半导体制造工艺基础教材

✓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
掩模版制作过程
12. Finished
成品率Y: D0:单位面积缺陷数， Ac: 芯片面积， N: 掩膜版层数
(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。
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。
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。
接触式
三种硅片曝光模式及系统
接近式
投影式
1:1曝光系统
步进投影式光刻机原理图 步进扫描光刻机
正光阻
負光阻பைடு நூலகம்
汞灯436nm (g线)和365nm (i线)光刻胶的组成
（正胶－positive photoresist, DNQ） a) 基底：树脂 是一种低分子量的酚醛树脂 (novolac, a polymer)
本身溶于显影液，溶解速率为15 nm/s。
b)光敏材料（PAC－photoactive compounds) 二氮醌 (diazoquinone, DQ)
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
• 1. 高分辨率
• 分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来 的能力，即对光刻工艺中可以达到的最小光刻图 形尺寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标志 之一。
• 随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越 细，对分辨率的要求也越来越高。
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。
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
• 4.大尺寸硅片的加工 • 提高了经济效益 • 但是要在大面积的晶圆上实现均匀的胶膜涂覆
，均匀感光，均匀显影，比较困难 • 高温会引起晶圆的形变，需要对周围环境的温
度控制要求十分严格，否则会影响光刻质量
5.低缺陷 缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷
光学图形曝光－洁净室
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。
前烘后膜上树脂 : PAC＝1:1
负胶 (Negative Optical Photoresist)
当VLSI电路需分辨率达2 m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：
a)对衬底表面粘附性好 b)抗刻蚀能力强 c)曝光时间短，产量高 d)工艺宽容度较高 （显影液稀释度、温度等） e)价格较低 （约正胶的三分之一）
负胶的组成部分：
a) 基底：合成环化橡胶树脂
负胶显影液
(cyclized synthetic rubber risin)
对光照不敏感，但在有机溶剂如甲苯和二甲苯中溶解很快
b) 光敏材料 PAC： 双芳化基 (bis-arylazide) 当光照后，产生交联的三维分子网络，使光刻胶在显
影液中具有不溶性。
✓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。
• 通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目 来表示。
• 2.高灵敏度
• 灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高产量, 要求光刻周期越短越好，这就要求曝光时间越短 越好，也就要求高灵敏度。
• 3.精密的套刻对准
• 集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，每 次光刻都要相互套准。
• 由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，因此 ，对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸 的10％左右。
IC主导
抗蚀性：刻蚀和离子注入
正性光刻胶受光或紫外线照射后感光的部 分发生光分解反应，可溶于显影液，未感光的 部分显影后仍然留在晶圆的表面
负性光刻胶的未感光部分溶于显影液中，而 感光部分显影后仍然留在基片表面。
正胶：曝光前不可溶，曝光后 可溶
负胶：曝光前 可溶，曝光后不可溶
光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。 因此光刻通常在黄光室（Yellow Room））内进行。
半导体制造工艺基础教材
光刻的定义
光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密 表面加工技术。用照相复印的方法将掩模版上的图案 转移到硅片表面的光刻胶上，以实现后续的有选择刻 蚀或注入掺杂
光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金
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
机械设计
✓……
焦深
为轴上光线到极限聚焦位置的光程差。根据瑞利判据：
很小时，
焦深
NA，焦深
焦平面
焦深 光刻胶
IC技术中，焦深只有1m，甚至更小
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
基本参数：
投影式
✓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)
✓套刻精度(alignment accuracy)
✓产率(throughput)
c)溶剂：芳香族化合物 (aromatic)
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
(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。
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。
投影式——远场衍 射（Fraunhofer）
像平面远离孔径， 在孔径和像之间设 置镜头
爱里斑
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
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。
边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。
S1
S2
可分辨
100%
S1
恰可分辨
73.6%
S2
S1 S2
不可分辨
两个爱里斑之间的分辨率(瑞利判据):
理论计算人眼爱里斑~20m 分辨率：100 m
数值孔径：收集衍射 光的能力。n为折射率
分辨率
k1=0.6-0.8
提高分辨率：
NA，，k1
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。
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
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
10:1
5:1
1:1
DSW－direct step on wafer
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
曝光系统
接触和接近式
Fresnel衍射理论适用 的间隔范围：
g＝10 m， ＝365 nm（i线）时，
Wmin2 m
最小分辨尺寸
对遮蔽式曝光，最小线宽（临界尺寸）可用下式表示
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
IC掩模版
空间图像 潜在图像
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
×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
电子束直写
✓×4或×5投影光刻版在 制版时容易检查缺陷