半导体制造技术光刻工艺

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光刻的基本概念
光刻就是利用光刻胶的感光性和耐蚀性，在 各种薄膜上复印并刻蚀出与掩摸版完全对应的几 何图形。以实现选择性掺杂和金属布线的目的。 是一种非常精细的表面加工技术，在芯片生产过 程中广泛应用。光刻精度和质量将直接影响器件 的性能指标，同时也是影响制造成品率和可靠性 的重要因素。光刻过程如图所示
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1:1 Mask
4:1 Reticle
Photo 13.1
光Baidu Nhomakorabea掩膜版和投影掩膜版
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光
谱
掩膜版上的图形转移到光刻胶上，是通过光 能激活光刻胶完成的。典型光能来自是紫外(UV) 光源，能量的传递是通过光辐射完成的。为了使 光刻胶在光刻中发挥作用，必须将光刻胶制成与 特定的紫外线波长有化学反应光刻胶。 紫外线一直是形成光刻图形常用的能量源， 并会在接下来的一段时间内继续沿用（包括0.1µm 或者更小的工艺节点的器件制造中）。 电磁光谱用来为光刻引入最合适的紫外光谱 ，如图 13.3所示。对于光刻中重要的几种紫外光 波长在表 13.1 中列出。大体上说，深紫外光（ DUV）指的是波长在300nm以下的光。
光刻制程 有薄膜的晶圆 或 负胶工艺留岛 正胶工艺开孔 -
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光刻是一种多步骤的图形转移过程，首先是在 掩膜版上形成所需要的图形，之后通过光刻工艺把 所需要的图形转移到晶园表面的每一层。 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，不能溶解的光刻胶就构成了一个图形 （硅片上的器件、隔离槽、接触孔、金属互联线等 ），而这些图形正好和掩膜版上的图形相对应。形 成的光刻胶图形是三维的，具有长、宽、高物理特 征（见下图）。
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套 准 精 度
光刻要求硅片表面上存在的图形与掩膜版上的 图形准确对准，这种特征指标就是套准精度。对准 十分关键是因为掩膜版上的图形要层对层准确地转 移到硅片上（见图13.4）。因为每一次光刻都是将 掩膜版上的图形转移到硅片上，而光刻次数之多， 任何一次的套准误差都会影响硅片表面上不同图案 间总的布局宽容度。这种情况就是套准容差。大的 套准容差会减小集成密度，即限制了器件的特征尺 寸，从而降低IC性能。 除了对图形对准的控制，在工艺过程中的缺陷 水平的控制也同样是非常重要的。光刻操作步骤的 数目之多和光刻工艺层的数量之大，所以光刻工艺 是一个主要的缺陷来源。
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第 13 章
光刻:气相成底膜到软烘
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学 习 目 标
1.了解光刻的基本概念，包括工艺概述、 关键尺寸划分、光谱、分辨率、工艺宽 容度等； 2.讨论正性胶和负性胶的区别； 3.了解光刻的8个基本步骤； 4.讨论光刻胶的物理特性； 5.解释软烘的目的，并说明它在生产中如 何完成；
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可见
γ射线
X-射线
20
UV
红外线
微波
12
无线电波
10
f (Hz)
(m)
10 10
22
10 10
10 10
18
10 10
-8
16
10 10
-6
14
10 10
-4
10 10
-2
10 10 0
8
10 10 2
6
10 10 4
4
-14
-12
-10
(nm)
157
N
金属化及光刻
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工艺宽容度
光刻工艺中有许多工艺是可变量。例如，设 备设定、材料种类、人为操作、机器性能，还有 材料随时间的稳定性等诸多内容都存在可变因素 。工艺宽容度表示的是光刻始终如一地处理符合 特定要求产品的能力。目标是获得最大的工艺宽 容度，以达到最大的工艺成品率。 为了获得最大的工艺宽容度，设计工程师在 版图设计时要充分考虑工艺过程所存在的可变因 素，在制造过程中，工艺工程师也可通过调整工 艺参量以实现最高的制造成品率。对于光刻，高 的工艺宽容度意味着在生产过程中，即使遇到所 有的工艺发生变化，但只要还在规定的范围内， 也就能达到关键尺寸的要求。
193
248
365 i
405 436 h g
VUV DUV DUV
在光学光刻中常用的UV波长 Figure 13.3 电磁光谱的片段
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表13.1 光刻曝光的重要UV波长
UV 波长(nm) 436 405 365 248 193 157 波长名 g-line h-line i-line Deep UV (DUV) Deep UV (DUV) Vacuum UV (VUV) UV 发射源 汞灯 汞灯 汞灯 汞灯或氟化氪（KrF）准分子激光 氟化氩 (ArF)准分子激光 氟 (F2)准分之激光
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线宽
间距 光刻胶
厚度
Substrate
Figure 13.2 光刻胶的三维图形
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掩 膜 版
掩膜版有投影掩膜版和光掩膜版之分。投影掩 膜版 (reticle) 是一块包含了要在硅片上重复生成 图形的石英版，这种图形可能只有一个管芯，或者 是几个。光掩膜版（ photomask ）通常也称为掩膜 版（mask），是包含了对于整个芯片来说确定一层 工艺所需的完整管芯阵列的石英板。由于在图形转 移到光刻胶中光是最关键的因素之一，所以光刻有 时被称为光学光刻。 对于复杂的集成电路，可能需要30块以上的掩 膜版用于在硅片上形成多层图形。每一个掩膜版都 有独一无二的图形特征，它被置于硅片表面并步进 通过整个硅片来完成每一层。
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#2 栅掩膜 #1 阱掩膜
Top view of CMOS inverter
#3 接触 掩膜
#4 金属 掩膜
PMOSFET
#5 PAD 掩膜
NMOSFET
Cross section of CMOS inverter
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Figure 13.4
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CMOS 掩模版分解图
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SiO2 N P-SUB N P-SUB
P-SUB
N 阱光刻及注入
氧化
隔离氧化及光刻
N
P
N P-SUB 栅氧化、多晶硅生长及光刻 P-SUB N
N
P-SUB
N型注入区掩模及注入
P型注入区掩模及注入
N P-SUB 氧化及引线孔光刻 P-SUB