶的化学放大（193nm，0.18μmCD）
c
3
3.1 微电子制造流程
4
3.1 微电子制造流程
硅是地壳内第二丰富的元素，而 脱氧后的沙子(尤其是石英)最多 包含25%硅元素，以二氧化硅 (SiO2)的形式存在，这也是半导 体制造产业的基础。
硅熔炼：通过多步净化得到 可用于半导体制造质量的电 子级硅 通过硅净化熔炼得到 大晶体硅锭。
单晶硅锭：整体基本 呈圆柱形，重约100 千克，硅纯度 99.9999%。
暴露出来的晶圆部分，而剩
下的光刻胶保护着不应该蚀
刻的部分。
6
3.1 微电子制造流程
离子注入：在真空系统中，用要 掺杂的原子的离子照射(注入)固 体材料，从而在被注入的区域形 成特殊的注入层，并改变这些区 域硅的导电性。
清除光刻胶：离子注入完 成后，光刻胶也被清除， 而注入区域(绿色部分)也 已掺杂，注入了不同的原 子。注意这时候的绿色和 之前已经有所不同。
金属层：在不同晶体管之间 形成复合互连金属层，具体 布局取决于相应处理器所需 要的不同功能性。芯片表面 看起来异常平滑，但事实上 可能含20多层复杂的电路。
晶圆测试：内核级别，图 中是晶圆的局部，正在接 受第一次功能性测试，使 用参考电路图案和每一块 芯片进行对比。
晶圆切片(Slicing)：晶圆 级别，将晶圆切割成块， 每一块就是一个处理器的 内核(Die)
溶解光刻胶：光刻过程中 曝光在紫外线下的光刻胶 被溶解掉，清除后留下的 图案和掩模上的一致。
光刻胶：再次浇上光刻胶(蓝色 部分)，然后光刻，并洗掉曝光 的部分，剩下的光刻胶用来保 护不会离子注入的那部分材料。
清除光刻胶：蚀刻完成 后，光刻胶全部清除后 就可以看到设计好的电 路图案。
蚀刻：使用化学物质溶解掉
光刻胶(Photo Resist)： 晶圆旋转可以让光刻胶铺 的非常薄、非常平。
晶圆抛光及氧化：晶圆经 过抛光后变得几乎完美无 瑕，氧化后可得到介质层。
硅锭切割：横向切割成圆 形的单个硅片，也就是我 们常说的晶圆(Wafer)。
5
3.1 微电子制造流程
光刻：光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线 (UV)之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下 机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设 计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就 会形成微处理器的每一层电路图案。
微电子材料与制程
第三章 光刻及光刻材料
3.1 微电子制造流程
微电子工业就是用微米级、纳米 级的加工技术，生产出来各种各 样的半导体分立器件和集成电路， 微电子材料是微电子工业重要的 物质基础。
2
3.源自文库 微电子制造流程
三极管的结构
二氧化硅
e
b
N 发射区
P 基区 N 集电区
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3.4 光刻胶
光刻胶是长链聚合物，酚醛树脂基化合物是IC制造中最常用的光刻胶的 主要成分。胶中通常有三种成分，即树脂或基体材料、感光化合物 （PAC）、溶剂、添加剂。PAC是抑制剂，感光前，抑制光刻胶在显影 液中的溶解。感光后，起化学反应，增加了胶的溶解速度。
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3.4 光刻胶
光刻胶的类型 显影后图形与掩膜版相反。凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的 照射下，以交联反应为主的光刻胶称为 负性光刻胶，简称 负胶。负胶在 曝光后，使聚合物发生交联，在显影液中溶解变慢。
显影后图形与掩膜版相同。凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的 照射下，以降解反应为主的光刻胶称为 正性光刻胶，简称 正胶。正胶在 感光时，曝光对聚合物起断链作用，使长链变短，使聚合物更容易在显影 液中溶解。
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3.4 光刻胶
两种光刻胶的性能
显影液：
正胶：典型的正胶显影液为碱性水溶液，如： 25%的四甲 基氢氧化氨[TMAH--NH4（OH）4] 水溶液。
晶体管就绪：至此，晶体 管已经基本完成。在绝缘 材(品红色)上蚀刻出三个 孔洞，并填充铜，以便和 其它晶体管互连。
抛光：将多余铜抛光掉， 也就是磨光晶圆表面。
铜层：电镀完成后，铜离 子沉积在晶圆表面，形成 一个薄薄的铜层。
电镀：在晶圆上电镀一层
硫酸铜，将铜离子沉淀到
晶体管上。
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3.1 微电子制造流程
负胶：典型的负胶显影液为二甲苯。
正胶和负胶的工艺温度： 1. 正胶 前烘：90°C，20分；坚膜：130 °C，30分。 2. 负胶 前烘：85 °C，10分；坚膜：140 °C，30分；
过高的前烘温度，将会使光刻胶的光敏剂失效。
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3.1 微电子制造流程
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3.2 光刻技术重要性
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3.2 光刻技术重要性
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3.2 光刻技术重要性
• IC制造中最重要的工艺 • 占用40 to 50% 芯片制造时间 • 成本占IC制造成本达1/3 • 决定着芯片的最小特征尺寸 • 光刻材料：光刻胶、掩膜版
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3.3 光刻技术原理
光刻：利用照相复制与化学腐蚀相结合的技术，在工件表面制取精密、微细和 复杂薄层图形的化学加工方法。多用于半导体器件与集成电路的制作。
封装：封装级别，20毫米/1英寸。衬底 (基片)、内核、散热片堆叠在一起，就形 成了我们看到的处理器的样子。衬底(绿色) 相当于一个底座，并为处理器内核提供电 气与机械界面，便于与PC系统的其它部分 交互。散热片(银色)是负责内核散热。
单个内核：内核级别， 从晶圆上切割下来的 单个内核
丢弃瑕疵内核：晶圆级别，测 试过程中发现的有瑕疵的内核 被抛弃，留下完好的准备进入 下一步。
13
3.3 光刻技术原理
光刻基本原理 利用光刻胶感光后因光化学反应而形成耐蚀性的特点，与化
学腐蚀相结合，将掩模板上的图形刻制到被加工表面上。
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3.3 光刻技术原理
在集成电路制造中，利用光刻胶图形作为保护膜，对选定区域进行刻蚀， 或进行离子注入，形成器件和电路结构。
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3.4 光刻胶
光学曝光过程中，为了将掩模上的图形转移到圆片上，辐 照必须作用在光敏物质上，该光敏物质必须通过光照，改 变材料性质，使在完成光刻工艺后，达到转移图形的目的。 该光敏物质称为光刻胶。 • 传统I线光刻胶（I线紫外波长365nm，0.35μmCD） • 深紫外（DUV）光刻胶（248nm，0.25μmCD） • 深紫外光刻胶的化学放大（193nm，0.18μmCD）
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3.1 微电子制造流程
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3.1 微电子制造流程
硅是地壳内第二丰富的元素，而 脱氧后的沙子(尤其是石英)最多 包含25%硅元素，以二氧化硅 (SiO2)的形式存在，这也是半导 体制造产业的基础。
硅熔炼：通过多步净化得到 可用于半导体制造质量的电 子级硅 通过硅净化熔炼得到 大晶体硅锭。
单晶硅锭：整体基本 呈圆柱形，重约100 千克，硅纯度 99.9999%。
暴露出来的晶圆部分，而剩
下的光刻胶保护着不应该蚀
刻的部分。
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3.1 微电子制造流程
离子注入：在真空系统中，用要 掺杂的原子的离子照射(注入)固 体材料，从而在被注入的区域形 成特殊的注入层，并改变这些区 域硅的导电性。
清除光刻胶：离子注入完 成后，光刻胶也被清除， 而注入区域(绿色部分)也 已掺杂，注入了不同的原 子。注意这时候的绿色和 之前已经有所不同。
金属层：在不同晶体管之间 形成复合互连金属层，具体 布局取决于相应处理器所需 要的不同功能性。芯片表面 看起来异常平滑，但事实上 可能含20多层复杂的电路。
晶圆测试：内核级别，图 中是晶圆的局部，正在接 受第一次功能性测试，使 用参考电路图案和每一块 芯片进行对比。
晶圆切片(Slicing)：晶圆 级别，将晶圆切割成块， 每一块就是一个处理器的 内核(Die)
溶解光刻胶：光刻过程中 曝光在紫外线下的光刻胶 被溶解掉，清除后留下的 图案和掩模上的一致。
光刻胶：再次浇上光刻胶(蓝色 部分)，然后光刻，并洗掉曝光 的部分，剩下的光刻胶用来保 护不会离子注入的那部分材料。
清除光刻胶：蚀刻完成 后，光刻胶全部清除后 就可以看到设计好的电 路图案。
蚀刻：使用化学物质溶解掉
光刻胶(Photo Resist)： 晶圆旋转可以让光刻胶铺 的非常薄、非常平。
晶圆抛光及氧化：晶圆经 过抛光后变得几乎完美无 瑕，氧化后可得到介质层。
硅锭切割：横向切割成圆 形的单个硅片，也就是我 们常说的晶圆(Wafer)。
5
3.1 微电子制造流程
光刻：光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线 (UV)之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下 机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设 计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就 会形成微处理器的每一层电路图案。