第七章光刻工藝前面工藝的遺留問題a.

如何在一片硅片上定義、區(qū)分和制造出不同類型、不同結(jié)構(gòu)和尺寸的元件?b.

如何把這些數(shù)以億計的元件集成在一起獲得我們所要求的電路功能?c.

如何在同一硅片上制造出具有不同功能的集成電路。1、氧化、擴散、離子注入、外延、CVD等一系列工藝都是對整個硅園片進行處理，不涉及任何圖形。3、圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)：光刻與刻蝕2、在同一集成電路制造流程中,經(jīng)歷了一系列加工工藝后：光刻工藝■?概述■?掩膜版■?光刻機■光刻膠■?典型的光刻工藝流程參考資料：《微電子制造科學原理與工程技術(shù)》第7、8章（電子講稿中出現(xiàn)的圖號是該書中的圖號）一、概述是指通過曝光和選擇性化學腐蝕等工序?qū)⒀谀ぐ嫔系募呻娐穲D形印制到硅片上的精密表面加工技術(shù)。

像紙上的感光材料

光刻膠

膠卷（底片）

掩膜版

曝光系統(tǒng)（印像機）

光刻機

暗室（小紅燈）

光刻間（黃燈）

顯影液

定影液光源光闌快門掩膜光刻膠硅片一個簡單的光刻曝光系統(tǒng)示意圖（光刻、工序及說明）1、光刻：(1)

利用旋轉(zhuǎn)涂敷法在硅片表面上制備一層光刻膠;(2)

將一束光通過掩膜版對光刻膠進行選擇性曝光;(3)

對光刻膠顯影從而將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上。2、工序：(1)三要素：光刻膠、掩膜版和曝光系統(tǒng)（光刻機）。(2)目的：就是在二氧化硅、氮化硅、多晶硅和金屬等薄膜表面的光刻膠上形成與掩膜版完全對應(yīng)的幾何圖形。這樣光刻膠就可以用作刻蝕下面薄膜時的掩蔽膜或用作離子摻雜注入的掩蔽膜。3、說明：二、掩膜版(2)掩膜版的作用：

a.

是IC設(shè)計與IC制造之間的接口與橋梁。b.

決定了組成集成電路芯片每一層的橫向結(jié)構(gòu)與尺寸。

c.

掩膜版的數(shù)量決定了工藝流程中所需的最少光刻次數(shù)。(3)掩膜版的版圖。所謂版圖就是根據(jù)電路器件的幾何形狀與尺寸，依據(jù)集成電路工藝的設(shè)計規(guī)則，利用計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件所設(shè)計出的掩膜圖案。1、基本概念（概念、版圖設(shè)計、制版程序、基本結(jié)構(gòu)）(1)掩膜版：包含著預制造集成電路特定層圖形信息的模板.■對于每一層版圖，版圖設(shè)計規(guī)則規(guī)定：允許的最小特征尺

寸、最小間隔、該層圖形與其它層圖形的最小覆蓋，與它下面層圖形的最小間隔等。2、版圖設(shè)計規(guī)則主要解決兩個問題：(1)

同一層幾何圖形之間的關(guān)系；(2)

不同層之間的相互關(guān)系。說明層次索引接觸孔（#14）第一層金屬（#15）有源區(qū)（#3）柵（#10）7.1接觸孔尺寸（固定） 1.0

m×1.0m7.2 最小接觸孔間距 1.2

m7.3 最小有源區(qū)對接觸孔覆蓋 1.2

m7.4 最小接觸孔與柵間距 0.8m

最大接觸孔與柵間距 1.5m

對于標準器件性能文件等等一組典型的設(shè)計規(guī)則的例子(1)繪制版圖(2)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形發(fā)生器的專用文件（CIF文件、PG

文件等）3、制版程序：a.

根據(jù)使用的光刻機，掩膜可以與最后完成的芯片上的圖形有同樣的尺寸或是該尺寸的整數(shù)倍，后者在曝光時掩膜上的圖形被縮小。通常縮小倍數(shù)為4和5。說明將電路設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為物理圖形的裝置(3)驅(qū)動和控制圖形發(fā)生器，以一定的間距和布局，將

掩膜圖形印制于掩膜材料上，進而制備出批量生產(chǎn)用的掩膜版。b.制版工藝：光學制版主要用于3μm以上圖形的制造。可分光學制版和電子束制版。b.要求：與玻璃粘附力強，針孔小，易加工成圖形，機械強度與化學穩(wěn)定性好,分辨率高。(1)掩膜材料：主要是鉻、氧化鉻或氧化鐵等金屬或金屬氧化物薄膜。a.作用：有選擇的遮擋照射到硅片表面光刻膠膜上的光。厚度幾十～幾百納米。(2)基版材料：玻璃、石英。

要求：在曝光波長下的透光度高，熱膨脹系數(shù)與掩膜材料匹配、表面平坦且精細拋光。4、掩模版的基本結(jié)構(gòu)a.圖形尺寸準確，符合設(shè)計要求；b.

整套掩膜版中的各塊版應(yīng)能依次套準，套準誤差應(yīng)盡可能小；c.

圖形黑白區(qū)域之間的反差要高；d.

圖形邊緣要光滑陡直，過渡區(qū)小；e.

圖形及整個版面上無針孔、小島、劃痕等缺陷；f.

堅固耐用，不易變形。(3)對掩膜版的質(zhì)量要求掩膜版上形成圖形后，圖形可通過與數(shù)據(jù)庫對比檢查進行確認。任何不希望有的鉻可用激光燒化剝離。鉻層的針孔可用額外的淀積來修理。三、光刻機2、光刻機的三個主要性能指標:

(1)分辨率：是可以曝光出來的最小特征尺寸。通常指能分辯的

并能保持一定尺寸容差的最小特征尺寸。極限分辨率為λ/2。

(2)

對準和套刻精度:是描述光刻機加工圖形重復性能的一個指標，是層間套刻精度的度量，主要取決于掩模版和硅片的支撐平臺圖形對準和移動控制精度性能。

套刻精度約為分辨率的1/3。

(3)產(chǎn)率:指每小時可加工的硅片數(shù)，是判斷光刻系統(tǒng)性能的一

個重要的指標，直接決定了集成電路芯片的制造成本。1、光刻技術(shù)的主體：光刻機（曝光機+對準機）它是將掩膜版上的圖形與前次工序中已刻在硅片上的圖形對準后，再對硅片表面的光刻膠進行曝光實現(xiàn)圖形復制的設(shè)備。曝光系統(tǒng) XX XX

X XX XX襯底 X X

XX

X X掩膜 X X

—

X X光刻膠 XX X XX

XX XX顯影機 X — XX

XX X潤濕劑 — — XX X — 工藝 X X XX XX XX操作員 X XX XX X XX分辨率 對準片間的控制 批間的控制 產(chǎn)量XX表示強烈影響，－表示微小影響，操作員針對手動光刻機。表7.2某些光刻膠參數(shù)對工藝效果的影響■

對于指定的光刻機，分辨率、對準和套刻精度、產(chǎn)量

都不是一個固定值。影響工藝效果的一些參數(shù)補充a.

曝光光源的波長是光刻工藝的關(guān)鍵參數(shù)，其它條件相同，

波長越短，可曝光的特征尺寸越小。λ/2b.

曝光要求有一定的能量，且必須均勻的加在硅片上。為了

保持合適的曝光時間，曝光波長下的光源必須足夠亮。1）曝光光源3、光刻機的主要組成：曝光光源、光學系統(tǒng)和支撐定位平臺I)

汞燈光源在可見光和近紫外波長是有效的輻照源II)

曝光光源從最初的紫外光波段的多波長汞燈光源，發(fā)展到

g線光源、90年代中期，采用ｉ線的光刻機成為主流機型。c.常見的曝光光源gline-λ=436nmiline-λ=365nm(usedfor0.5,0.35μm)III)

在深紫外(DUV,180nm～330nm)波段范圍內(nèi)，準分子激光是最亮的光源。

主要優(yōu)點:輸出的光波波長短,強度高,數(shù)個脈沖就可以完成

圖形的曝光要求,光束截面上的光強分布在視場范圍非常好,

譜線寬度窄,色差小,輸出模式眾多,光路設(shè)計上可以省去濾

波部分等。I.

即將采用的ArF準分子激光光源，

ArF-λ=193nmfor<0.13μmII.正在研發(fā)157nmF2準分子激光光源和X射線、電子束、離子束等新型曝光光源。

F2-λ=157nmfor100～70nmIV)

目前的主流技術(shù)中采用的是深紫外(DUV)波段的KrF準分子

激光光源。KrF-λ=248nm(usedfor0.25,0.18μm,0.13μm)說明根據(jù)曝光方式的不同，光刻機可以分為接觸式、接近式和投影式三種。2)光刻機（一）接觸式光刻機■優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低，光的衍射效應(yīng)最小而分辨率高，

特征尺寸小。■

主要缺點：容易造成掩膜版和光刻膠的

損傷。每一次接觸都有可能在掩膜版和光刻膠上造成缺陷。（二）接近式光刻機■

缺點：由于掩膜版和光刻膠之間存在一定的距離，經(jīng)過掩膜版后的光會發(fā)生衍射，從而使光刻的分辨率降低。■

優(yōu)點：掩膜版懸浮在硅片表面的氮氣氣墊上，通過改變進入的氮氣流量控制間隙.接近式光刻機系統(tǒng)中，硅片表面光強度與硅片位置的函數(shù)關(guān)系，間隙g從0增加到15μm對于一個寬度為W的單孔掩膜，它與硅片之間的距離為g■

當:λ<g<W2/λ

系統(tǒng)處于菲涅耳衍射的近場范圍。

分辨率:Wmin≈(λg)1/2，對于20μm間隙，436nm曝光，最小特征尺寸約為3μm。

10μm,365nm曝光,2μm■當:g>W2/λ

系統(tǒng)處于夫瑯禾費衍射的遠場范圍。（三）投影式光刻機2)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑（NA):

NA=nsin(

)——代表著物鏡收集衍射光的能力。

是物鏡接收角的一半;

n是物鏡與硅片間媒介的折射率，空氣中為１1)定義：采用光學投影的方法，將掩膜版上的圖形聚焦于硅片表面的光刻膠上進行曝光的光刻機沿著光通路，硅片可移動并能保持圖形聚焦的移動距離。I

提高分辨率方法：λ↓，NA↑。II

NA↑（透鏡↑），DOF↓

取λ＝365nm，NA＝0.4,則DOF＝2.3μm

NA＝0.6,則DOF＝1μm,3)投影式光刻系統(tǒng)的兩個基本參數(shù)b.焦深DOFWmin=k1λ/NADOF=k2λ/(NA)2由瑞利定則確定a.分辨率Rk1為與系統(tǒng)有關(guān)的常數(shù)。說明k2為與系統(tǒng)有關(guān)的常數(shù)。a.光源通過一個窄的弧

形對掩膜和硅片進行輻照掃描。b.通過掩膜照射的弧形光經(jīng)過兩個球面反光鏡反射，可以實現(xiàn)全反射。c.產(chǎn)量高4）掃描投影光刻機4）掃描投影光刻機美國Canon公司5）分布重復投影光刻機ASML公司248nmKrFa.

采用折射式光學系統(tǒng)和4X~5X的縮小透鏡.因此掩膜版上的

圖形可以比實際硅片的圖形大得多，這樣可以消除由于掩

膜版圖形線寬過小而產(chǎn)生的光衍射效應(yīng)，能夠克服小圖形

制版的困難。掩膜版制造容易。b.

曝光場：一次曝光只有硅片的一部分，可以大大提高ＮＡ

(0.7)，并避免了許多與高NA有關(guān)的聚焦深度問題，加大了

大直徑硅片生產(chǎn)可行性。c.

采用了分步對準聚焦技術(shù)。■主要問題：需要制造像差小，并對深紫外光高度透明的非常大的透鏡，而這是非常困難的。6）分步掃描投影光刻機■

目前大多數(shù)先進光刻機已采用分步重復掃描投影技術(shù)，在一個曝光場中進行圖形掃描。■

繼承了掃描投影光刻機的優(yōu)點：光學系統(tǒng)只需在更小的面積內(nèi)更加完善，因此容易增大數(shù)值孔徑NA。■

也具有分布重復光刻機的優(yōu)點：用