电子科大微电子工艺(第五章)光刻工艺
光刻工艺步骤介绍课件PPT
圆片低速渐静止或静止
喷显影液
圆片轻转（依靠圆片表面张力显影液在圆片表面停留一段时间）
较高速旋转（甩去圆片表面的显影液）
喷水旋转
加速旋转（甩干）
停止旋转并取片
显影后烘（坚膜）
圆片送回片架显影工艺完成
显影方式
显影方式 静态浸渍显影 圆片静止显影液喷在圆片表面，依靠圆片表面张
力使显影液停留在圆片上，圆片轻轻的转动，让显影液在圆片表 面充分浸润，一段时间后，高速旋转将显影液甩掉。如：SVG、 DNS、TEL设备。 旋转喷雾显影 圆片旋转由高压氮气将流经喷嘴的显影液打成微小 的液珠喷射在圆片表面，数秒钟显影液就能均匀地覆盖在整个圆 片表面。如：以前5寸SVG设备。 影响显影质量因素 显影时间 影响条宽控制精度 显影液的温度 影响显影的速率
曝光工艺流程 蚀工序就能将图形留在圆片上。
光刻工艺步骤实例-N-WELL的形成
高精度光刻图形与曝光光源有着直接的关系。
红其外中线 对 圆辐光片射刻加胶从热感片光起架主中要作取用出是波长为435. 预对位（找平边）
如：SVG、DNS、TEL设备。
圆片由机械手臂传输到载 片台（Stage）上
1光刻机自身的定位精度包括光学、机械、电子等系统的设计精度和热效应；
热板传导加热
基本原理：光刻工艺中最关键的工序它直接关系到光刻分辨率、留膜率、条宽控 制等。
2 硅片的加工精度和硅片在热加工氧化、扩散、注入、烘片等过程中的形变；
静态浸渍显影 圆片静止显影液喷在圆片表面，依靠圆片表面张力使显影液停留在圆片上，圆片轻轻的转动，让显影液在圆片表面充
分浸润，一段时间后，高速旋转将显影液甩掉。
基8n本m（原g理线：）光、刻3工65艺n流中m（最程i关线单键）的、上工24的序8n它批m直（号接DU关：V系远到紫光外刻线分）辨等率光、谱留线膜。率、条宽控 制等。
电子科大微电子工艺(第五章)光刻工艺
Example Viper defect clips
p
Hot Plate
Spin Station
光刻机
Track Robot
Developer dispenser
Hot Plate
Track
思考题： 如果使用了不正确型号的光刻胶进行光刻 会出现什么情况？
5.3 光学光刻
光学光刻是不断缩小芯片特征尺寸的主要限制因 素。 光源 光的能量能满足激活光刻胶，成功实现图形转移 的要求。光刻典型的曝光光源是紫外（UV ultraviolet）光源以及深紫外（DUV）光源、极 紫外（EUV）光源。 1.高压汞灯 2.准分子激光
美国的gca日本的canonnikon及荷兰的asml用较小的透镜尺寸获得较大的曝光场从而获得较大的芯片尺寸扫描过程调节聚焦透镜缺陷硅片平整度变化自动补偿步进扫描光刻机系统工作过程nsr2005i9c型nikon光刻机步进式序号性能参数参数要求分辨率045m焦深07m套刻精度110nm最大曝光面积2020mm曝光光强600mwcmnsr2005i9c型nikon光刻机主要性能指标nsr2005i9c型nikon光刻机光刻关键尺寸sem照片1nsr2005i9c型nikon光刻机光刻关键尺寸sem照片255硅片平坦化cmp减小表面的凹凸度显出边缘的相移层阻挡层1111硅片上光强上电场硅片上电场相移掩膜技术psm光学邻近修正级次衍射级次衍射针孔掩膜投影光学系统wafer离轴照明极紫外光刻技术示意图步进扫描承步进扫描4倍反射投影掩膜版大功率激光靶材料euv等离子多层涂层镜投影掩膜版的14图形真空腔电子束步进扫描静电透镜系统4
平均曝光 干涉增强 强度 过曝光 干涉相消 欠曝光
光刻胶表面
/nPR
衬底表面
光刻工艺的基本步骤
光刻工艺的基本步骤传统的光刻工艺是相对目前已经或尚未应用于集成电路产业的先进光刻工艺而言的，普遍认为193nm 波长的ArF 深紫外光刻工艺是分水岭（见下表）。
这是因为 193nm 的光刻依靠浸没式和多重曝光技术的支撑，可以满足从 0.13um至7nm 共9个技术节点的光刻需要。
光源与波段光波长应用技术节点紫外线（汞灯）g线436nm 0.5um以上i线365nm 0.35～0.25um深紫外线（DUV）KrF 248nm 0.25～0.13umArF 193nm 0.13um～7nmF2 157nm 无产业化应用等离子体极紫外线极紫外线（软X）13.5nm 7nm/5nm以下为了将掩模版（也称掩膜版）上的设计线路图形转移到硅片上，首先需要通过曝光工艺（俗称光刻）来实现转移，然后通过刻蚀工艺得到硅图形：由于光刻工艺区的照明采用的是感光材料不敏感的黄色光源，因此又称黄光区。
光刻技术最先应用于印刷行业，并且是早期制造 PCB 的主要技术。
自20世纪50年代起，光刻技术逐步成为集成电路芯片制造中图形转移的主流技术。
光刻工艺的关键指标包括分辦率、灵敏度、套准精度、缺陷率等。
光刻工艺中最关键的材料是作为感光材料的光刻胶，由于光刻胶的敏感性依赖于光源波长，所以g/i线、248nm KrF、193nm ArF 等光刻工艺需要采用不同的光刻胶材料，如i线光刻胶中最常见的重氮荼醌(DNQ）线性酚醛树脂就不适用于 193nm 光刻工艺。
光刻胶按极性可分为正光刻胶（简称正胶）和负光刻胶（简称负胶）两种，其性能差别在于：负光刻胶曝光区域在曝光显影后变硬而留在圆片表面，未曝光部分被显影剂溶解；正光刻胶经过曝光后，曝光区域的胶连状聚合物会因为光溶解作用而断裂变软，最后被显影剂溶解，而未曝光的部分则保留在圆片表面。
先进芯片的制造大都使用正光刻胶，这是因为正光刻胶能达到纳米图形尺寸所要求的高分辦率。
16nm/14nm 及以下技术代在通孔和金属层又发展出正胶负显影技术，将末经曝光的正光刻胶使用负显影液清洗掉，留下曝光的光刻胶，这种方法可提高小尺寸沟槽的成像对比度。
光刻工艺介绍
光刻工艺介绍一、定义与简介光刻是所有四个基本工艺中最关键的，也就是被称为大家熟知的photo，lithography，photomasking, masking, 或microlithography。
在晶圆的制造过程中，晶体三极管、二极管、电容、电阻和金属层的各种物理部件在晶圆表面或表层内构成，这些部件是预先做在一块或者数块光罩上，并且结合生成薄膜，通过光刻工艺过程，去除特定部分，最终在晶圆上保留特征图形的部分。
光刻其实就是高科技版本的照相术，只不过是在难以置信的微小尺寸下完成，现在先进的硅12英寸生产线已经做到22nm，我们这条线的目标6英寸砷化镓片上做到0.11um。
光刻生产的目标是根据电路设计的要求，生成尺寸精确的特征图形，并且在晶圆表面的位置正确且与其它部件的关联正确。
二、光刻工艺流程介绍光刻与照相类似，其工艺流程也类似：实际上，普通光刻工艺流程包括下面的流程：1)Substrate Pretreatment 即预处理，目的是改变晶圆表面的性质，使其能和光刻胶（PR）粘连牢固。
主要方法就是涂HMDS，在密闭腔体内晶圆下面加热到120℃，上面用喷入氮气加压的雾状HMDS，使得HMDS和晶圆表面的-OH健发生反应已除去水汽和亲水健结构，反应充分后在23℃冷板上降温。
该方法效果远比传统的热板加热除湿好。
2)Spin coat即旋转涂光刻胶，用旋转涂布法能提高光刻胶薄膜的均匀性与稳定性。
光刻胶中主要物质有树脂、溶剂、感光剂和其它添加剂，感光剂在光照下会迅速反应。
一般设备的稳定工作最高转速不超过4000rpm，而最好的工作转速在2000～3000rpm。
3)Soft Bake(Pre-bake)即软烘，目的是除去光刻胶中溶剂。
一般是在90℃的热板中完成。
4)Exposure即曝光，这也是光刻工艺中最为重要的一步，就是用紫外线把光罩上的图形成像到晶圆表面，从而把光罩上面的图形转移到晶圆表面上的光刻胶中。
看懂光刻机-光刻工艺流程详解
看懂光刻机-光刻工艺流程详解看懂光刻机:光刻工艺流程详解半导体芯片生产主要分为IC 设计、IC 制造、IC 封测三大环节。
IC 设计主要根据芯片的设计目的进行逻辑设计和规则制定，并根据设计图制作掩模以供后续光刻步骤使用。
IC 制造实现芯片电路图从掩模上转移至硅片上，并实现预定的芯片功能，包括光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨等步骤。
IC 封测完成对芯片的封装和性能、功能测试，是产品交付前的最后工序。
芯片制造核心工艺主要设备全景图光刻是半导体芯片生产流程中最复杂、最关键的工艺步骤，耗时长、成本高。
半导体芯片生产的难点和关键点在于将电路图从掩模上转移至硅片上，这一过程通过光刻来实现，光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。
芯片在生产中需要进行20-30 次的光刻，耗时占到IC 生产环节的50%左右，占芯片生产成本的1/3。
光刻工艺流程详解光刻的原理是在硅片表面覆盖一层具有高度光敏感性光刻胶，再用光线（一般是紫外光、深紫外光、极紫外光）透过掩模照射在硅片表面，被光线照射到的光刻胶会发生反应。
此后用特定溶剂洗去被照射/未被照射的光刻胶，就实现了电路图从掩模到硅片的转移。
光刻完成后对没有光刻胶保护的硅片部分进行刻蚀，最后洗去剩余光刻胶，就实现了半导体器件在硅片表面的构建过程。
光刻分为正性光刻和负性光刻两种基本工艺，区别在于两者使用的光刻胶的类型不同。
负性光刻使用的光刻胶在曝光后会因为交联而变得不可溶解，并会硬化，不会被溶剂洗掉，从而该部分硅片不会在后续流程中被腐蚀掉，负性光刻光刻胶上的图形与掩模版上图形相反。
在硅片表面构建半导体器件的过程正性光刻与负性光刻相反，曝光部分的光刻胶会被破坏从而被溶剂洗掉，该部分的硅片没。
光刻机的光刻工艺流程
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1. 衬底准备。
清洁衬底去除污染物和颗粒。
施加光阻剂，形成一层对光敏感的薄膜。
光刻过程ppt课件
曝光后烘
玻璃转化温度Tg 烘烤温度大于Tg 光刻胶分子热迁移 过曝光和曝光不足的光刻胶分子重排 平衡驻波效应, 平滑光刻胶侧壁提高分辨率
硅片冷却
PEB后，显影前，硅片放置在冷却板上冷 却至环境温度 高温会加速化学反应引起过显影 光刻胶CD变小
显影
显影液溶解部分光刻胶 正胶显影液通常使用弱碱性的溶剂 最常用的是四甲基氢铵 将掩膜上的图形转移到光刻胶上 三个基本步骤:显影－清洗－干燥
显影后烘
使光刻胶中的溶剂蒸发 提高抗刻蚀和抗离子注入性 提高光刻胶和硅片表面的黏附性 聚合化并稳定光刻胶 光刻胶流动填平针孔
图形检查
不合格的硅片将被去除光刻胶返工 –光刻胶的图形是临时性的 –刻蚀和注入后的图形是永久的. 光刻是可以返工的 刻蚀和注入后不能返工 光学显微镜 扫描电子显微镜(SEM)
硅片冷却
需要冷却到环境温度 硅片在冷却板上冷却 硅的热膨胀率:2.5×10-6/°C 对于8英寸硅片,改变1°C引起0.5微米的直 径差
对准和曝光
接触式曝光：分辨率较高，但是容易造成掩膜版和光刻 胶膜的损伤。 接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙 (10～25m)，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低 投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影 到衬底上，优点：掩模版与晶片不接触，掩模不受损伤； 对准是观察掩模平面上的反射图像，不存在景深问题；掩 模版上的图形是通过光学技影的方法缩小，并聚焦于感光 胶膜上，掩模版上可以有比实际尺寸大得多的图像(通常 掩模图形的尺寸是实际尺寸的1～10倍)，提高了对准精度， 避免了微细图形制作的困难，也减弱了灰尘微粒的影响。 缺点：投影系统光路复杂,对物镜成像能力要求高。
电子科大微电子工艺复习提纲
第三章 掺杂——离子注入
学习内容： 1. 离子注入概念及目的。 2. 离子注入工艺原理、参数及注入浓度分布。 3. 离子注入效应。 4. 离子注入设备。 5.离子注入的应用。 学习要求： 1. 掌握离子注入的概念及目的，与扩散工艺相比较离子注入
扩散的工艺目的主要是形成P－N结。结深是杂质扩散浓度 分布曲线与衬底掺杂浓度曲线的交点的位置。
6. 恒定表面源扩散杂质分布特征。 恒定表面源扩散，杂质分布满足余误差函数分布
a. 杂质表面浓度由该种杂质在扩散温度下的固溶度所决定。 当扩散温度不变时，表面杂质浓度维持不变
b. 扩散时间越长，扩散温度越高，则扩散进入硅片内的杂质 总量就越多
答：a.栅氧化层，用作MOS管栅和源漏之间的介质。 b.场氧化层，用于同型MOS管之间的电隔离。 c.掺杂阻挡层，作为扩散或注入杂质到硅中的掩蔽材料。 d.注入屏蔽氧化层，用于减小注入沟道效应和注入损伤。 e.垫氧化层，做氮化硅缓冲层以减小应力。 f.阻挡层氧化层，保护有源器件和硅免受后续工艺的影响
答：(1)初始状态时已有0.1μm的氧化层 初始时间τ ＝ ( t2ox + Atox ) / B = 0.3 h 120τ分=0钟.3h氧代化入后，，得氧to化x=0硅.4总73厚um度：t2ox＋Atox＝B(t + τ)，t=2h， 120分钟氧化的SiO2厚度为：0.473-0.1=0.373um (2) 120分钟内水汽氧化中所消耗的硅的厚度 0.373 ×0.45＝0.168um
11. 已知线性－抛物线性模型为：t2ox＋Atox＝B(t + τ)。其中， tox为硅片上生长的SiO2总的厚度(μm)；B为抛物线速率系数 (μm2/h)；B/A为线性速率系数(μm/h)；τ为生成初始氧化层所 用的时间(h)。假如硅片在初始状态时已有100nm的氧化层。 计算 (1) 在120分钟内，920℃水汽氧化过程中生长的SiO2的厚 度。(2) 在120分钟内水汽氧化中所消耗的硅的厚度是多少？ 已知：在920℃下，A=0.50μm，B=0.20μm2/h。
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丙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐PGMEA 乙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐EGMEA
光刻胶作用： 1. 将掩膜版图案转移到硅片表面顶层的光刻胶中；入阻挡层）
三、软烘
工艺目的： 1.将光刻胶中溶剂挥发去除 2.改善粘附性、均匀性、抗蚀性 3.优化光刻胶光吸收特性 4.缓和在旋转过程中胶膜内产生的应力
Wafer Heater
Vacuum
热板
Heated N 2
MW Source Photoresist
Wafers
Heater
对流烘箱
Chuck
Wafer
光刻胶成分：
1. 树脂（是一种有机聚合物材料，提供光刻 胶的机械和化学特性） 2. 感光剂（光刻胶材料的光敏成分） 3. 溶剂（使光刻胶具有流动性） 4. 添加剂（控制光刻胶特殊方面的化学物质， 备选）
光刻工艺对光刻胶的要求：
1.分辨率高（区分硅片上两个相邻的最小特征尺 寸图形的能力强）
2.对比度好（指曝光区和非曝光区过渡的陡度）
传统负性I线光刻胶
1. 树脂是悬浮于溶剂中的聚异戊二烯橡胶聚合物 2. 曝光使光敏感光剂释放出氮气 3. 释放出的氮气产生自由基 4. 自由基通过交联橡胶聚合物（不溶于显影液）使光刻胶聚合
深紫外（DUV）光刻胶
1. 具有保护团的酚醛树脂使之不溶于显影液 2. 光酸产生剂在曝光时产生酸 3. 曝光区域产生的酸作为催化剂，在曝光后热烘过程中移除树脂保护团 4. 不含保护团的光刻胶曝光区域溶解于以水为主要成分的显影液
第五章 光刻
学习目标：
光刻基本概念 负性和正性光刻胶差别 光刻的8个基本步骤 光刻光学系统 光刻中对准和曝光的目的 光刻特征参数的定义及计算方法 五代光刻设备
5.1 引言
光刻是把掩膜版上的电路图形超精确地转移到涂 覆在硅片上的光刻胶膜上，为后续刻蚀或离子注 入提供掩蔽膜，以完成图形的最终转移的工艺过 程。
Vacuum
微波烘箱
四、对准和曝光
工艺目的： 对准和曝光是将掩膜板上的图形通过镜头由紫外 光传递到涂有光刻胶的硅片上, 形成光敏感物质的 空间精确分布，从而实现精确的图形转移。
对准——同轴和离轴对准系统
曝光
对准标记
对准标记
1. 投影掩膜版的对位标记(RA) ：在版的左右两 侧， RA与步进光刻机上的基准标记对准 2. 整场对准标记(GA):第一次曝光时被光刻在硅 片左右两边，用于每个硅片的粗对准 3. 精对准标记(FA)：每个场曝光时被光刻的，用 于每个硅片曝光场和投影掩膜版的对准
工艺过程： 1.分滴 2.旋转铺开 3.旋转甩掉 4.溶剂挥发 5.去除边圈
Wafer
PR
EBR
Drain
SSoollvveenntt
分滴
Chuck
PPRR ssuucckk bbaacckkExPnnohRozazzduzlilsesetpenser
Vacuum
WWaaffeerr
旋转铺开 旋转甩掉 溶剂挥发 去除边圈
7.颗粒少
旋转涂胶参数 光刻胶厚度∝1/(rpm)1/2
传统正性I线光刻胶
1. 树脂是悬浮于溶剂中的酚醛甲醛聚合物 2. 感光剂化合物作为强的溶解抑制剂（不溶解于显影液）被加到线性酚 醛树脂中 3. 在曝光过程中，感光剂（通常为DNQ）发生光化学分解产生羟酸 4. 羟酸提高光刻胶曝光区域的线性酚醛树脂的溶解度
光刻是集成电路制造的关键工艺
一、光刻技术的特点
产生特征尺寸的关键工艺； 复印图像和化学作用相结合的综合性技术； 光刻与芯片的价格和性能密切相关，光刻成本占
整个芯片制造成本的1/3。
二、光刻三个基本条件
掩膜版 光刻胶 光刻机
掩膜版（Reticle或Mask）的材质有玻璃 版和石英版，亚微米技术都用石英版，是 因为石英版的透光性好、热膨胀系数低。 版上不透光的图形是金属铬膜。
不可溶解而保留
未曝光区域显影后溶解
正性光刻胶 负性光刻胶
传统胶片相机正片 传统胶片相机负片
光刻三个基本条件——光刻机
光刻机
传统相片放大机
三、光刻技术要求 光源
分辨率，是将硅片上两个相邻的特征尺寸图形 区分开的能力。
套准精度，掩膜版上的图形与硅片上的图形的 对准程度。按照光刻的要求版上的图形与片上 图形要精确对准。
PR Film Substrate
（a）对比度差
PR Film Substrate
（b）对比度好
3.敏感度好（是指硅片表面光刻胶中产生良好 图形所需要的一定波长光的最小能量值，以 mJ/cm2为单位）
4.粘滞性好（表征液体光刻胶流动性的一个指 标，即粘度，单位用cps表示）
5.粘附性好（指光刻胶与衬底表面的粘附性好） 6.抗蚀性好（在后续刻蚀工艺中，光刻胶很好 地保护衬底表面，胶的这种性质称为抗蚀性）
工艺宽容度，工艺发生一定变化时，在规定范 围内仍能达到关键尺寸要求的能力。
5.2 光刻工艺步骤及原理
光刻工艺的八个基本步骤
一、气相成底膜 二、旋转涂胶 三、软烘 四、对准和曝光 五、曝光后烘培（PEB） 六、显影 七、坚膜烘培 八、显影检查
光刻工艺的八个基本步骤 涂胶
曝光
显影
检查
一、气相成底膜
Mask
Reticle
传统相机底片
光刻三个基本条件——光刻胶PR(PhotoResist)
正性光刻胶
硅片上图形与掩膜版一样 曝光区域发生光学分解反应，在显影液中软化
溶解而去除掉
未曝光区域显影后保留
负性光刻胶
硅片上图形与掩膜版相反 曝光区域发生光学交联反应硬化，在显影液中
工艺目的：增加光刻胶与硅片的粘附性。 工艺过程：
1. 在气相成底膜之前，硅片要进行化学清洗、甩 干以保证硅片表面洁净。 2. 用N2携带六甲基二硅胺烷（HMDS）进入具有 热板的真空腔中，硅片放在热板上，形成底膜。
脱水烘干
HMDS成膜
二、旋转涂胶
工艺目的：在硅片表面涂上液体光刻胶来得到一 层均匀覆盖层。
工艺过程：
1.上掩膜版、硅片传送 2. 掩膜版对准（ RA ）（掩膜版标记与光刻机基准