现代半导体器件物理与工艺

投影式曝光
对遮蔽式曝光，最小线宽（临界尺寸）可用下式表示
lCD g
其中，λ是曝光光源的波长，g是掩模版与晶片间的间隙距离。当λ与g 减小时，可以得到lCD缩小的优势。然而，当给定一个g，任何大于g的微 尘粒子都会对掩模版造成损坏。
一个投影系统的分辨率可以表示为
lm
k1
DNA
λ是光源波长，k1为与工艺有关的参数，DNA是数值孔径。 DNA的定义为
一般而言，一组完整的IC工艺流程包含10-20道不同的掩模版。
标准尺寸的掩模版衬底由15× 10cm2、0.6cm厚的融凝硅土制成。掩模 版尺寸是为了满足4:1与5:1的曝光机中透镜透光区域的尺寸。厚度的要 求是避免衬底扭曲而造成图案位移的错误。融凝硅土衬底则利用其热膨 胀系数低，对短波长光的透射率高与高机械强度。
光学曝光方法：遮蔽式曝光和投影式曝光。 遮蔽式曝光：可分为掩模版与晶片直接接触的接触式曝光和二者紧密相 邻的接近式曝光。若有尘埃或硅渣嵌入掩模版中，将造成掩模版永久性 损坏，在后续曝光的晶片上形成缺陷。
投影式曝光：在掩模版与晶片间有一距离，10-50um。但这一间隙会在掩 模版图案边缘造成光学衍射。导致分辨率退化。
YeNDA
10道掩模版的成品率，每道 掩模版中包含不同缺陷密度 所产生的影响
抗蚀剂
抗蚀剂是对光敏感的化合物，依其对光照的反应分成正性和负性。 正性抗蚀剂：被曝光的区域将变得较易溶解，可以在显影步骤时较容易 被去除。所产生的图案将会与掩模版上的图案一样。 负性抗蚀剂：被曝光区域的抗蚀剂将变得较难溶解，所产生的图案与掩 模版上的相反。
传统掩模版的透光区的电场是相同的，由于衍射与分辨率使得晶片上的 电场分散开来。相邻缝隙的衍射使得光被干涉而增强缝隙间的电场强度。 因此两个投影的像若太接近，就不容易分辨出来。
相移掩模版（PSM）是将相移层覆盖于相邻的缝隙上，使得电场反相。 要反相，使用一透明层，厚度满足：
IC掩模版
缺陷密度是掩模版好坏的主要原因之一。掩模版缺陷可能在制造掩模版 时或是接下来的图形曝光工艺步骤中产生。即使是一个很小的掩模版缺 陷密度都会对IC的成品率产生很大的影响。成品率的定义是：每一晶片 中正常的芯片数与中芯片数之比。若取一级近似，某一层掩模版与成品 率Y之间的关系式为
YeDA
D为每单位面积致命缺陷的平均数；A为IC芯片的面积。若D对所有的掩模版层 都是相同值（如N＝10层），则最后成品率为
英制系统等级数值是每立方 英尺中直径大于或等于0.5 um的尘埃粒子总数不准超 过设计等级数值。
公制系统等级数值是每立方 米中直径大于或等于0.5um 的尘埃粒子总数不准超过设 计等级数值（以指数计算， 底数为10）。
光刻机
光刻机的性能由三个参数判断：分辨率、套准精度与产率。 分辨率：能精确转移到晶片表面抗蚀剂膜上图案的最小尺寸； 套准精度：后续掩模版与先前掩模版刻在硅片上的图形相互对准的程度； 产率：对一给定的掩模版，每小时能曝光完成的晶片数量。
在集成电路制造中，主要的图形曝光设备是利用紫外光[λ=0.2-0.4μm]的 光学仪器。主要讨论曝光装置、掩模版、抗蚀剂与分辨率。
在IC制造中必须要求洁净的厂房， 特别是图形曝光的工作区域，因为 尘埃可能会粘附于晶片或掩模版上 造成器件的缺陷从而是电路失效。
尘埃粒子在掩模版图案上 所造成的不同腐蚀的影响
正性抗蚀剂包括：感光化合物、树脂基材和有机溶剂；曝光后，曝光区 的感光化合物因吸光改变了本身的化学结构而可以溶解于显影液中。 负性抗蚀剂包括：聚合物和感光化合物合成。曝光后，感光化合物吸收 光变成化学能而引起聚合物链反应，是聚合物分子发生交联，变得难溶 解于显影液中。缺点：显影中抗蚀剂吸收显影液而膨胀，限制了分辨率。
ET E1
1
γ值越大，即表示曝光能量增加时，抗蚀剂溶解度增加越快，可得陡峭的图形。
正性和负性抗蚀剂
三层抗蚀剂的工艺步骤
图案转移
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
相关的图案转移工艺还有剥离与浮脱技术。
1、旋涂抗蚀剂 2、曝光 3、显影 4、淀积金属膜 5、浸泡腐蚀液中
分辨率增加技术
在IC工艺中，提供较佳的分辨率、较深的聚焦深度 与较广的曝光宽容度 一直是光学图形曝光系统发展的挑战。已经可以用缩短光刻机的波长与 发展新的抗蚀剂来克服。另外，开发了新的技术，如相移掩模版。
这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域，如离子注入、接触窗与 压焊垫区。而由图形曝光所形成的抗蚀剂图案，并不是电路器件的最终 部分，而只是电路图形的印模。为了产生电路图形，这些抗蚀剂图案不 像再次转移至下层的器件层上。这种图案转移是利用腐蚀工艺，选择性 地将未被抗蚀剂掩蔽的区域除去。
光学图形曝光－洁净室
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。
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。
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。
ln
现代半导体器 件物理与工艺
Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices
图形曝光与光刻
图形曝光与刻蚀
图形曝光（lithography）是利用掩模版（mask）上的几何图形，通过光 化学反应，将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜层上（光致抗 蚀剂、光刻胶、光阻）的一种工艺步骤。
DNAnsin
N是影像介质的折射率，θ是圆锥体光线聚于晶片上一点的半角度值。其 聚焦深度为
lD O F ta lm n/2 slim n /2k2D N A
简单的成像系统
由于有较高的光强度与稳定度，高压汞灯被广泛用作曝光光源。
掩模版
用于IC制造的掩模版通常为缩小倍数的掩模版。掩模版的第一步为设计 者用CAD系统完整地将版图描绘出来。然后将CAD得到的数据信息传送 到电子束图形曝光的图形产生器。再将图案直接转移至对电子束敏感的 掩模版上。掩模版是由融凝硅土的基底覆盖一层铬膜组成。电路图案先 转移至电子敏感层进而转移至底下的铬膜层，掩模版便完成了。