复旦大学微电子工艺 VLSI-04第四讲 光刻(上) (1)
微电子学概论4章工艺
4.2 氧化 SiO2的用途 （1）选择扩散的掩蔽 （2）电容介质 （3）引线的绝缘层 （4）表面保护
4.2 氧化：形成SiO2氧化膜
绝缘膜：电容，２层布线，栅介质 掺杂掩蔽 做法：（1）干氧 （2）湿氧
进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图
图形转换：光刻
光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机
光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、 基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体 光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化 学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液 中的溶解特性改变
离子注入
离子注入：将具有很高能量的杂质离子射入 半导体衬底中的掺杂技术，掺杂深度由注 入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度 由注入杂质离子的数目(剂量)决定
掺杂的均匀性好 温度低：小于600℃ 可以精确控制杂质分布 可以注入各种各样的元素 横向扩展比扩散要小得多。 可以对化合物半导体进行掺杂
化学汽相淀积(CVD)
掺杂工艺：扩散、离子注入
扩
散
替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：
Ⅲ、Ⅴ族元素 一般要在很高的温度(950～1280℃)下进行 磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均 远小于在硅中的扩散系数，可以利用氧化 层作为杂质扩散的掩蔽层
间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：
Na、K、Fe、Cu、Au 等元素 扩散系数要比替位式扩散大6～7个数量级
微电子学概论 第4章
集成电路工艺
内
材料工艺 前工艺 光刻 氧化 掺杂 化学淀积 金属化 隔离 后工艺
容
系 统 需 求
设计
掩膜版
芯片制 造过程
单晶、外
延材料
芯片检测
封装
测试
硅片
由氧化、淀积、离子注入或蒸 发形成新的薄膜或膜层
光刻工艺流程和步骤
光刻工艺流程和步骤下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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1. 掩膜板制作。
设计和制造包含电路图形的掩膜板。
光刻工艺培训教程
光刻工艺培训教程光刻工艺是半导体制造中非常重要的一环，它通过光刻胶和光刻机等工具，将芯片设计图案显影到硅片上。
本文将为大家介绍一些光刻工艺的基本知识和培训教程，帮助大家更好地理解和掌握光刻工艺。
一、光刻胶光刻胶是光刻过程中最关键的材料之一，负责将芯片设计图案转移到硅片上。
常见的光刻胶有正胶和负胶两种。
正胶是根据光敏化剂的特性，在曝光后变性，形成湿润的胶层，通过显影后去除未曝光的部分，形成芯片的图案。
负胶则正好相反，曝光后未显影的部分形成了硬质胶，而显影后的部分被去除，形成芯片图案。
二、光刻机光刻机是将芯片设计图案显影到硅片上的关键设备。
光刻机工艺中的几个重要的工作步骤包括：底部对位，涂覆光刻胶，预烘烤，曝光，显影，清洗等。
其中，曝光是最核心的一步，通过光照的方式将芯片图案显影到硅片上。
三、光刻工艺步骤1.底片准备：底片要经过化学清洗，去除表面杂质，并在光刻胶附着的表面形成胶层的底板。
2.光刻胶涂覆：将准备好的光刻胶均匀涂覆在底片上，通常采用自旋涂覆的方式。
3.烘烤：将涂覆好光刻胶的底片放入烘烤炉中，通过高温烘烤，除去溶剂使胶层在底片上形成均匀的薄膜。
4.曝光：将底片放入光刻机中进行曝光，将芯片设计图案转移到胶层上。
曝光需要准确控制光源的强度和时间。
5.显影：使用合适的显影剂将未曝光部分的光刻胶去除，显现出想要芯片图案。
6.清洗：使用溶剂清洗去除显影后剩余的胶层和其他杂质。
7.检测：对显影后的芯片进行质量检测，确保芯片图案的质量和精确性。
四、光刻现场操作光刻工艺的实际操作需要在无尘室中进行，保证整个过程的工艺纯净性。
操作人员需要穿着特定的防静电服，并且使用无尘环境下的特殊工具和设备。
操作时需要严格按照工艺流程进行，并且进行各个步骤的记录和检查，确保工艺的可控性和稳定性。
五、光刻工艺注意事项1.要严格在无尘室环境下操作，避免因为杂质的干扰对芯片的影响。
2.每一步操作都需要精确控制，避免因为操作失误导致整个工艺的失败。
复旦集成电路工艺课件-05
一般， g线和i线胶的对比度在2～3，而DUV胶的对比 度为5～10。
依赖于工艺参数，如：显影液、前烘时间、曝光后及
坚膜的温度，光源波长和硅片的表面形貌等
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (下)
局部曝光区域决定图形的陡直度
6/41
f
2、临界调制传递函数CMTF (critical modulation transfer function)：胶分辨图形所需的 最小光学传递函数MTF。
18/41
光源
NGL: X射线(5Å)，电子束(0.62Å)，离子束(0.12 Å)
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (下)
19/41
248 nm
193 nm
157 nm
13.5 nm
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (下)
2、Reducing resolution factor k1
Wmin g
投影式（远场衍射）：分辨率、 焦深、MTF、不相干度S
R k1 NA
掩模版制作 光刻机工作模式： 接触式，接近式，投 影式（扫描式，步进 式，步进扫描式）
DOF k2
( NA)2
光刻胶：正胶/负胶 光刻胶的组成 i线/g线（PAC） DUV（PAG）
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (下)
30/41
45, 32, 22 nm Technology nodes 全氟聚烷基醚油
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (下)
微电子工艺之光刻技术
三、光刻机（曝光方式）
②特点 避免了掩膜版与硅片表面的摩擦延长了掩膜版的 寿命。 掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多，克服了 小图形制版的困难。 消除了由于掩膜版图形线宽过小而产生的光衍 射效应以及掩膜版与硅片表面接触不平整而产生 的光散射现象
三、光刻机（曝光方式）
③基本参数 分辨率R=k1λ/NA 焦深DOF=k2λ/(NA)2 焦深:沿着光通路，硅片可移动并能保持图形聚焦的移 动距离。 K1和k2为与系统有关的常数。 提高分辨率方法：λ↓及 NA↑。 但 NA↑，DOF ↓ 例，取λ＝365nm，NA＝0.4，则DOF＝2.3 μm NA＝0.6，则DOF＝1 μm,
四、光刻蚀工艺流程
②光刻Al的硅片 在丙酮中，水浴15分钟，烘干，再涂胶。 ⅱ）对涂胶的要求：粘附良好，均匀，薄厚适当 胶膜太薄－针孔多，抗蚀性差； 胶膜太厚－分辨率低（分辨率是膜厚的5－8倍） ⅲ）涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂√ 2.前烘 ①目的：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥， 增加胶膜与SiO2 （Al膜等）的粘附性及耐磨性。
三、光刻机（曝光方式）
④1:1扫描投影光刻机（美国Canon公司）
三、光刻机（曝光方式）
⑤分步重复投影光刻机--Stepper DSW:direct-step-on-wafer ⅰ）原理： 采用折射式光学系统和4X~5X的缩小透镜. 曝光场：一次曝光只有硅片的一部分，可以大大 提高ＮＡ(0.7)，并避免了许多与高NA有关的聚 焦深度问题，加大了大直径硅片生产可行性。 采用了分步对准聚焦技术。
二、光刻版（掩膜版）
制版程序：绘制版图→数据转换成图形发生器的 专用文件（CIF文件、PG文件）→驱动和控制图 形发生器，以一定的间距和布局，将掩膜图形印 制于掩膜材料上，进而制备出批量生产用的掩膜 版。 根据使用的光刻机，掩膜可以与最后完成的芯片 上的图形有同样的尺寸或是该尺寸的整数倍，后 者在曝光时掩膜上的图形被缩小。通常缩小倍数 为4和5。
微电子工艺学课件_4
第四章加工环境与基片清洗4.1概述4.2 环境净化4.3 硅片清洗4.4 吸杂4.5 测量方法2局部光散射栅氧化层完整性≫≫ITRS Roadmap成品率每百分之一的提升都有巨大价值！Y randomY systematic Y total 起步阶段20％80％16％上升阶段80％90％72％成熟阶段90％95％86％影响成品率的因素：5!!!......................................¾e负二项模型聚集因子¾微粒金属离子化学物质细菌污染物静电缺陷从哪里来？缺陷：Life time killers1. ¾所有可以落在硅片表面的微小颗粒1 μm2 μm 30μm 100 μm烟尘尘埃指纹印人类毛发最关心颗粒尺寸：可在空气中长时间悬浮¾可移动离子污染物Fe, Cu, Ni,Fe, Cu, Ni,每10亿单位中金属杂质Sodium（Na）50 Potassium（K）50 Iron（Fe）50 Copper（Cu）60 Nickel （Ni）60 Aluminium（Al）60 Magnesium（Mg）60 Lead（Pb）60 Zinc（Zn）60某光刻胶去除剂金属杂质含量与氢原子发生电荷交换，和硅结合而被束缚在其表面。
硅片表面氧化时，进入氧化例write, read 漏放电的峰值电流静电荷在两物体间未经控制地传递，可能损坏芯片；电荷积累产生的电场会吸引带电颗粒或极化并吸引如何控制污染、降低缺陷密度？4.2ISO, FS209E洁净度等级对照19个/M3≥0.5umISO14644-1(1999)US209E(1992)US209D(1988)EECGGMP(1989)FRANCEAFNOR(1981)GERMANYVDI2083(1990)JAPANJAOA(1989)13.520210.0M135.33M1.5113100M23534M2.51024 1,000M33,5305M3.5100A+B4,00035 10,000M435,3006M4.51,0001,00046 100,000M5353,0007M5.510,000C400,00057 1,000,000M63,530,0008M6.5100,000D4,000,00068 10,000,000M7空气洁净大于或等于表中粒径的最大浓度限值(pc/m3)度等级(N)0.1um0.2um0.3um0.5um1um5um11022 （光刻、制版）100241043 （扩散、CVD）10002371023584 （封装、测试）1000023701020352835 （单晶制备）1000002370010200352083229 61000000237000102000352008320293 7352000832002930 8352000083200029300 9352000008320000293000空气初级过滤器鼓风机亚高效过滤器高效过滤器排放口收集口出风口洁净环境洁净室局部净化垂直层流式水平层流式乱流式净化工作台净化通道局部微环境垂直层流式水平层流式乱流式净化工作台净化通道局部微环境洁净室（clean room）:泛指集成电路和其它微电子22231、屋顶：复杂的封闭式结构，有两种类型：a. 轧制铝支架加现场制作的静压箱／风道；b. 预制的整体式静压箱／风道加支架。
复旦大学微电子学专业特色的挖掘与拓展
复旦大学微电子学专业特色的挖掘与拓展摘要：复旦大学微电子学专业拥有悠久的历史，形成了“基础与专业结合，研究与应用并重，创新人才培养国际化”特色。
在教育部第二批高等学校特色专业建设中，通过课程体系的完善、课程建设及培养方法的改进和创新两方面的努力，复旦大学微电子学专业的特色得到挖掘和拓展。
关键词：特色专业建设；复旦大学；微电子学；创新人才培养复旦大学“微电子学与固体电子学”学科有半个多世纪的深厚积累。
20世纪50年代，谢希德教授领导组建了全国第一个半导体学科，培养了我国首批微电子行业的中坚力量。
60年代研制成功我国第一个锗集成电路。
1984年，经国务院批准设立微电子与固体电子学学科博士点，1988年、2001年、2006年被评为国家重点学科。
所在一级学科于1998年获首批一级博士学位授予权，设有独立设置的博士后流动站和长江特聘教授岗位，建有“专用集成电路与系统”国家重点实验室，1998年和2003年被列入“211”工程建设学科，2000年被定为“复旦三年行动计划”重中之重学科得到学校重点支持，2005年获“985工程”二期支持，建设“微纳电子科技创新平台”。
长期以来复旦大学微电子学教学形成了“基础与专业结合，研究与应用并重，创新人才培养国际化”特色。
近年来，在教育部第二批高等学校特色专业建设中，我们根据国家和工业界对集成电路人才的要求，贯彻“国际接轨、应用牵引、注重质量”的教学理念，制定了复旦大学“微电子教学工作三年计划大纲”并加以实施，在高端创新人才培养方面对专业教学的特色开展了深层的挖掘和拓展。
一、课程体系的完善和课程建设微电子技术的高速发展要求微电子专业课程体系在相对固定的框架下不断加以更新和完善。
我们设计了“复旦大学微电子学专业本科课程设置调查表”，根据对于目前工作在企业、大学和研究机构的专业人士的调查结果，制定了新的微电子学本科培养方案。
主要修改包括：（1）加强物理基础、电路理论和通信系统课程。
光刻工艺步骤介绍
光刻工艺步骤介绍光刻工艺是半导体工艺中关键的步骤之一，它用于制造各种微细结构，如晶体管、光栅、电容或电阻等。
光刻工艺具有高分辨率、高精度和高可重复性的特点，被广泛应用于微电子、光电子、光伏等领域。
下面将对光刻工艺的步骤进行详细介绍。
1.掩膜设计：在光刻工艺中，需要首先进行掩膜设计。
掩膜是一种光刻胶的图形模板，确定了最终要形成的微细结构的形状和位置。
掩膜设计常用计算机辅助设计软件进行，设计完成后生成掩膜模板。
2.光刻胶涂覆：在光刻工艺中，需要将光刻胶均匀涂覆在待制作器件表面，这是为了保护器件表面免受光刻过程中的腐蚀或损伤。
涂覆一般使用旋涂机或喷涂机进行，确保光刻胶均匀薄膜的形成。
3.预烘烤：涂覆光刻胶后，需要进行烘烤步骤来消除光刻胶中的溶剂，使光刻胶能够形成均匀的薄膜层。
预烘烤也有助于增加光刻胶的附着力和稳定性，并使其更容易与待制作器件表面结合。
4.曝光：曝光是光刻工艺的核心步骤，也是形成微细结构的关键。
在曝光过程中，掩膜模板被置于光源下，通过透过模板的局部区域将光刻胶暴露于紫外线或可见光源。
光刻胶对光线的敏感性使其在接受曝光后发生化学或物理变化，形成暴光区域。
曝光完毕后，去除掩膜模板。
5.显影：显影是指将曝光后的光刻胶通过溶液处理，使其在暴露区域溶解去除，形成所需的微细结构。
显影液对未曝光区域没有任何溶解作用，所以它只会溶解曝光区域中的光刻胶。
显影的时间和温度需要根据光刻胶的特性和所需结构来进行控制。
6.后烘烤：显影后的光刻胶需要进行后烘烤，以固化和增加其机械强度。
后烘烤可以通过烤箱、烘干机或者其他热源进行。
在烘干的过程中，通过将温度升高，光刻胶中的溶剂会完全挥发并交联，形成具有所需形状和特性的微细结构。
7.检查和测量：制作微细结构后，需要对其进行检查和测量，以确保其满足设计规格。
常见的检查和测量方法有光学显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜等，这些设备可以对微细结构的尺寸、形状和位置等进行分析和评估。
光刻原理培训教材
硅片截面
光刻工艺的简介
均匀胶层（正胶） 表面生长氧化层
硅片截面
光刻班进行加工的片子， 都必须经过的步骤-匀胶。 上图中为2道匀胶机
光刻工艺的简介
紫外线曝光灯
均匀胶层（正胶） 表面生长氧化层
硅片截面
图中为光刻班的核心加工设备 -光刻机。 经过上版、版对准、上片、片 对准后执行曝光。将掩膜图形 复印到硅片表面的胶层上
正胶：本身是难溶于正胶显影液的物质。而被紫外线照射 过的胶层会变为易溶，经正胶显影液显影后，会被 溶解去除。 负胶：与正胶相反，本身就是易溶于负胶显影液的物质。 而被紫外线照射后的胶层会变为难溶，能够抵抗负 胶显影液的显影。未曝光的胶层会被溶解去除。
光刻胶 假设如下情景：
紫外线光源
掩膜（不透光）
匀过负胶的硅片
表面生长氧化层
硅片截面
光刻胶
光刻胶：是一种具有感光成像功能的混合物， 其溶质为有用成分，具有抗蚀能力。使用时， 用匀胶机均匀的涂在硅片的表面。胶层在经过 紫外线照射时会发生化学性质的改变，经过显 影后部分胶层被溶解，这样就承载了掩膜版上 的图形。
光刻胶
根据光刻胶溶质感光性的差异，将光刻胶分为正性光刻胶 和负性光刻胶，以下简称正胶和负胶。
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光刻的意义
光刻是半导体芯片加工中的关键工序！
光刻确定了器件的关键尺寸。 光刻过程中的错误可造成图形歪曲或套准不好，最终可转化 为对器件的电特性产生影响。 图形的错位也会导致类似的不良结果。 光刻工艺中的另一个问题是缺陷。光刻是高科技版本的照相 术，只不过是在微小尺寸下完成。在制程中缺陷会因为多次 光刻而被会放大，大大降低成品率。
4寸：接触式一次曝光
微电子工艺——光刻技术.ppt
例：转速 5000 r/min，时间 30 sec，膜厚 1.0 m 。 4、前烘（软烘） 目的是去除光刻胶中的大部分溶剂和稳定胶的感光特性。
5、曝光
6、显影
将曝光后的硅片放到显影液中。对于负胶，显影液将溶解 掉未曝光区的胶膜；对于正胶，显影液将溶解曝光区的胶膜。 几乎所有的正胶都使用碱性显影液，如 KOH 水溶液。
oxide
基本工艺
• Step 5: 去除光刻胶:
– Step 5A: 去胶
• S胶iO时2、碳S被iN还、原多析晶出硅，等微非小金的属碳材粒料会一污般染采衬用底浓表硫面酸，去因胶而。必由须于在浓浓硫硫酸酸去 中 3:加1 入H2O2等强氧化剂，使碳被氧化为CO2溢出。浓硫酸与H2O2的比值为
• 酸性腐蚀液对铝、铬等金属具有较强的腐蚀作用，因此金属衬底的去 胶需要专门的有机去胶剂。通常这类去胶剂中加入了三氯乙烯作为涨 泡剂，因此去胶后要用三氯乙烯和甲醇进行中间清洗，由于去胶液和 三氯乙烯都是有毒物质，处理比较困难
涂胶设备
• 动态移动臂分配 （ Dynamic Moving Arm Dispense ）
涂胶设备
Resist Dispenser
– 光刻胶厚度的控制:
• 光刻胶黏度
• 旋涂速度
• 温度 • 湿度
Vacuum Chuck
• 废气流
Hollow Shaft
To House Vacuum
涂胶的问题
1985 年以前，几乎所有光刻机都采用 g 线 (436 nm) 光源， 当时的最小线宽为 1 m 以上。1985 年以后开始出现少量 i 线 (365 nm) 光刻机，相应的最小线宽为 0.5 m 左右。从 1990 年开 始出现 DUV 光刻机，相应的最小线宽为 0.25 m 左右。从1992 年起 i 线光刻机的数量开始超过 g 线光刻机。截止到 1998 年 ， g 线、i 线和 DUV 光刻机的销售台数比例约为 1：4：2。
光刻工艺简要流程介绍
光刻工艺简要流程介绍光刻工艺是半导体制造过程中十分关键的一环，用于在芯片表面形成各种图案。
下面是一份简要的光刻工艺流程介绍，具体内容如下：1.掩膜设计：光刻工艺开始时，需要先设计掩膜，即在电路设计的基础上绘制出芯片需要制造的图案。
掩膜设计是根据电路原理图进行的，可以确定各种电子元件的位置和电路连接方式。
2.掩膜制备：制作掩膜时，通常使用光刻机对一层感光剂进行曝光。
曝光时，掩膜上的图案通过透明部分的光线照射到感光剂上，使其发生化学变化，产生可溶解或不可溶解性。
3.前处理：在真正开始光刻之前，需要进行一些前处理步骤，以确保芯片表面的净化和平整。
这些步骤包括清洗、清除表面残留的污染物和平整化表面。
前处理对于之后的光刻步骤的精确度和一致性非常重要。
4.光刻涂胶：将光刻胶涂覆在芯片表面上，以形成一层均匀的涂层。
光刻胶通常是一种感光性物质，能够在曝光后保留图案的细节。
5.烘焙：涂胶后，需要将芯片放入烘箱中进行烘焙。
烘焙的主要目的是将涂胶材料固化，并使其在曝光时更好地保持细节。
6.曝光：在光刻机中，将掩膜放置在芯片上方，并通过透射或反射光线照射到芯片表面上的涂覆层上。
光线会通过掩膜上的透明区域，使涂覆层中的光刻胶发生物理或化学变化。
这会形成图案的正负影像。
7.显影：曝光后，通过显影过程将曝光过的光刻胶部分溶解掉，以暴露出芯片表面的物质。
显影剂通常是酸性或碱性溶液，可以选择性地溶解光刻胶的已曝光部分。
8.清洗：为了去除掩膜和涂胶过程中可能残留在芯片上的杂质，需要进行一次清洗步骤。
清洗是一个非常关键的步骤，可以确保芯片表面干净，并保证后续工艺步骤的准确性和可靠性。
9.检查和修复：完成光刻过程后，需进行检查，以确保图案制作的质量和完整性。
如果发现有任何缺陷或错误，需要进行修复或重新开始。
以上是一个简要的光刻工艺流程介绍。
光刻技术是半导体制造过程中非常重要的一项技术，为芯片制造提供关键的步骤，确保芯片的准确性和可靠性。
微电子工艺流程
微电子工艺流程微电子工艺流程是指在微电子器件的制造过程中，通过一系列的工艺步骤，将所需的材料和结构功能成功地加工在硅基片上，从而完成微电子器件的制造。
下面将介绍一个典型的微电子工艺流程。
首先，微电子工艺的第一步是准备硅基片。
硅基片是微电子器件的基础，需要在一定的工艺条件下制备出具有高纯度和高质量的硅片。
通常的制备方法包括从高纯度硅溶液中拉制单晶硅棒，然后将硅棒切割成一定厚度的硅片。
第二步是清洗硅基片。
经过切割的硅片表面可能被污染物污染，需要通过一系列的化学处理步骤，如浸泡在酸碱溶液中，去除表面的污染物和氧化层。
第三步是沉积薄膜。
在微电子器件的制造过程中，通常需要在硅基片上沉积一层或多层薄膜，用于构建电路、绝缘层或保护层。
常见的沉积方法包括化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和溅射等。
第四步是光刻。
光刻技术是微电子工艺中非常关键的步骤，利用光敏胶和光刻机，将设计好的芯片图案转移到硅基片上。
首先，将光敏胶喷涂在硅基片上，然后使用光刻机将光刻胶曝光，即使得光刻胶中的某些部分发生物理或化学变化，形成芯片图案。
接下来，通过化学溶解或蒸发去除未曝光部分的光刻胶，得到芯片图案的模板。
第五步是蚀刻。
通过蚀刻技术，将光刻胶遮盖的部分去除，显露出硅基片上被保护的区域。
常用的蚀刻方法有干法蚀刻和湿法蚀刻。
干法蚀刻是利用气体或等离子体与硅基片上的材料反应，将其逐层蚀刻。
湿法蚀刻是使用化学溶液，将硅基片表面的材料溶解掉。
第六步是电镀。
有时候，为了增加芯片的导电性或保护层的厚度，需要在硅基片上进行电镀。
电镀是通过电化学反应，在硅基片上沉积金属，如铜、镍等。
第七步是退火。
退火是将硅基片加热到一定温度，以改善材料的电子性能和结构稳定性。
退火的温度和时间可以根据具体芯片的要求来确定。
最后一步是测试和封装。
制造好的芯片需要进行一系列的测试，包括电性能测试和可靠性测试等。
对于通过测试的芯片，还需要进行封装，以便在实际应用中能够方便地连接到其他电子器件。
光刻过程图片解说(1)
1
光刻
1、基本描述和过程 2、光刻胶 3、光刻机 4、光刻工艺 5、新技术简介
2
光刻基本介绍
在硅片表面匀胶，然后将掩模版上的图形转移光刻 胶上的过程
将器件或电路结构临时“复制”到硅片上的过程。 光刻在整个硅片加工成本中几乎占三分之一。 光刻占40%到50%的流片时间。 决定最小特征尺寸。
显影,显影后烘,检查 用于65,45,and 32 nm的浸没式光刻,可达到22 nm NGL:离子束光刻和电子束光刻.
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UV光可破坏化学键 有机分子有长化学键结构 更易因UV引起损伤 UV光通常用于消毒杀菌 如果直视UV光源会伤害眼睛 有时需要戴防UV护目镜
55
小结
光刻:形成暂时性图形的模块 IC制程中最重要的模块 要求:高分辨率,低缺陷密度 光刻胶：正胶和负胶 步骤:前烘和前处理,匀胶,匀胶后烘,曝光,曝光后烘,
投影光刻机（扫描型）
17
18
步进光刻机
先进的IC 中最流行的光刻设备 高分辨率 0.25微米或以下 非常昂贵 掩膜图形尺寸5X：10X能够得到更好的分辨
率，但是，它的曝光时间是5X的四倍。曝 光时间和分辨率折中的结果。
19
光刻的基本步骤
20
硅片清洗
去除沾污 去除微粒 减少针孔和其他缺陷 提高光刻胶黏附性
30
去边(EBR)
光刻胶扩散到硅片的边缘和背面 在机械搬送过程中光刻胶可能回剥落成为
微粒 正面和背面去边EBR 正面光学去边EBR
31
32
匀胶后烘
使光刻胶中的大部分溶剂蒸发。 溶剂帮助得到薄的光刻胶膜但是吸收光且
影响黏附性 曝光后烘时间和温度取决于工艺条件 过烘:聚合,光敏性降低 后烘不足:影响黏附性和曝光
微电子技术中的光刻工艺是什么？
微电子技术中的光刻工艺是什么？在当今科技飞速发展的时代，微电子技术无疑是推动社会进步的关键力量之一。
而在微电子技术的众多环节中，光刻工艺占据着至关重要的地位。
那么，光刻工艺究竟是什么呢？要理解光刻工艺，我们首先得从微电子技术说起。
微电子技术，简单来说，就是使电子元器件和由它们组成的电子设备微型化的技术。
这其中包括了集成电路的设计、制造、封装等多个环节，而光刻工艺就是集成电路制造过程中的核心步骤之一。
光刻工艺的基本原理，就像是在微观世界里进行精细的“雕刻”。
想象一下，我们有一块平整的“基板”，类似于一张白纸，我们需要在这张白纸上精确地画出我们想要的图案。
在光刻工艺中，这个“图案”就是集成电路中各种电子元件的布局和连接线路。
具体的操作过程是这样的：首先，我们需要在基板上涂上一层叫做“光刻胶”的物质。
这层光刻胶就像是我们绘画时的画布，它对特定波长的光线非常敏感。
接下来，我们会使用一种叫做“光刻机”的设备，它能发出特定波长的光线，通过一系列复杂的光学系统，将预先设计好的集成电路图案投射到涂有光刻胶的基板上。
被光线照射到的光刻胶会发生化学变化，而没有被照射到的部分则保持不变。
然后，通过一系列的化学处理步骤，比如显影、蚀刻等，把被光线改变了性质的光刻胶部分去除掉，或者把没有光刻胶保护的基板部分蚀刻掉，从而在基板上留下我们所需要的图案。
这个图案就是集成电路的一部分，经过多次重复这样的光刻过程，就可以在基板上制造出完整的集成电路。
光刻工艺的精度对于集成电路的性能和集成度有着决定性的影响。
随着科技的不断进步，集成电路的集成度越来越高，这就要求光刻工艺能够实现更小的线宽和更高的分辨率。
在实际的光刻过程中，有很多因素会影响光刻工艺的精度和质量。
比如光刻机的性能、光刻胶的特性、曝光的时间和强度、环境的温度和湿度等等。
为了保证光刻工艺的稳定性和可靠性，工程师们需要对这些因素进行严格的控制和优化。
光刻机是光刻工艺中最为关键的设备之一。
复旦集成电路工艺课件-01
Physical gate length in nm
Gate
Drain
silicide metal
metal
Source
Year
Drain
channel
gate oxide
No complete technological solution available !!!
ITRS, the International Technology Roadmap for Semiconductors: /
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
IC技术发展历程 •1980s CMOS
40/43
•低功耗、散热 •集成度提高 •12～14块光刻版
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
最简单的IC CMOS工艺举例 反相器 或非门
41/43
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集成电路工艺原理
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言 简短回顾：一项基于科学的伟大发明
11/43
Bardeen, Brattain, Shockley, First Ge-based bipolar transistor invented 1947, Bell Labs. Nobel prize Kilby (TI) & Noyce (Fairchild), Invention of integrated circuits 1959, Nobel prize Atalla, First Si-based MOSFET invented 1960, Bell Labs. Planar technology, Jean Hoerni, 1960, Fairchild First CMOS circuit invented 1963, Fairchild ―Moore’s law‖ coined 1965, Fairchild Dennard, scaling rule presented 1974, IBM First Si technology roadmap published 1994, USA
复旦大学模拟集成电路课件
• 劣势
– – – – – 沟道电阻下降、跨导下降 阈值电压下降速度低于电源电压、信号幅度下降 噪声上升、动态幅度下降 更加非线性 更加偏离MOS的平方律电流特性、建模更难
模拟信号处理
• 首先确定系统中的模拟和数字部分的划分 • 系统分成三个模块
– 预处理模块：将模拟信号转变为数字信号 – 数字处理模块：数字信号处理(DSP) – 后加工模块：将数字信号转换为模拟信号
F(E) =
1 1 + e(E - E F )/kT
– 本征载流子浓度：
n i = 3.9 × 1016 T 3/2e -Eg0/2kT
室温下（300K）
n i = 1.45 × 1010 cm-3
T↑,
n i↑。 T每升高11度，Ni 为原来的2倍。
掺杂半导体的费米势
EC EF=e φF Ei Eg Ev
• 难以利用自动设计工具
模拟集成电路设计的特点
• 直观的设计
– 模拟设计的复杂性
• 在速度、功耗、增益、 精度、电源电压、线性度等因素间折中 • 噪声、串扰、电源电压下降、温度对性能的影响大 • 模拟电路二级效益的建模和仿真存在难题。仿真不能发现所有 设计问题 。
模拟集成电路设计步骤
电路设计
– 解决方法：直观和经验设计
系统中的模拟电路
• 预处理模块：
– 输入信号：传感器输出、语音信号、射频信号等 – 滤波器(filter)：根据采样原理，限制输入模数转换器的信 号带宽。 – 自动增益控制电路(AGC)：控制模数转换器的输入信号的 幅度，是一个可控增益放大器。 – 模数转换器(ADC或 A/D) ：将模拟信号转换为数字信号。 – 频率综合器或锁相环(PLL)：提供信号采样的精确时钟。
微电子工艺基础光刻工艺
第8章光刻工艺
二、光刻胶 3、前烘 （2）方法（根据热传递的三种方式）
① 烘箱烘烤 ② 热板处理 ③ 红外光照射
微电子工业基础
光刻2－预烘
脱水烘焙 去除圆片表面的潮气 增强光刻胶与表面的黏附性 通常大约100 °C 与底胶涂覆合并进行
微电子工艺基础
光刻2－底胶涂覆
增强光刻胶(PR)和圆片表面的黏附性 广泛使用: Hexamethyldisilazane (HMDS) 在PR旋转涂覆前HMDS蒸气涂覆 Usually performed in-situ with pre-bake PR涂覆前用冷却板冷却圆片
微电子工业基础
第8章光刻工艺
一、概述 4、光刻工艺步骤概述（**）
（1）图形转移的两个阶段 ② 图形从光刻胶层转移到晶圆层
微电子工业基础
4、光刻工艺步骤概述（**） （2）十步法
第8章 光刻工艺
一、概述
微电子工业基础
第8章 光刻工艺
二、光刻胶
1、光刻胶的组成、分类 2、光刻胶的参数 3、正负胶比较 4、电子抗蚀剂 5、X-射线抗蚀剂
微电子工业基础
第8章光刻工艺
二、光刻胶 3、正、负胶的比较
（1）正、负胶和掩膜版极性的结合（参见教材P131和P132）
掩模板的 图形是由 不透光的 区域决定
的
在掩膜板上 的图形是用 相反的方式 微电子编工码业的基础
第8章光刻工艺
二、光刻胶 3、正、负胶的比较
（2）负胶
负胶大多数由长链高分子有机物组成。 例如：由顺聚异戊二烯、对辐照敏感的交联剂以及溶剂组成的 负胶，响应波长330-430nm，胶膜厚度0.3-1μm，显影液是 有机溶剂如二甲苯等。曝光的顺聚异戊二烯在交联剂作用下交 联，成为体形高分子并固化，不再溶于有机溶剂构成的显影液， 而未曝光的长链高分子溶于显影液，显影时被去掉。
微电子工艺流程(PDF 44页)
5、去除氮化硅
• 将晶圆表面的氮化硅，利用干法刻蚀的方法 将其去除掉。
华中科技大学电子科学与技术系
6、P阱离子注入
• 利用离子注入的技术，将硼打入晶圆 中，形成P型阱。接着利用无机溶液， 如硫酸或干式臭氧（O3）烧除法将光刻 胶去除。
华中科技大学电子科学与技术系
7、P阱退火及氧化层的形成
3、淀积氮化硅
• 利用低压化学气相沉积（LPCVD）的技术， 沉积一层氮化硅，用来做为离子注入的mask 及后续工艺中，定义P型井的区域。
华中科技大学电子科学与技术系
4、P阱的形成
•将光刻胶涂在晶圆上之后，利用光刻技术， 将所要形成的P型阱区的图形定义出来，即将 所要定义的P型阱区的光刻胶去除掉。
1. 洁净室和清洗 2. 氧化和化学气相淀积 3. 光刻和腐蚀 4. 扩散和离子注入 5. 金属连接和平面化 三. 标准CMOS工艺流程
华中科技大学电子科学与技术系
1、初始清洗
• 初始清洗就是将晶圆放入清洗槽中，利用化学或物理的 方法将在晶圆表面的尘粒或杂质去除，防止这些杂初始 清洗就是将晶圆放入清洗槽中，利用化学或物理的方法 将在晶圆表面的尘粒或杂质去除，防止这些杂质尘 粒， 对后续的工艺造成影响，使得器件无法正常工作。
华中科技大学电子科学与技术系
18、利用氢氟酸去除电极区域的氧化层 • 除去氮化硅后，将晶圆放入氢氟酸化学
槽中，去除电极区域的氧化层，以便能 在电极区域重新成长品质更好的二氧化 硅薄膜，做为电极氧化层。
华中科技大学电子科学与技术系
19、电极氧化层的形成
• 此步骤为制做CMOS的关键工艺，利用 热氧化法在晶圆上形成高品质的二氧化 硅，做为电极氧化层。
复旦大学微电子工艺 VLSI-04第四讲 光刻(上) (1)
一般S＝0.5-0.7
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
26
光刻胶
光刻胶的作用：对于入射光 子有化学变化，通过显影， 从而实现图形转移。
负胶
灵敏度：单位面积的胶曝光 所需的光能量：mJ/cm2
正胶
烃基高分子材料 正胶分辨率高于负胶
IC主导
抗蚀性：刻蚀和离子注入
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总量子效率>>1，因此DUV胶的灵敏度有很大提高。 g线、i线光刻胶灵敏度为100 mJ/cm-2，DUV胶为20－40 mJ/cm-2
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
31
DUV胶化学增强的基本原理
聚合物长链
曝光 聚合物长链
INSOL INSOL PAG
聚合物长链
像平面远离孔径， 在孔径和像之间设 置镜头
1.22f
d
爱里斑
中心极大半径＝1.22f
d
INFO130024.01
集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
18
瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：
分辨率
点物S1的爱里斑中心恰好与另一个点物S2的爱里斑
边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。
S1
S2
可分辨
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
35
2、下层反射造成驻波，下层散射降低图像分辨率。
DUV胶—>ARC
g线和i线胶—>使 用添加剂，吸光并 降低反射，曝光后 显影前的烘烤也有 利于缓解其驻波现 象。
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半导体制造工艺_04光刻(上)综述
12
接触式、接近式光刻
数字图形
×4或×5投影光 刻版 投影式光刻
半导体制备工艺基础
第四章 光刻 (上)
×4或×5投影光刻版在 制版时容易检查缺陷 版上缺陷可以修补 蒙膜(pellicle)保护防止颗 粒玷污 光刻胶 10～15nmARC（antireflection coating） 80nmCr 熔融石英玻璃片
属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图 形，把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结 构,从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。
半导体制备工艺基础
第四章 光刻 (上) 集成电路的特征尺寸是否能够进一 步减小，也与光刻技术的进一步发展有 密切的关系。 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。
所谓特征尺寸（CD：characteristic dimension） 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。 通常我们所说的0.13m,0.09m工艺就是 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 光刻 (上)
4
光刻的要求
• 对光刻的基本要求： （1）高分辨率 （2）高灵敏度 （3）精密的套刻对准 （4）大尺寸硅片上的加工 （5）低缺陷
35
半导体制备工艺基础
第四章 光刻 (上)
36
半导体制备工艺基础
第四章 光刻 (上)
光刻胶的表征参数： 1、对比度：胶区分亮区和暗区的能力
37
mJ/cm2=mW/cm2×sec
半导体制备工艺基础
第四章 光刻 (上)
(1)曝光、显影后残存抗蚀剂的百分率与曝光能量有关。值得注意的是， 即使未被曝光，少量抗蚀剂也会溶解。 (2)当曝光能量增加，抗蚀剂的溶解度也会增加，直到阈值能量ET时，抗 蚀剂完全溶解。 (3)正抗蚀剂的灵敏度定义为曝光区域抗蚀剂完全溶解时所需的能量。除 ET外，另一称为反差比（γ）参数也用来表征抗蚀剂。
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
35
2、下层反射造成驻波，下层散射降低图像分辨率。
DUV胶—>ARC
g线和i线胶—>使 用添加剂，吸光并 降低反射，曝光后 显影前的烘烤也有 利于缓解其驻波现 象。
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
前烘后膜上树脂 : PAC＝1:1
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
28
负胶 (Negative Optical Photoresist)
当VLSI电路需分辨率达2 mm之前，基本上是采用负性光刻 胶。 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：
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
9
掩模版制作过程
12. Finished
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第四章 光刻原理 (上)
10
掩膜版的成品率Y: Y e ND0Ac
D0:单位面积缺陷数， Ac: 芯片面积， N: 掩膜版层数
INFO130024.01 接触式
INFO130024.01
集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
4
光刻的作用和目的
图形的产生和布局
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第四章 光刻原理 (上)
5
光刻的要求
分辨率（高） 曝光视场（大） 图形对准精度（高）——1/3最小特征尺寸 产率（throughput）（大） 缺陷密度（低）
10:1
5:1
1:1
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
14
DSW－direct step on wafer
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
15
曝光系统
接触式和接近 式——近场衍 射（Fresnel）
像平面靠近孔 径，二者之间 无镜头系统
sin
d 2f
NA
焦深
DOF
k2
( NA)2
NA，焦深
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
22
焦平面
焦深 光刻胶
IC技术中，焦深只有1mm，甚至更小
INFO130024.01
集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
23
调制传递函数MTF －－对比度
INFO130024.01
传统DNQ胶的问题： 12、、对汞于灯在<i线DU波V长波的段光输强出烈光吸强收不如i线和g线，因此化灵学敏增度强不光够刻胶 3、量子效率提高有限（最大为1，一般0.3)
PAG (photo-acid generator)
原理：入射光子与PAG分子反应，产生酸分子，在后续的
烘烤过程中，酸分子起催化剂作用，使曝光区域光刻胶改性
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
16
接触和接近式
Fresnel衍射理论适用 的间隔范围：
g
W2
g＝10 mm， ＝365 nm（i线）时，
Wmin2 mm
最小分辨尺寸
Wmin g
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17
投影式——远场衍 射（Fraunhofer）
✓DQ不溶于显影液，光刻胶在显影液中的溶解速率为 1－2 nm/sec ✓光照后，DQ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——典型显影液） 光照后，光刻胶在显影液中的溶解速度为100－200nm/s
c)溶剂 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。
×1掩膜版制作
接触式、接近式光刻
数字图形
×4或×5投影光 刻版
投影式光刻
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
8
电子束直写
✓×4或×5投影光刻版在 制版时容易检查缺陷
✓版上缺陷可以修补
✓蒙膜(pellicle)保护防止颗 粒玷污
高透明度（散射小） 热膨胀小
光刻胶
10～15nmARC（antireflection coating） 80nmCr 熔融石英玻璃片
净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂
净化级别 高效净化
杂质种类：颗粒、有机 物、金属、天然氧化层
本征吸杂和非本 征吸杂
强氧化
HF:DI H2O
INFO130024.01
集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
3
大纲
第一章 前言 第二章 晶体生长 第三章 实验室净化及硅片清洗 第四章 光刻 第五章 热氧化 第六章 热扩散 第七章 离子注入 第八章 薄膜淀积 第九章 刻蚀 第十章 后端工艺与集成 第十一章 未来趋势与挑战
INSOL INSOL 酸
聚合物长链
PEB
（曝 光 后
）烘 烤
SOL SOL
酸
酸
SOL INSOL
酸
酸
要求对于环境和工艺参数控制严格，PEB 温度控制在几分之一度。
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第四章 光刻原理 (上)
32
光刻胶的表征参数： 1、对比度：胶区分亮区和暗区的能力
mJ/cm2=mW/cm2×sec
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第四章 光刻原理 (上)
24
MTF Imax Imin Imax Imin
一般要求MTF>0.5 与尺寸有关
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第四章 光刻原理 (上)
25
MTF与光的部分相干度S
S增加，越来越不相干
S=
光源直径s 聚光镜直径d
或
S=
NA聚光光路 NA投影光路
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
33
对比度
1 ln( Df / D0 )
Df 即灵敏度
注意：g线和i线胶那样是靠光子一个一个曝光的， DUV胶不是。 DUV胶一旦反应开始，则会在催化作用 下，使反应进行到底。所以DUV胶从未曝光状态到完 全曝光状态的转变更为陡峭，即对比度更大。
Wmin g
光刻胶：正胶/负胶 光刻胶的组成
i线/g线（PAC） DUV（PAG）
✓套刻精度(alignment accuracy)
✓产率(throughput)
机械设计
✓……
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
21
焦深
为轴上光线到极限聚焦位置的光程差。根据瑞利判据：
/ 4 cos
很小时， / 4 [1 (1 2 / 2)] 2 / 2
100%
S1
恰可分辨
73.6%
S2
S1 S2
不可分辨
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
19
两个爱里斑之间的分辨率(瑞利判据):
理论计算人眼爱里斑~20mm 分辨率：100 mm
R＝1.22f
d
1.22f n(2 f sin )
0.61 n sin
数值孔径：收集衍射 光的能力。n为折射率
36
驻波对于光刻图形的影响
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
37
本节课主要内容
基于衍射理论的光刻原理
投影式（远场衍射）：分辨率、 焦深、MTF、不相干度S
掩模版制作
光刻机工作模式：
接触式，接近式，投 影式
R
k1
NA
DOF
k2
( NA)2
接触/接近式（近场衍射）:最小尺寸
NA nsin
分辨率
R
k1
NA
k1=0.6-0.8
提高分辨率：
NA，，k1
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
20
投影式
基本参数：
✓分辨率(resolution)
✓焦深(depth of focus) ✓视场(field of view)
光学系统决定
✓调制传递函数(MTF—modulation transfer function)
35％的成 本来自于 光刻工艺
图形转移技术组成：
•掩膜版/电路设计 •掩膜版制作 •光刻
光源 曝光系统 光刻胶
INFO130024.01
集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
6
空间图像
潜在图像
INFO130024.01
集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
7
掩膜版制作
CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形
像平面远离孔径， 在孔径和像之间设 置镜头
1.22f
d
爱里斑
中心极大半径＝1.22f
d
INFO130024.01
集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)
18
瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：
分辨率
点物S1的爱里斑中心恰好与另一个点物S2的爱里斑
边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。
S1
S2
可分辨
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集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (上)