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1、集成电路制造工艺集成电路的发展历史集成电路的发展历史集成电路集成电路Integrated Circuit，缩写缩写IC通过一系列特定的通过一系列特定的加工工艺加工工艺，将将晶体管、二极管等晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电器件，按照一定的电路路互连，互连，“集成集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能集成电路芯片显微照片集成电路芯片显微照片各种封装好的集成电路各种封装好的集成电路1.1900年普朗克发表了著名的年普朗克发表
2、了著名的量子论量子论 揭开了现代物理学的新纪元，并深深地揭开了现代物理学的新纪元，并深深地 影响了影响了20世纪人类社会的发展。世纪人类社会的发展。2.之后的之后的2，30年时间里，包括爱因斯坦年时间里，包括爱因斯坦 在内的一大批物理学家逐步完善了量子理在内的一大批物理学家逐步完善了量子理论，为后来微电子的发展奠定了坚实的理论，为后来微电子的发展奠定了坚实的理论基础论基础历史的回顾19471947年圣诞前夕，贝尔实验年圣诞前夕，贝尔实验室的科学家室的科学家肖克利肖克利(William (William Shockley)Shockley)和他的两助手和他的两助手布拉布拉顿顿(Water Bra
3、ttain (Water Brattain 、巴丁巴丁（John John bardeenbardeen) )在贝尔实验在贝尔实验室工作时发明了世界上第一室工作时发明了世界上第一个点接触型晶体管个点接触型晶体管由于三人的杰出贡献，他们分享了由于三人的杰出贡献，他们分享了19561956年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖世界上第一个点接触型晶体管世界上第一个点接触型晶体管锗多晶材料制备的点接触晶体管锗多晶材料制备的点接触晶体管集成电路的发明杰克-基尔比1959年1959年第一块集成电路：年第一块集成电路：TI公司的公司的Kilby，12个器件，个器件，Ge晶片晶片集成电路发明人，诺贝尔物理学奖
4、（集成电路发明人，诺贝尔物理学奖（集成电路发明人，诺贝尔物理学奖（集成电路发明人，诺贝尔物理学奖（20002000年）得主，年）得主，年）得主，年）得主，KilbyKilby博士来复旦给师生讲课，博士来复旦给师生讲课，博士来复旦给师生讲课，博士来复旦给师生讲课，20012001年年年年5 5月月月月从此从此IC经历了：经历了：SSIMSILSI现已进入到：现已进入到：VLSIULSIGSI集成电路的发展集成电路的发展小规模集成电路小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)中规模集成电路中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)大规模集成电路大规模集成电路(LargeScale
5、IC，LSI)超大规模集成电路超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大规模集成电路特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）VLSI使用最频繁，其含义往往包括了使用最频繁，其含义往往包括了ULSI和和GSI。中文中中文中把把VLSI译为超大规模集成，更是包含了译为超大规模集成，更是包含了ULSI和和GSI的意义。的意义。CMOS工艺特征尺寸发展进程工艺特征尺寸发展进程 年份1989年1993年1997年2001年特征尺寸1.0m0.6m0.25m0.18m水平标志微米（M）
6、亚微米（SM）深亚微米（DSM）超深亚微米（UDSM）0.80.80.35m0.35m称为亚微米，称为亚微米，0.25m0.25m及其以下称为深亚微米及其以下称为深亚微米 ，0.18 m0.18 m以下为超深亚微米，以下为超深亚微米， 0.05m0.05m及其以下称为纳米级及其以下称为纳米级 UltraDeepSubMicron，UDSM集成电路发展的特点集成电路发展的特点特征尺寸越来越小特征尺寸越来越小布线层数布线层数/I/0引脚越来越多引脚越来越多硅圆片尺寸越来越大硅圆片尺寸越来越大芯片集成度越来越大芯片集成度越来越大时钟速度越来越高时钟速度越来越高电源电压电源电压/单位功耗越来越低单位功
7、耗越来越低摩尔定律摩尔定律一个有关集成电路发展趋势的著名预言，一个有关集成电路发展趋势的著名预言，该预言直至今日依然准确。该预言直至今日依然准确。集成电路自发明四十年以来，集成电路芯片的集成电路自发明四十年以来，集成电路芯片的集集成度每三年翻两番成度每三年翻两番，而加工特征尺寸缩小，而加工特征尺寸缩小倍。倍。即由即由Intel公司创始人之一公司创始人之一GordonE.Moore博博士士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。年总结的规律，被称为摩尔定律。v集成电路单片集成度和最小特征尺寸的发展曲线集成电路单片集成度和最小特征尺寸的发展曲线vIC在各个发展阶段的在各个发展阶段的主要特征数据主要特
8、征数据发展发展阶段阶段主要特征主要特征MSI(1966)LSI(1971)VLSI(1980)ULSI(1990)元件数元件数/芯片芯片102-103103-105105-107107-108特征线宽特征线宽(um)10-55-33-11栅氧化层厚度栅氧化层厚度(nm)120-100100-4040-1515-10结深结深(um)2-1.21.2-0.50.5-.020.2-.01芯片面积芯片面积(mm2)150vIntel公司第一代公司第一代CPU4004电路规模：电路规模：2300个晶体管个晶体管生产工艺：生产工艺：10um最快速度：最快速度：108KHzvIntel公司公司CPU386T
9、M电路规模：电路规模：275,000个晶体管个晶体管生产工艺：生产工艺：1.5um最快速度：最快速度：33MHzvIntel公司最新一代公司最新一代CPUPentium4电路规模：电路规模：4千千2百万个晶体管百万个晶体管生产工艺：生产工艺：0.13um最快速度：最快速度：2.4GHz器件结构类型器件结构类型集成度集成度电路的功能电路的功能应用领域应用领域集成电路的分类集成电路的分类 按器件结构类型分类双极集成电路：主要由双极型晶体管构成双极集成电路：主要由双极型晶体管构成NPNNPN型双极集成电路型双极集成电路PNPPNP型双极集成电路型双极集成电路金属金属- -氧化物氧化物- -半导体半导
10、体(MOS)(MOS)集成电路：主要由集成电路：主要由MOSMOS晶体管晶体管( (单极型晶体管单极型晶体管) )构成构成NMOSNMOSPMOSPMOSCMOS(CMOS(互补互补MOS)MOS)双极双极- -MOS(BiMOSMOS(BiMOS) )集成电路：是同时包括双极集成电路：是同时包括双极和和MOSMOS晶体管的集成电路。综合了双极晶体管的集成电路。综合了双极和和MOSMOS器件两者的优点，但制作工艺复杂。器件两者的优点，但制作工艺复杂。集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目类 别数字集成电路模拟集成电路MOS IC双极ICSSI102
11、1002000300ULSI107109GSI109按集成度分类数模混合集成电路数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ： 例如例如 数模数模(D/A)转换器和模数转换器和模数(A/D)转换器等。转换器等。按电路的功能分类数字集成电路数字集成电路(Digital IC)： 是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。模拟集成电路模拟集成电路(Analog IC)： 是指处理模拟信号是指处理模拟信号(连续变化的信号连续变化的信号)的集成电路，的集成电
12、路， 通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路 ： 线性集成电路：又叫放大集成电路，如运算放大器、电线性集成电路：又叫放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等。压比较器、跟随器等。 非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。v标准通用集成电路标准通用集成电路 通通用用集集成成电电路路是是指指不不同同厂厂家家都都在在同同时时生生产产的的用用量量极极大大的的标标准准系系列列产产品品。这这类类产产品品往往往往集集成成度度不不高高，然然而而社社会会需求量大，通用性强。需求量大，通用性强。按应用领域分类v专用集成电路专
13、用集成电路 根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的集成电路简称集成电路简称ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit)，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封装形式多样。装形式多样。1.特征尺寸特征尺寸(FeatureSize)/（CriticalDimension）特征尺寸定义为器件中最小线条宽度特征尺寸定义为器件中最小线条宽度(对对MOS器件而言，通常器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度指器件栅电极所决定的沟道几何长度)描述集成电路工艺技术水平的描述
14、集成电路工艺技术水平的三个技术指标三个技术指标减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改进寸的减小主要取决于光刻技术的改进。集成电路的特征尺寸。集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的规模化生产是向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.18m、0.13m工艺，工艺， Intel目前将大部分芯片生产制程转换到目前将大部分芯片生产制程转换到0.09 m 。2.晶片直径晶片直径(WaferDiameter)为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，芯片面积的芯片面积的增
15、大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。低，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。晶圆的晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8吋，正在向吋，正在向12吋晶圆迈吋晶圆迈进。下图自左到右给出的是从进。下图自左到右给出的是从2吋吋12吋按比例画出的圆。由吋按比例画出的圆。由此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。尺寸从尺寸从2吋吋12吋成比例增加的晶圆吋成比例增加的晶圆3.DRAM的容量的容量RAM(Random
16、-AccessMemory)随机存取存随机存取存储器器分为分为动态存储器动态存储器DRAM(Dynamic)和静态存储器和静态存储器SRAM(Static)中国中国IC产业分布图产业分布图中芯国际集成电路制造有限公司中芯国际集成电路制造有限公司上海华虹上海华虹(集团集团)有限公司有限公司华润微电子华润微电子(控股控股)有限公司有限公司无锡海力士意法半导体有限公司无锡海力士意法半导体有限公司和舰科技和舰科技(苏州苏州)有限公司有限公司首钢日电电子有限公司首钢日电电子有限公司上海先进半导体制造有限公司上海先进半导体制造有限公司台积电台积电(上海上海)有限公司有限公司上海宏力半导体制造有限公司上海宏
17、力半导体制造有限公司吉林华微电子股份有限公司吉林华微电子股份有限公司2006年度中国集成电路与分立器件制造前十大企业是：年度中国集成电路与分立器件制造前十大企业是：飞思卡尔半导体飞思卡尔半导体(中国中国)有限公司有限公司奇梦达科技奇梦达科技(苏州苏州)有限公司有限公司威讯联合半导体威讯联合半导体(北京北京)有限公司有限公司深圳赛意法半导体有限公司深圳赛意法半导体有限公司江苏新潮科技集团有限公司江苏新潮科技集团有限公司上海松下半导体有限公司上海松下半导体有限公司英特尔产品英特尔产品(上海上海)有限公司有限公司南通富士通微电子有限公司南通富士通微电子有限公司星科金朋星科金朋(上海上海)有限公司有限
18、公司乐山无线电股份有限公司乐山无线电股份有限公司2006年度中国集成电路封装测试前十大企业是：年度中国集成电路封装测试前十大企业是：炬力集成电路设计有限公司炬力集成电路设计有限公司中国华大集成电路设计集团有限公司中国华大集成电路设计集团有限公司 ( (包含北京中电华大电子设计公司等包含北京中电华大电子设计公司等) ) 北京中星微电子有限公司北京中星微电子有限公司 大唐微电子技术有限公司大唐微电子技术有限公司 深圳海思半导体有限公司深圳海思半导体有限公司 无锡华润矽科微电子有限公司无锡华润矽科微电子有限公司 杭州士兰微电子股份有限公司杭州士兰微电子股份有限公司 上海华虹集成电路有限公司上海华虹集
19、成电路有限公司 北京清华同方微电子有限公司北京清华同方微电子有限公司 展讯通信展讯通信( (上海上海) )有限公司有限公司 2006年度中国集成电路设计前十大企业是：年度中国集成电路设计前十大企业是： 集成电路集成电路（Integrated Circuit） 制造工艺制造工艺是集成电路实是集成电路实现的手段，也是集成电路设计的基现的手段，也是集成电路设计的基础。础。 基础电路制造工艺基础电路制造工艺集成电路工艺技术主要包括集成电路工艺技术主要包括:1、原始硅片工艺、原始硅片工艺硅单晶拉制到最终形成作为硅单晶拉制到最终形成作为IC衬底和有源区衬底和有源区的硅片的一整套工艺技术。的硅片的一整套工艺
20、技术。2、掺杂工艺、掺杂工艺包括各种扩散掺杂和离子注入掺杂技术。包括各种扩散掺杂和离子注入掺杂技术。3、微细图形加工工艺、微细图形加工工艺包括图形的复印和刻蚀转移两个方面。包括图形的复印和刻蚀转移两个方面。4、介质薄膜工艺、介质薄膜工艺包括各种热生长技术和各种包括各种热生长技术和各种CVD技术。技术。5、金属薄膜工艺、金属薄膜工艺包括真空蒸发技术、溅射技术和包括真空蒸发技术、溅射技术和CVD技术。技术。集成电路制造工艺简介集成电路制造工艺简介生产工厂简介生产工厂简介国外某集成电路工厂外景国外某集成电路工厂外景净化厂房净化厂房芯片制造净化区域走廊Here in the Fab Two Photo
21、lithography area we see one of our 200mm 0.35 micron I-Line Steppers. this stepper can image and align both 6 & 8 inch wafers. 投投影影式式光光刻刻机机Here we see a technician loading 300mm wafers into the SemiTool. The wafers are in a 13 wafer Teflon cassette co-designed by Process Specialties and SemiTool in
22、1995. Again these are the worlds first 300mm wet process cassettes (that can be spin rinse dried). 硅硅片片清清洗洗装装置置As we look in this window we see the Worlds First true 300mm production furnace. Our development and design of this tool began in 1992, it was installed in December of 1995 and became fully
23、 operational in January of 1996. 12英英寸寸氧氧化化扩扩散散炉炉Here we can see the loading of 300mm wafers onto the Paddle. 12英英寸寸氧氧化化扩扩散散炉炉装装片片工工序序Process Specialties has developed the worlds first production 300mm Nitride system! We began processing 300mm LPCVD Silicon Nitride in May of 1997. 12英寸氧英寸氧化扩散炉化扩散炉取片
24、工序取片工序（已生长（已生长Si3N4）2,500 additional square feet of State of the Art Class One Cleanroom is currently processing wafers! With increased 300mm & 200mm processing capabilities including more PVD Metalization, 300mm Wet processing / Cleaning capabilities and full wafer 300mm 0.35um Photolithography, al
25、l in a Class One enviroment.PVD化学汽化学汽相沉积相沉积CVD化学汽化学汽相沉积相沉积CVDAccuracy in metrology is never an issue at Process Specialties. We use the most advanced robotic laser ellipsometers and other calibrated tools for precision thin film, resistivity, CD and step height measurement. Including our new Nanomet
26、rics 8300 full wafer 300mm thin film measurement and mapping tool. We also use outside laboratories and our excellent working relationships with our Metrology tool customers, for additional correlation and calibration. 检检测测工工序序Above you are looking at a couple of views of the facilities on the west
27、side of Fab One. Here you can see one of our 18.5 Meg/Ohm DI water systems and one of four 10,000 CFM air systems feeding this fab (left picture), as well as one of our waste air scrubber units (right picture). Both are inside the building for easier maintenance, longer life and better control. 去去离离
28、子子水水生生产产装装置置离子注入检查晶圆Here we are looking at the Incoming material disposition racks 库房库房集成电路制造工艺分类集成电路制造工艺分类1. 双极型工艺（双极型工艺（bipolar）2. CMOS工艺工艺集成电路设计与制造的主要流程框架设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制芯片制造过程造过程封装封装测试测试 系系统统需需求求集成电路芯片设计过程框架集成电路芯片设计过程框架From 吉利久教授吉利久教授是是功能要求功能要求行为设计（行为设计（VHDL）行为仿真行为仿真综合、优化综合、优化
29、网表网表时序仿真时序仿真布局布线布局布线版图版图后仿真后仿真否否是是否否否否是是Sing off设计创意设计创意+仿真验证仿真验证集成电路的设计过程：集成电路的设计过程：芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸发由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层形成新的薄膜或膜层曝曝 光光刻刻 蚀蚀硅片硅片测试和封装测试和封装用掩膜版用掩膜版重复重复20-30次次集成电路芯片的显微照片集成电路的内部单元集成电路的内部单元(俯视图俯视图) 栅长为栅长为9090纳米的栅图形照片纳米的栅图形照片沟道长度为沟道长度为0.150.15微米的晶体管微米的晶体管 50 m100 m头发丝粗细头发丝粗细1 m 1
30、m(晶体管的大小晶体管的大小)90年代生产的集成电路中晶体管大小与人年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较N沟道沟道MOS晶体管晶体管CMOS集成电路集成电路(互补型互补型MOS集成电路集成电路)：目前应用最为广泛的一种集成电路，约占目前应用最为广泛的一种集成电路，约占集成电路总数的集成电路总数的95%以上。以上。集成电路制造工艺图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单晶片上掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等制膜：制作各种材料的薄膜1双极型（双极型（NPN）集成电路工艺集成电
31、路工艺(典型的典型的PN结隔离工艺结隔离工艺)P-Sub衬底准备（衬底准备（P型）型）光刻光刻n+埋层埋层区区氧化氧化n+埋层区注入埋层区注入 清洁表面清洁表面1.1.衬底准备衬底准备2.2.第一次光刻第一次光刻N+隐埋层扩散孔光刻隐埋层扩散孔光刻P-Sub生长生长n-外延外延 隔离氧化隔离氧化 光刻光刻p+隔离区隔离区p+隔离注入隔离注入 p+隔离推进隔离推进N+N+N-N-3.3.外延层淀积外延层淀积4.4.第二次光刻第二次光刻P P+ +隔离扩散孔光刻隔离扩散孔光刻光刻硼扩散区光刻硼扩散区P-SubN+N+N-N-P+P+P+硼扩散硼扩散5.5.第三次光刻第三次光刻P P型基区扩散孔光刻
32、型基区扩散孔光刻光刻磷扩散区光刻磷扩散区 磷扩散磷扩散P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP6.6.第四次光刻第四次光刻N+发射区扩散孔光刻发射区扩散孔光刻氧化氧化光刻引线孔光刻引线孔清洁表面清洁表面P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP7.7.第五次光刻第五次光刻引线接触孔光刻引线接触孔光刻 氧化氧化蒸镀金属蒸镀金属反刻金属反刻金属P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP8.8.第六次光刻第六次光刻金属化内连线光刻金属化内连线光刻 NPN晶体管剖面图ALSiO2BPP+P-SUBN+ECN+-BLN-epiP+Epitaxial layer 外延层Buried Layer埋层的作用
33、埋层的作用1.减小串联电阻减小串联电阻（集成电路中的各个电极均从（集成电路中的各个电极均从上表面引出，外延层电阻率较大且路径较长）上表面引出，外延层电阻率较大且路径较长）BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N+埋层埋层N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+钝化层钝化层N+CECEBB2.减小寄生减小寄生pnp晶体管的影响晶体管的影响隔离的实现隔离的实现1.P+隔离扩散要扩穿外延层，与隔离扩散要扩穿外延层，与p型衬底连通。型衬底连通。因此，将因此，将n型外延层分割成若干型外延层分割成若干个个“岛岛” 。2. P+隔离接电路最低电位，隔离接电路最低电位，使使“岛岛” 与与“岛岛” 之
34、间形成两个背靠背的反偏二极之间形成两个背靠背的反偏二极管。管。BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N+埋层埋层N-epiSiO2P+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+N+CECEBB钝化层钝化层光刻掩膜版汇总光刻掩膜版汇总埋层区埋层区隔离墙隔离墙硼扩区硼扩区磷扩区磷扩区 引线孔引线孔金属连线金属连线外延层电极的引出外延层电极的引出欧姆接触电极：欧姆接触电极：金属与掺杂浓度较低的外延金属与掺杂浓度较低的外延层相接触易形成整流接触层相接触易形成整流接触（金半接触势垒二极管）（金半接触势垒二极管）。因此，。因此，外延层电极引出处应增加浓扩散外延层电极引出处应增加浓扩散。BP-SubSiO2光刻胶
35、光刻胶N+埋层埋层N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+钝化层钝化层N+CECEBB金属与半导体接触金属与半导体接触？形成欧姆接触的方法形成欧姆接触的方法？低势垒，高复合，高低势垒，高复合，高掺杂掺杂光刻光刻LithographyLithography光刻是光刻是ICIC制造业中最为重要的一道工制造业中最为重要的一道工艺艺硅片制造工艺中，光刻硅片制造工艺中，光刻占所有成本的占所有成本的35%35% 通常可通常可用用光刻次数光刻次数及所需及所需掩模的个数掩模的个数来来表示某生产工艺的难易程度。表示某生产工艺的难易程度。 一个典型的硅集成电路工艺包括一个典型的硅集成电路工艺包括1
36、520块掩膜版块掩膜版 集成电路的集成电路的特征尺寸特征尺寸是否能够进一是否能够进一步减小，也与步减小，也与光刻技术光刻技术的近一步发展有的近一步发展有密切的关系。密切的关系。 通常人们用通常人们用特征尺寸特征尺寸来评价一个集来评价一个集成电路生产线的技术水平成电路生产线的技术水平。所谓所谓特征尺寸（特征尺寸（CDCD：characteristic characteristic dimensiondimension）是指设计的多晶硅栅长，它标志了器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通常我们所说的0.13 m
37、,0.09 m工艺就是工艺就是指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。光刻的定义光刻的定义：光刻是一种图形复印和化学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。腐蚀相结合的精密表面加工技术。光刻的目的光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或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金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图几何图 形，形，把掩模版上的图形转换成晶把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构圆上的器件结构,从而实现从而实现选择性扩散选择性扩散和和金属薄膜布线金属薄膜布线的目的。的目的。光刻的要求光刻的要求对光刻的基本要求：对
38、光刻的基本要求：（1）高分辨率高分辨率（2）高灵敏度高灵敏度（3）精密的套刻对准精密的套刻对准（4）大尺寸硅片上的加工大尺寸硅片上的加工（5）低缺陷低缺陷1.高分辨率高分辨率分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力，即分开来的能力，即对光刻工艺中可以达到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。精度和清晰度的标志之一。随着集成电路随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越细，对的集成度提高，加工的线条越来越细，对分辨率的要求也越来越高。分辨率的要求也越来越高。分辨率表示每分辨率
39、表示每mmmm内能够刻蚀出可分辨的最多线条数。内能够刻蚀出可分辨的最多线条数。 R= 1/2LR= 1/2L2.高灵敏度高灵敏度灵敏度是指光刻胶感光的速度。灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提为了提高产量要求曝光时间越短越好，也就要高产量要求曝光时间越短越好，也就要求高灵敏度。求高灵敏度。3.精密的套刻对准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，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。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，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。要求套刻误差在因此，对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸的特征尺
40、寸的10左右。左右。4.大尺寸硅片的加工大尺寸硅片的加工随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆片的膨胀和收缩。片的膨胀和收缩。因此对周围环境的温度因此对周围环境的温度控制要求十分严格，控制要求十分严格，否则会影响光刻质量否则会影响光刻质量5.低缺陷低缺陷缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷5.2光刻胶的组成材料及感光原理光刻胶的组成材料及感光原理光刻胶是光刻工艺的核心，光刻胶是光刻工艺的核心，光刻过程光刻过程中的所有操作都会根据中的所有操作都会根据特定的光刻胶特定的光刻胶性质性质和和想达到的预期结果想达到的预期结果而进行
41、微调。而进行微调。光刻胶的选择和光刻工艺的研发是一光刻胶的选择和光刻工艺的研发是一个非常漫长的过程。个非常漫长的过程。光刻胶种类光刻胶种类正光刻胶正光刻胶(Positiveopticalresist)负光刻胶负光刻胶(Negativeopticalresist)Resists are organic polymers that are spun onto wafersand prebaked to produce a film 0.5 - 1 mm thick.光刻胶又称光刻胶又称光致抗蚀剂光致抗蚀剂(Photo-Resist) ，根根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，据光刻胶在曝光前后溶解特
42、性的变化，有有正性光刻胶正性光刻胶PositiveOpticalResistv正胶的光化学性质是从抗溶正胶的光化学性质是从抗溶解到可溶性。解到可溶性。v正胶曝光后显影时感光的胶正胶曝光后显影时感光的胶层溶解了。层溶解了。v现有现有VLSI工艺都采用正胶工艺都采用正胶正胶机制正胶机制曝光使感光材料曝光使感光材料(PAC)中分子裂解，中分子裂解，被裂解的分子在显被裂解的分子在显影液中很易溶解，影液中很易溶解，从而与未曝光部分从而与未曝光部分形成强烈反差。形成强烈反差。负性光刻胶负性光刻胶 Negative Optical resist负胶的光学性能是从可溶解负胶的光学性能是从可溶解性到不溶解性。性
43、到不溶解性。负胶在曝光后发生交链作用负胶在曝光后发生交链作用形成网络结构，在显影液中形成网络结构，在显影液中很少被溶解，而未被曝光的很少被溶解，而未被曝光的部分充分溶解。部分充分溶解。小结：小结：正性和负性光刻胶正性和负性光刻胶正正性性光光刻刻胶胶受受光光或或紫紫外外线线照照射射后后感感光光的的部部分分发发生生光光分分解解反反应应，可可溶溶于于显显影影液液，未未感感光光的的部分显影后仍然留在晶圆的表面部分显影后仍然留在晶圆的表面负负性性光光刻刻胶胶的的未未感感光光部部分分溶溶于于显显影影液液中中，而而感光部分显影后仍然留在基片表面。感光部分显影后仍然留在基片表面。正胶：曝光前不可溶，曝光后正胶
44、：曝光前不可溶，曝光后 可溶可溶负胶：曝光前负胶：曝光前 可溶，曝光后不可溶可溶，曝光后不可溶 光刻胶对大部分可见光敏感，光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。对黄光不敏感。因此光刻通常在因此光刻通常在黄光室黄光室（Yellow Room）内进行。内进行。正胶和负胶的比较正胶和负胶的比较正胶正胶a)分辨率高分辨率高小于小于1微米微米b)抗干法刻蚀能力强抗干法刻蚀能力强c)较好的热稳定性较好的热稳定性负胶负胶a)对某些衬底表面粘附性好对某些衬底表面粘附性好b)曝光时间短，产量高曝光时间短，产量高c)工艺宽容度较高工艺宽容度较高（显影液稀释度、温度等）（显影液稀释度、温度等）d)价格较低价格较低
45、（约正胶的三分之一）（约正胶的三分之一）负胶负胶 曝光后变为曝光后变为可溶可溶 显影时未曝光的部显影时未曝光的部 分溶解于显影液分溶解于显影液 图形与掩模版相反图形与掩模版相反 分辨率较低分辨率较低 含二甲苯，对环境、含二甲苯，对环境、身体有害。身体有害。正胶正胶 曝光后变为可溶曝光后变为可溶 显影时曝光的部分显影时曝光的部分溶解于显影液溶解于显影液 图形与掩模版相同图形与掩模版相同 小的聚合物尺寸，小的聚合物尺寸，有有高的分辨高的分辨 大大应用于应用于IC IC fabsfabs光刻胶种类光刻胶种类q分辨率 (resolution)q敏感度 (Sensitivity)q对比度 (Contra
46、st) q粘滞性q粘附性q抗蚀性光刻胶材料参数光刻胶材料参数1.光刻胶的分辨率光刻胶的分辨率（resolution） 在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为对在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为对光刻胶的分辨率。光刻胶的分辨率。产生的线条越小，分辨率越高。产生的线条越小，分辨率越高。分辨率不仅与分辨率不仅与光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定的工光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定的工艺有关，比如：曝光光源、显影工艺等。艺有关，比如：曝光光源、显影工艺等。正胶的分辨率较负胶好，一般正胶的分辨率较负胶好，一般2 m以下工艺以下工艺用正胶用正胶2.灵敏度灵敏度S(Sensitivity)h为比例
47、常数；为比例常数；I为照射光强度，为照射光强度，t为曝光时间为曝光时间灵敏度反应了需要多少光来使光刻胶曝光灵敏度反应了需要多少光来使光刻胶曝光，即，即光刻胶感光所必须的照射量光刻胶感光所必须的照射量。曝光时间越短，曝光时间越短，S越高。越高。波长越短的光源（射线）能量越高。波长越短的光源（射线）能量越高。在短波长在短波长光曝光，光刻胶有较高的灵敏度。光曝光，光刻胶有较高的灵敏度。3.对比度对比度(Contrast)衡量光刻胶辨别亮衡量光刻胶辨别亮(light)/暗暗(dark)区域的能力区域的能力测量方法：对一定厚度的光刻胶，改变曝光剂量，在测量方法：对一定厚度的光刻胶，改变曝光剂量，在固定时
48、间内显影，看显影后留下的光刻胶厚度。固定时间内显影，看显影后留下的光刻胶厚度。对比度高的光刻胶造成更好的分辨率对比度高的光刻胶造成更好的分辨率Df:完全溶解光刻胶所需的曝光剂量；完全溶解光刻胶所需的曝光剂量；D0:溶解光刻胶所需的阈值曝光剂量溶解光刻胶所需的阈值曝光剂量4.粘滞性粘滞性指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标。与时间有关，因为它会在使用中随着光刻胶中溶剂与时间有关，因为它会在使用中随着光刻胶中溶剂的挥发增加。的挥发增加。5.粘附性粘附性描述光刻胶粘附于衬底的强度。描述光刻胶粘附于衬底的强度。 光刻胶与衬底膜层（光刻胶与衬底膜层（S
49、iO2、Al等）的粘结能力直接影等）的粘结能力直接影响光刻的质量。不同的衬底表面，光刻胶的粘结能力是响光刻的质量。不同的衬底表面，光刻胶的粘结能力是不同的。负性胶通常比正性胶有更强的粘结能力。不同的。负性胶通常比正性胶有更强的粘结能力。要求光刻胶能够粘附在不同类型的表面，例如硅，多晶要求光刻胶能够粘附在不同类型的表面，例如硅，多晶硅，氮化硅，二氧化硅和金属等硅，氮化硅，二氧化硅和金属等 必须能够经受住曝光、显影和后续的刻蚀，离子注入必须能够经受住曝光、显影和后续的刻蚀，离子注入的等工艺的等工艺 6.抗蚀性抗蚀性光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在后续的湿刻和干刻
50、中保护衬底表面。这后续的湿刻和干刻中保护衬底表面。这种性质被称为种性质被称为抗蚀性。抗蚀性。光刻胶由光刻胶由4 4种成分组成：种成分组成：树脂（聚合物材料）树脂（聚合物材料）感光剂感光剂溶剂溶剂添加剂（备选）添加剂（备选）5.2.1光刻胶的组成材料光刻胶的组成材料树脂树脂树脂是一种惰性的树脂是一种惰性的聚合物聚合物，包括，包括碳、氢、氧碳、氢、氧的的有机高分子。用于把光刻胶中的不同材料聚在一有机高分子。用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。起的粘合剂。 对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚合状态为聚合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是在大多数负性
51、胶里面，聚合物是聚聚异戊二烯异戊二烯类型。是一种相互粘结的物质类型。是一种相互粘结的物质抗刻抗刻蚀的物质蚀的物质，如图所示。，如图所示。正正性性胶胶的的基基本本聚聚合合物物是是苯苯酚酚甲甲醛醛聚聚合合物物，也称为也称为苯酚甲醛树脂苯酚甲醛树脂。如图所示。如图所示。在在光光刻刻胶胶中中聚聚合合物物是是相相对对不不可可溶溶的的，用用适适当当能能量量的的光光照照后后变变成成可可溶溶状状态态。这这种种反反应应称称为为光光溶解反应溶解反应固体有机材料（胶膜的主体）固体有机材料（胶膜的主体）转移图形到硅片上转移图形到硅片上UVUV曝光后发生光化学反应，溶解性质发生改变曝光后发生光化学反应，溶解性质发生改变
52、正胶从不可溶到可溶正胶从不可溶到可溶负胶从可溶到不可溶负胶从可溶到不可溶树脂树脂感光剂感光剂光光刻刻胶胶中中的的感感光光剂剂是是光光刻刻胶胶材材料料中中的的光光敏敏成成分分。在在紫紫外区，会发生反应。即对光能发生化学反应。外区，会发生反应。即对光能发生化学反应。如如果果聚聚合合物物中中不不添添加加感感光光剂剂，那那么么它它对对光光的的敏敏感感性性差差，而而且且光光谱谱范范围围较较宽宽，添添加加特特定定的的感感光光剂剂后后，可可以以增增加加感感光光灵灵敏敏度度，而而且且限限制制反反应应光光的的光光谱谱范范围围，或者把反应光限制在某一波长的光。或者把反应光限制在某一波长的光。控制和或改变光化学反应
53、控制和或改变光化学反应决定曝光时间和强决定曝光时间和强溶剂溶剂光刻胶中容量最大的成分是溶剂光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶添加溶剂的目的是光刻胶处于液态，剂的目的是光刻胶处于液态，以便使光以便使光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶园表面。刻胶能够通过旋转的方法涂在晶园表面。绝大多数的溶剂在曝光前挥发，对于光刻绝大多数的溶剂在曝光前挥发，对于光刻胶的光化学性质几乎没有影响。胶的光化学性质几乎没有影响。 溶解聚合物溶解聚合物 经过旋转涂布可得到薄光刻胶膜经过旋转涂布可得到薄光刻胶膜添加剂添加剂光光刻刻胶胶中中的的添添加加剂剂通通常常是是专专有有化化学学品品，成成份份由制造商开发，但是由制造商开发，但
54、是由于竞争原因不对外公布由于竞争原因不对外公布。主主要要在在光光刻刻胶胶薄薄膜膜中中用用来来改改变变光光刻刻胶胶的的特特定定化化学学性性质质或或光光响响应应特特性性。如如添添加加染染色色剂剂以以减减少少反射。反射。光刻工艺光刻工艺为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必须须进行表面处理进行表面处理，包括三个阶段：，包括三个阶段：微粒清微粒清除、脱水和涂底胶。除、脱水和涂底胶。1气相成底膜处理气相成底膜处理1第一步第一步:微粒清除微粒清除目的：目的：清除掉晶圆在存储、装载和卸载到片匣过程清除掉晶圆在存储、装载和卸载到片匣过程中吸附到的一些颗粒状污染物。中吸附到的一
55、些颗粒状污染物。清除方法：清除方法：1）高压氮气吹除）高压氮气吹除2）化学湿法清洗：酸清洗和烘干。）化学湿法清洗：酸清洗和烘干。3）旋转刷刷洗）旋转刷刷洗4）高压水流喷洗）高压水流喷洗第二步第二步:脱水烘焙脱水烘焙1目的：目的：干燥晶圆表面，使基底表面由亲水性变为憎水干燥晶圆表面，使基底表面由亲水性变为憎水性，增加表面粘附性。性，增加表面粘附性。 经经过过清清洁洁处处理理后后的的晶晶园园表表面面可可能能会会含含有有一一定定的的水水分分（亲亲水水性性表表面面），所所以以必必须须脱脱水水烘烘焙焙使使其其达达到到清清洁洁干干燥燥（憎憎水水性性表表面面），以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。以便增加光
56、刻胶和晶园表面的黏附能力。 保保持持憎憎水水性性表表面面通通常常通通过过下下面面两两种种方方法法：一一是是保保持持室室内内温温度度在在5050以以下下，并并且且在在晶晶园园完完成成前前一一步步工工艺艺之之后后尽尽可可能能快快的的进进行行涂涂胶胶。另另一一种种方方法法是是把把晶晶园园存存储储在在用用干干燥燥并并且且干干净净的的氮氮气气净净化化过过的干燥器中。的干燥器中。 除此之外，一个除此之外，一个加热的操作加热的操作也也可以使晶园可以使晶园表面表面恢恢复到憎水表面。复到憎水表面。有三种温度范围：有三种温度范围：2 2 脱水烘焙的三个温度范围：脱水烘焙的三个温度范围： 150-200 150-2
57、00，低温蒸发水分；，低温蒸发水分； 400 400，中温烘烤；，中温烘烤； 750 750，高温烘干。，高温烘干。第三步第三步 晶圆涂底胶晶圆涂底胶1 1 用用hexamethyldisilazane（HMDS）进行进行成膜处理成膜处理(HMDS:HMDS:六甲基乙硅烷六甲基乙硅烷) )2.2.要求：要求：在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺陷的光在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺陷的光刻胶膜刻胶膜3光刻胶的厚度：光刻胶的厚度：0.5m-1.5m；均匀性：均匀性： 0.010.01 m m2.旋转涂胶旋转涂胶（Spin-on PR Coating） 成底膜处理后，硅片要立即涂上液相光刻
58、胶材料成底膜处理后，硅片要立即涂上液相光刻胶材料。常用方法：旋转涂胶法常用方法：旋转涂胶法 静态涂胶工艺静态涂胶工艺 首首先先把把光光刻刻胶胶通通过过管管道道堆堆积积在在晶晶园园的的中中心心，堆堆积积量量由由晶晶园园大大小小和和光光刻刻胶胶的的类类型型决决定定，堆堆积积量量非非常常关关键键，量量少少了了会会导导致致涂涂胶胶不不均均匀匀，量量大大了了会会导导致致晶晶园园边缘边缘光刻胶的堆积甚至流到背面光刻胶的堆积甚至流到背面光刻胶覆盖光刻胶覆盖动态喷洒动态喷洒随随着着晶晶园园直直径径越越来来越越大大，静静态态涂涂胶胶已已不不能能满满足足要要求求，动动态态喷喷洒洒是是晶晶园园以以500rpm的的速
59、速度度低低速速旋旋转转，其其目目的的是是帮帮助助光光刻刻胶胶最最初初的的扩扩散散，用用这这种种方方法法可可以以用用较较少少量量的的光光刻刻胶胶而而达达到到更更均均匀匀的的光光刻刻胶胶膜膜。待待扩扩散散后后旋旋转转器器加加速速完完成成最最终终要要求薄而均匀的光刻胶膜。求薄而均匀的光刻胶膜。自动旋转器自动旋转器生生产产上上的的涂涂胶胶机机是是一一个个完完整整的的系系统统，标标准准的的系系统统配配置置就就是是一一条条流流水水线线：包包括括晶晶圆圆清清洗洗、脱脱水水、涂涂底胶、底胶、涂光刻胶、涂光刻胶、晶圆的装载装置，软烘焙箱。晶圆的装载装置，软烘焙箱。旋转涂胶的四个步骤旋转涂胶的四个步骤1.分滴：分
60、滴：当硅片静止或者旋转的非常慢时，当硅片静止或者旋转的非常慢时，光刻胶被分滴在硅片上光刻胶被分滴在硅片上2.旋转铺开：旋转铺开：快速加速硅片使光刻胶伸展到快速加速硅片使光刻胶伸展到整个硅片表面整个硅片表面3.旋转甩掉：旋转甩掉：甩掉多于的光刻胶，在硅片上甩掉多于的光刻胶，在硅片上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层。得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层。4.溶剂挥发：溶剂挥发：以固定转速继续旋转涂胶的硅以固定转速继续旋转涂胶的硅片，直到溶剂挥发，光刻胶胶膜几乎干燥片，直到溶剂挥发，光刻胶胶膜几乎干燥3.软烘（软烘（softbaking）因为光刻胶是一种粘稠体，所以涂胶结束后并不因为光刻胶是一种粘稠体，所以涂胶结束
61、后并不能直接进行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的能直接进行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。烘焙后的光刻胶仍然保持溶剂蒸发。烘焙后的光刻胶仍然保持“软软”状态。状态。但和晶园的粘结更加牢固。但和晶园的粘结更加牢固。目的目的:去除光刻胶中的溶剂。去除光刻胶中的溶剂。蒸发溶剂的原因：蒸发溶剂的原因： 1 1）溶剂吸收光，干扰了曝光中聚合物的化学反应。）溶剂吸收光，干扰了曝光中聚合物的化学反应。 2 2）蒸发溶剂增强光刻胶和晶圆的粘附力。）蒸发溶剂增强光刻胶和晶圆的粘附力。温度在温度在90100在热板上加热在热板上加热时间时间30秒秒然后在冷板上降温然后在冷板上降温 时间和温度时间和温度是软
62、烘焙的参数，是软烘焙的参数， 不完全的烘焙不完全的烘焙在曝光过程中在曝光过程中造成图像形成不造成图像形成不完整和完整和在刻蚀过程中造成多余的在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移；光刻胶漂移； 过分烘焙过分烘焙会造成光刻胶中的会造成光刻胶中的聚合物产生聚合聚合物产生聚合反应，反应，并且不与曝光射线反应并且不与曝光射线反应，影响曝光。，影响曝光。4.对准和曝光对准和曝光（Alignment）（Exposure）对准是将掩膜版与涂了胶的硅片上的正确位置对准。对准是将掩膜版与涂了胶的硅片上的正确位置对准。曝光是对准以后，将掩膜版和硅片曝光，曝光是对准以后，将掩膜版和硅片曝光，把掩膜版把掩膜版图形转移到涂胶
63、的硅片上。图形转移到涂胶的硅片上。亮场掩膜亮场掩膜版：掩膜板的图形是由不透光区域组成的。：掩膜板的图形是由不透光区域组成的。暗场掩膜暗场掩膜版：掩膜板的图形是由透光区域组成的。：掩膜板的图形是由透光区域组成的。对准和曝光包括两个系统：对准和曝光包括两个系统：一个是要把图形在晶园表面上准确定位的一个是要把图形在晶园表面上准确定位的对准系对准系统统（不同的对准机类型的对准系统各不相同）；（不同的对准机类型的对准系统各不相同）；另一个是另一个是曝光系统曝光系统（包括一个曝光光源和一个将（包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向到晶园表面上的机械装置）。辐射光线导向到晶园表面上的机械装置）。 对准系统：对
64、准系统：对准机的性能指标对准机的性能指标 分辨率：分辨率：机器产生特定尺寸的能力，机器产生特定尺寸的能力， 分辨率越分辨率越 高越好，机器的性能越好。高越好，机器的性能越好。 套准能力：套准能力：图形准确定位的能力图形准确定位的能力曝光系统曝光系统最最初初曝曝光光设设备备是是接接触触式式光光刻刻机机和和接接近近式式光光刻刻机机，现现在在基基本本上上不不再再使使用用.而而今今，光光刻刻机机已已发发展展成成两大类型，即两大类型，即光学光刻机和非光学光刻机，光学光刻机和非光学光刻机，如图所示。光学如图所示。光学光刻机采用紫外光刻机采用紫外线作为光源，而线作为光源，而非光学光刻机的非光学光刻机的光源则
65、来自电磁光源则来自电磁光谱的其他成分光谱的其他成分。一般要求：一般要求： 短波长、高强短波长、高强、高稳定性、高稳定性光源的产生：光源的产生： 高压汞灯高压汞灯 准分子激光器准分子激光器曝光光源曝光光源普通光源光的波长范围大，图形边缘普通光源光的波长范围大，图形边缘衍射现象严衍射现象严重重，满足不了特征尺寸的要求。，满足不了特征尺寸的要求。所以所以作为晶园生作为晶园生产用的曝光产用的曝光光源必须是光源必须是某一单一波长的光源某一单一波长的光源最广泛使用的曝光光源是最广泛使用的曝光光源是高压汞灯高压汞灯，它所产生的，它所产生的光为紫外光（光为紫外光（UV），为获得更高的清晰度，光刻，为获得更高的
66、清晰度，光刻胶被设计成只与汞灯光谱中很窄一段波长的光胶被设计成只与汞灯光谱中很窄一段波长的光（称为（称为深紫外区或深紫外区或DUV）反应。反应。除自之外，现今用的光源还有：除自之外，现今用的光源还有：准分子激光准分子激光器、器、X射线和电子束射线和电子束。下一代光源下一代光源超超UV(EUV:extremeultraviolet)光刻光刻X-Ray光刻光刻电子束电子束(Ebeam)光刻光刻离子束离子束(Ionbeam)曝光方法曝光方法由于由于曝光光源曝光光源的不同的不同, ,曝光分为曝光分为光学曝光光学曝光, ,X X射线曝射线曝光光, ,电子束曝光和离子束曝光电子束曝光和离子束曝光在光学曝光
67、中在光学曝光中, ,由于掩膜版的位置不同由于掩膜版的位置不同, ,又分为又分为接接触式曝光触式曝光, ,接近式曝光和投影式曝光接近式曝光和投影式曝光. .曝光方式曝光方式: :一类是一类是光源发出的光线通过掩膜版把图案转移到光源发出的光线通过掩膜版把图案转移到光刻胶膜上光刻胶膜上, ,如投影式曝光如投影式曝光另一类是另一类是把光源聚集成很细的射束把光源聚集成很细的射束, ,直接在光刻胶直接在光刻胶上扫描出图案上扫描出图案( (可以不用掩膜版可以不用掩膜版),),如电子束曝光如电子束曝光光学曝光方式：光学曝光方式：接触式曝光接触式曝光Contactprinting光学接近式曝光光学接近式曝光Op
68、ticalproximityprinting扫描投影曝光扫描投影曝光Scanningprojectionprinting接触式曝光接触式曝光 Contact printingContact printing由于掩膜版与硅片相接触磨损，使得掩膜版的寿命降低。由于掩膜版与硅片相接触磨损，使得掩膜版的寿命降低。Fresneldiffraction菲涅耳衍射菲涅耳衍射MaskImage:ResistImage=1:1,设备简单，设备简单，分辨率高，可达分辨率高，可达到到0.5 m。主要用于主要用于SSISSI和和MSIMSI电路中电路中必须加压力，会使胶膜剥离；必须加压力，会使胶膜剥离；易沾污，掩膜版
69、易损坏，成品率下易沾污，掩膜版易损坏，成品率下降。目前在生产中很少使用。降。目前在生产中很少使用。由于光刻胶顶层平面不平，所以该曝光方式中间隔并不严格为由于光刻胶顶层平面不平，所以该曝光方式中间隔并不严格为0SiMaskP. R.SiO2接近式曝光接近式曝光proximity printingproximity printingd= 10 25 m 最小线宽最小线宽: : W Wm m= (d)= (d)1/21/2 d: d:间隔；间隔； ：光源波长光源波长分辨率取决于间隙的大小，一般分辨率较分辨率取决于间隙的大小，一般分辨率较差，为差，为2 244m m，d=10um, I-line (3
70、65nm) d=10um, I-line (365nm) W W 2um2um优点：优点：接近式曝光是以牺牲分辨率来延长接近式曝光是以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命，掩膜寿命长（可提高了掩膜版的寿命，掩膜寿命长（可提高10 10 倍以上），图形缺陷少。倍以上），图形缺陷少。缺点：缺点：分辨率低，图形模糊，操作比较复分辨率低，图形模糊，操作比较复杂杂k利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法k避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命。避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命。k掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多，克
71、服了小图形制版的困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。难。k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。膜版与硅片表面接触不平整而产生的光散射现象。k为了提高分辨率，减少图形畸变，为了提高分辨率，减少图形畸变，一次曝光的象场较小一次曝光的象场较小，采用采用扫描式曝光。扫描式曝光。 kFraunhoferFraunhofer diffraction diffraction 夫琅禾费衍射：夫琅禾费衍射：k投影式曝光虽有很多优点，但由于光刻设备中许多镜头需要特投影式曝光虽
72、有很多优点，但由于光刻设备中许多镜头需要特制，设备复杂制，设备复杂投影式曝光投影式曝光projection printing现在的工艺普遍采用投影式光刻机现在的工艺普遍采用投影式光刻机，投影式光刻具有投影式光刻具有下列下列特点特点扫描投影曝光扫描投影曝光（Scanning Project PrintingScanning Project Printing）分步重复投影曝光分步重复投影曝光（Stepping-repeating Project PrintingStepping-repeating Project Printing或或 StepperStepper）。）。步进扫描投影曝光步进扫描投
73、影曝光（ SteppingStepping Scanning Scanning ProjecPrintingProjecPrinting）投影式曝光分类投影式曝光分类 光学曝光的各种曝光方式及其利弊光学曝光的各种曝光方式及其利弊接接触触式式非非接接触触式式优点：设备简单，分辨率较高。优点：设备简单，分辨率较高。缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低。缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低。接近式接近式优点：掩模版寿命长，成本低。优点：掩模版寿命长，成本低。缺点：衍射效应严重，影响分辨率。缺点：衍射效应严重，影响分辨率。投影式投影式全反射全反射折射折射优点：无像差，无驻波效应影响。优点：无像差，无驻波效
74、应影响。缺点：光学系统复杂，对准困难。缺点：光学系统复杂，对准困难。优点：对片子平整度要求低，可采用优点：对片子平整度要求低，可采用较大孔径的透镜以提高分辨率，较大孔径的透镜以提高分辨率，掩模制造方便。掩模制造方便。缺点：设备昂贵，曝光效率低。缺点：设备昂贵，曝光效率低。X X射线曝光射线曝光电子束曝光电子束曝光离子束曝光离子束曝光深紫外线曝光深紫外线曝光先进的曝光技术先进的曝光技术4.4.电子束曝光电子束曝光分为投影式和扫描式分为投影式和扫描式 电子束曝光的特点：电子束曝光的特点：b电电子子束束曝曝光光的的精精度度较较高高。电电子子束束的的斑斑点点可可以以聚聚焦焦的的很很小小，可可用用计计算
75、算机机控控制制，精精度度远远比比肉眼观察要高。肉眼观察要高。b电电子子束束曝曝光光改改变变光光刻刻图图形形十十分分简简便便。电电子子束曝光机是把各次曝光图形用计算机来完成束曝光机是把各次曝光图形用计算机来完成b扫描电子束曝光不要掩膜版。扫描电子束曝光不要掩膜版。b电子束曝光设备复杂，成本较高。电子束曝光设备复杂，成本较高。b真空中进行，清洁度高真空中进行，清洁度高b缺点是产量小缺点是产量小1 1）曝光光源：曝光光源：X X射线，这是一种用于深亚微米射线，这是一种用于深亚微米（可达（可达 0.1 0.1微米）工艺的光刻技术微米）工艺的光刻技术2 2）掩膜版：掩膜版：黄金或其他能挡住黄金或其他能挡
76、住X X射线的材料射线的材料3 3）优点）优点波长应用范围波长应用范围0.50.52 2nmnm，分辨率高分辨率高焦深大，工艺宽容度大焦深大，工艺宽容度大有机尘粒缺陷不敏感有机尘粒缺陷不敏感4 4）一般原理）一般原理一种一种1 1：1 1的接近式光刻方法的接近式光刻方法机械装置对准，用机械装置对准，用X X射线光源使含有对射线光源使含有对X X线透明线透明和不透明区的掩膜图形成像到涂有对和不透明区的掩膜图形成像到涂有对X X射线敏射线敏感的光刻胶的硅片表面，最终形成器件制作所感的光刻胶的硅片表面，最终形成器件制作所需的图形。需的图形。5.5.X X射线曝光射线曝光X 射线光源有二种射线光源有二
77、种1.X 射线点光源射线点光源 用电子束轰击靶发射的用电子束轰击靶发射的X光光2.同步辐射光源同步辐射光源 电子在磁场沿曲线轨道运动发出电磁辐射电子在磁场沿曲线轨道运动发出电磁辐射 各种光源的比较各种光源的比较光谱光谱波长波长（nm)掩模材料掩模材料分辨率分辨率紫外光紫外光UV365436玻璃玻璃/Cr0.5m深紫外光深紫外光DUV193248石英石英/Cr、Al0.2m极紫外光极紫外光EUV1015多涂层反射层多涂层反射层/金属吸收层金属吸收层0.1mX射线射线0.24Si、Si3N4、Al2O3/Au、Pt、Os等等0.1m5. 5. 曝光后烘烤（曝光后烘烤（PEBPEB）后烘（后烘（PE
78、BPEB，Post Exposure BakingPost Exposure Baking）目的：目的：促进光刻胶的化学反应，促进光刻胶的化学反应，提高提高光光刻胶的刻胶的粘附性并减少驻波。粘附性并减少驻波。 显影液溶解部分光刻胶显影液溶解部分光刻胶 将掩膜上的图形转移到光刻胶上将掩膜上的图形转移到光刻胶上6.显影显影（Development）三个基本步骤三个基本步骤: : 显影清洗干燥显影清洗干燥a、显影不完全显影不完全（IncompleteDevelopment）。表表面还残留有光刻胶。显影液不足造成；面还残留有光刻胶。显影液不足造成；b、显影不够（显影不够（UnderDevelopmen
79、t）。显影的侧壁不垂直，由显影时间不足造成；显影的侧壁不垂直，由显影时间不足造成；c、过度显影（过度显影（OverDevelopment）。靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。显影时间太长显影时间太长 显影的三个主要类型的问题显影的三个主要类型的问题： 不完全显影不完全显影 显影不足显影不足 严重过显影。严重过显影。负光刻胶负光刻胶（NegativePR）显影显影1）显影剂显影剂（developersolution）：二甲苯二甲苯2）冲洗化学品）冲洗化学品（rinse）：n-丁基醋酸盐丁基醋酸盐作用：快速稀释显影液，冲洗光刻胶作用：快速稀释显
80、影液，冲洗光刻胶正光刻胶正光刻胶（PositivePR）显影显影1）显影剂：碱水溶液，氢氧化钠或氢氧化钾；）显影剂：碱水溶液，氢氧化钠或氢氧化钾；2）冲洗剂：水）冲洗剂：水正胶的显影工艺更加敏感。正胶的显影工艺更加敏感。正胶和负胶的显影正胶和负胶的显影显影方法显影方法显影方式分为：显影方式分为：湿法显影湿法显影 干法（等离子）显影干法（等离子）显影湿法显影湿法显影沉浸显影沉浸显影 ；连续喷雾（连续喷雾（continuous spray）显影；显影；旋覆浸没（旋覆浸没（puddle）显影显影 1.沉沉浸浸显显影影最最原原始始的的方方法法。就就是是将将待待显显影影的的晶晶园园放放入入盛盛有有显显影
81、影液液的的容容器器中中，经经过过一一定定的的时时间间再再放放入入加加有有化化学学冲冲洗洗液液的的池池中中进进行行冲冲洗洗。比比较较简简单单，但但存存在在的的问问题题较较多多，比比如如：液液体体表表面面张张力力会会阻阻止止显显影影液液进进入入微微小小开开孔孔区区；溶溶解解的的光光刻刻胶胶粘粘在在晶晶园园表表面面影影响响显显影影质质量量；随随着着显显影影次次数数增增加加显显影影液液的的稀稀释释和和污污染染；显显影影温温度度对对显显影影率率的的影影响响等等。在在大大规规模模生生产产的的今天，此方法不再适用。今天，此方法不再适用。 显显影影系系统统如如图图所所示示。由由此此可可见见，显显影影剂剂和和冲
82、冲洗洗液液都都是是在在一一个个系系统统内内完完成成，每每次次用用的的显显影影液液和和冲冲洗洗液液都都是新的，所以是新的，所以较沉浸系统清洁较沉浸系统清洁。2.连续喷雾显影（连续喷雾显影（continuous spray development）自动旋转显影（自动旋转显影（Auto-rotation DevelopmentAuto-rotation Development）一个或多个喷嘴喷洒显影液在一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面，同时硅片低速旋转硅片表面，同时硅片低速旋转（100100500500rpmrpm）。）。喷嘴喷嘴喷雾模式喷雾模式和硅片和硅片旋转速度旋转速度是实现硅片间是实现硅片间
83、溶解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。溶解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。近年来，喷雾显影已大部分被浸没显影代替，近年来，喷雾显影已大部分被浸没显影代替，因为后者为上面的因素提供了更大的工艺窗口。因为后者为上面的因素提供了更大的工艺窗口。喷覆足够（不能太多，最小化背面湿度）的显影液到喷覆足够（不能太多，最小化背面湿度）的显影液到硅片表面，并形成水坑形状硅片固定或慢慢旋转。硅片表面，并形成水坑形状硅片固定或慢慢旋转。一般采用多次旋覆显影液：一般采用多次旋覆显影液：第一次涂覆、保持第一次涂覆、保持10103030秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。（多次旋覆浸
84、没补充了显影液的化学药品，更新显影液和光刻（多次旋覆浸没补充了显影液的化学药品，更新显影液和光刻胶之间的化学反应）胶之间的化学反应）然后甩掉多余的显影液，用去离子水冲洗（去除硅片然后甩掉多余的显影液，用去离子水冲洗（去除硅片两面的所有化学品）并旋转甩干。两面的所有化学品）并旋转甩干。优点：优点：显影液用量少；硅片显影均匀；最小化了温度显影液用量少；硅片显影均匀；最小化了温度 梯度。梯度。3.水坑（旋覆浸没）式显影（水坑（旋覆浸没）式显影（Puddle Development）干法显影干法显影液体工艺的自动化程度不高，并且化学液体工艺的自动化程度不高，并且化学品的采购、存储、控制和处理费用昂贵，
85、品的采购、存储、控制和处理费用昂贵，取代液体化学显影的途径是使用取代液体化学显影的途径是使用等离子等离子体刻蚀工艺，体刻蚀工艺，该工艺现已非常成熟。在该工艺现已非常成熟。在此工艺中，离子从等离子体场得到能量，此工艺中，离子从等离子体场得到能量，以化学形式分解暴露的晶园表面层。干以化学形式分解暴露的晶园表面层。干法光刻显影要求光刻胶化学物的曝光或法光刻显影要求光刻胶化学物的曝光或未曝光的之一易于被氧等离子体去除。未曝光的之一易于被氧等离子体去除。方法：方法：热板，温度在热板，温度在120120到到140 140 ，烘烤，烘烤1 12 2分钟分钟（比软烘温度高，但是也不能太高，否则光刻胶就会流动从
86、而破坏图形）（比软烘温度高，但是也不能太高，否则光刻胶就会流动从而破坏图形）在方法和设备上与前面介绍的软烘焙相似。在方法和设备上与前面介绍的软烘焙相似。目的：目的：a、完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂，完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂，以免污染后续的离子以免污染后续的离子注入环境注入环境（例如例如DNQDNQ酚醛树脂光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂）酚醛树脂光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂）b、坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力；的能力；c、进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性；进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性；d、进一步减少驻波效应
87、（进一步减少驻波效应（StandingWaveEffect）7.7.坚膜烘焙（后烘，硬烘）坚膜烘焙（后烘，硬烘） 后烘后烘Postbaking；硬烘（硬烘（Hard Baking） 烘焙工艺烘焙工艺时间和温度时间和温度仍然是主要的仍然是主要的工艺参数，工艺参数，一般是制造一般是制造商推荐，工艺工程师精确调整商推荐，工艺工程师精确调整常见问题常见问题：a、烘烤不足烘烤不足（Underbake）。）。减弱光刻胶的强度减弱光刻胶的强度（抗刻蚀能力和离子注入中的阻挡能力）；降低针（抗刻蚀能力和离子注入中的阻挡能力）；降低针孔填充能力（孔填充能力（GapfillCapabilityfortheneedl
88、ehole）；）；降低与基底的黏附能力。降低与基底的黏附能力。b、烘烤过度（烘烤过度（Overbake）。）。引起光刻胶的流动，引起光刻胶的流动，使图形精度降低，分辨率变差。使图形精度降低，分辨率变差。光刻胶在高温下的流动光刻胶在高温下的流动显影检验显影检验光光刻刻工工艺艺的的第第一一次次质质检检，任任何何一一次次工工艺艺过过后后都都要要进进行行检检验验，经经检检验验合合格格的的晶晶园园流流入入下下一一道道工工艺艺，对对显显影影检检验不合格的晶园可以返工重新曝光、显影验不合格的晶园可以返工重新曝光、显影。显影检验的内容显影检验的内容图图形形尺尺寸寸上上的的偏偏差差，定定位位不不准准的的图图形形
89、，表表面面问问题题（光光刻刻胶胶的的污污染染、空空洞洞或或划划伤伤），以以及及污污点点和和其其他他的的表面不规则等。表面不规则等。8. 8. 显影后检查显影后检查图形检查图形检查 合格的硅片将被去除光刻胶返工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光刻胶的图形是临时性的 刻蚀和注入后的图形是永久的刻蚀和注入后的图形是永久的. . 光刻是可以返工的光刻是可以返工的 刻蚀和注入后刻蚀和注入后能返工能返工 光学显微镜光学显微镜 扫描电子显微镜扫描电子显微镜( (SEM)SEM)光刻质量分析光刻质量分析光刻是集成电路制造中最重要的一环，光刻是集成电路制造中最重要的一环，光光刻的质量直接影响
90、到器件的性能，成品率刻的质量直接影响到器件的性能，成品率和可靠性。和可靠性。因此必须认真对待光刻中的质因此必须认真对待光刻中的质量问题量问题光刻中的光刻中的主要质量问题主要质量问题有：有：溶胶，小岛，针孔，溶胶，小岛，针孔，毛刺和毛刺和钻蚀杂质掺杂掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触磷(P)、砷(As)N型硅硼(B)P型硅掺杂工艺：扩散、离子注入扩散替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：、族元素一般要在很高的温度(9501280)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
91、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67个数量级杂质横向扩散示意图杂质横向扩散示意图固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等利用液态源进行扩散的装置示意图离子注入离子注入：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离子注入系统的原理示意图离子注入系统的原理示意图离子注入到无定形靶中的高斯分布情况离子注入到无定形靶中的高斯分布情况退 火退火
92、：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的作用消除损伤退火方式：炉退火快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等)氧化工艺氧化：制备SiO2层SiO2的性质及其作用SiO2是一种十分理想的电绝缘材料，它的化学性质非常稳定，室温下它只与氢氟酸发生化学反应氧化硅层的主要作用在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质，器件的组成部分扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、Si3N4层一起使用)阻挡层作为集成电
93、路的隔离介质材料作为电容器的绝缘介质材料作为多层金属互连层之间的介质材料作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料SiO2的制备方法热氧化法干氧氧化水蒸汽氧化湿氧氧化干氧湿氧干氧(简称干湿干)氧化法氢氧合成氧化化学气相淀积法热分解淀积法溅射法进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图化学汽相淀积(CVD)化学汽相淀积(ChemicalVaporDeposition)：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程CVD技术特点：具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要
94、的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等化学汽相淀积(CVD)常压化学汽相淀积(APCVD)低压化学汽相淀积(LPCVD)等离子增强化学汽相淀积(PECVD)APCVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图 LPCVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图平行板型平行板型PECVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图化学汽相淀积(CVD)单晶硅的化学汽相淀积(外延)：一般地，将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延，生长有外延层的晶体片叫做外延片二氧化硅的化学汽相淀积：可以作为金属化时的介质层，而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜，甚至还可以将掺磷、硼或砷的
95、氧化物用作扩散源低温CVD氧化层：低于500中等温度淀积：500800高温淀积：900左右化学汽相淀积(CVD)多晶硅的化学汽相淀积：利用多晶硅替代金属铝作为MOS器件的栅极是MOS集成电路技术的重大突破之一，它比利用金属铝作为栅极的MOS器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入，使MOS集成电路的集成度得到很大提高。氮化硅的化学汽相淀积：中等温度(780820)的LPCVD或低温(300)PECVD方法淀积物理气相淀积(PVD)蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。按照能量来源的不同，有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种溅射：真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，气体放电形成的离子被强电场加速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上蒸蒸发发原原理理图图集成电路工艺图形转换：光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀掺杂：离子注入退火扩散制膜：氧化：干氧氧化、湿氧氧化等CVD：APCVD、LPCVD、PECVDPVD：蒸发、溅射
