集成電路制造工藝專選課件

1、集成電路制造工藝集成電路的發(fā)展歷史集成電路 Integrated Circuit，縮寫IC通過一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能集成電路芯片顯微照片各種封裝好的集成電路1.1900年普朗克發(fā)表了著名的量子論 揭開了現(xiàn)代物理學(xué)的新紀(jì)元，并深深地 影響了20世紀(jì)人類社會的發(fā)展。2.之后的2，30年時間里，包括愛因斯坦 在內(nèi)的一大批物理學(xué)家逐步完善了量子理論，為后來微電子的發(fā)展奠定了堅實的理論基礎(chǔ)歷史的回顧1947年圣誕前夕，貝爾實驗室的科學(xué)家肖克利(Wil

2、liam Shockley)和他的兩助手布拉頓(Water Brattain 、巴?。↗ohn bardeen)在貝爾實驗室工作時發(fā)明了世界上第一個點接觸型晶體管由于三人的杰出貢獻(xiàn)，他們分享了1956年的諾貝爾物理學(xué)獎世界上第一個點接觸型晶體管鍺多晶材料制備的點接觸晶體管集成電路的發(fā)明杰克-基爾比 1959年1959年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個器件，Ge晶片集成電路發(fā)明人，諾貝爾物理學(xué)獎（2000年）得主，Kilby博士來復(fù)旦給師生講課，2001年5月從此IC經(jīng)歷了：SSIMSILSI現(xiàn)已進(jìn)入到：VLSIULSIGSI集成電路的發(fā)展 小規(guī)模集成電路(Small Scale I

3、C，SSI) 中規(guī)模集成電路(Medium Scale IC，MSI) 大規(guī)模集成電路(Large Scale IC，LSI) 超大規(guī)模集成電路(Very Large Scale IC，VLSI) 特大規(guī)模集成電路(Ultra Large Scale IC，ULSI) 巨大規(guī)模集成電路(Gigantic Scale IC，GSI） VLSI使用最頻繁，其含義往往包括了ULSI和GSI。中文中把VLSI譯為超大規(guī)模集成，更是包含了ULSI和GSI的意義。CMOS工藝特征尺寸發(fā)展進(jìn)程 年份1989年1993年1997年2001年特征尺寸1.0m0.6m0.25m0.18m水平標(biāo)志微米（M）亞微米（

4、SM）深亞微米（DSM）超深亞微米（UDSM）0.80.35m稱為亞微米，0.25m及其以下稱為深亞微米 ，0.18 m以下為超深亞微米， 0.05m及其以下稱為納米級 Ultra Deep Sub Micron，UDSM 集成電路發(fā)展的特點特征尺寸越來越小布線層數(shù)/I/0引腳越來越多硅圓片尺寸越來越大芯片集成度越來越大時鐘速度越來越高電源電壓/單位功耗越來越低摩爾定律 一個有關(guān)集成電路發(fā)展趨勢的著名預(yù)言，該預(yù)言直至今日依然準(zhǔn)確。 集成電路自發(fā)明四十年以來，集成電路芯片的集成度每三年翻兩番 ，而加工特征尺寸縮小 倍。 即由Intel公司創(chuàng)始人之一Gordon E. Moore博士1965年總結(jié)

5、的規(guī)律，被稱為摩爾定律。集成電路單片集成度和最小特征尺寸的發(fā)展曲線IC在各個發(fā)展階段的主要特征數(shù)據(jù) 發(fā)展 階段主要特征MSI(1966)LSI(1971)VLSI(1980)ULSI(1990)元件數(shù)/芯片102-103103-105105-107107-108特征線寬(um)10-55-33-11柵氧化層厚度(nm)120-100100-4040-1515-10結(jié)深(um)2-1.21.2-0.50.5-.020.2-.01芯片面積(mm2)150Intel 公司第一代CPU4004電路規(guī)模：2300個晶體管生產(chǎn)工藝：10um最快速度：108KHzIntel 公司CPU386TM電路規(guī)模：2

6、75,000個晶體管生產(chǎn)工藝：1.5um最快速度：33MHzIntel 公司最新一代CPUPentium 4電路規(guī)模：4千2百萬個晶體管生產(chǎn)工藝：0.13um最快速度：2.4GHz器件結(jié)構(gòu)類型集成度電路的功能應(yīng)用領(lǐng)域集成電路的分類 按器件結(jié)構(gòu)類型分類雙極集成電路：主要由雙極型晶體管構(gòu)成NPN型雙極集成電路PNP型雙極集成電路金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)集成電路：主要由MOS晶體管(單極型晶體管)構(gòu)成NMOSPMOSCMOS(互補(bǔ)MOS)雙極-MOS(BiMOS)集成電路：是同時包括雙極和MOS晶體管的集成電路。綜合了雙極和MOS器件兩者的優(yōu)點，但制作工藝復(fù)雜。集成度：每塊集成電路芯片中包含的

7、元器件數(shù)目類 別數(shù)字集成電路模擬集成電路MOS IC雙極ICSSI1021002000300ULSI107109GSI109 按集成度分類數(shù)?；旌霞呻娐?Digital - Analog IC) ： 例如 數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器和模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器等。按電路的功能分類數(shù)字集成電路(Digital IC)： 是指處理數(shù)字信號的集成電路，即采用二進(jìn)制方式進(jìn)行數(shù)字計算和邏輯函數(shù)運算的一類集成電路。模擬集成電路(Analog IC)： 是指處理模擬信號(連續(xù)變化的信號)的集成電路， 通常又可分為線性集成電路和非線性集成電路 ： 線性集成電路：又叫放大集成電路，如運算放大器、電壓比較器、跟隨器等。 非

8、線性集成電路：如振蕩器、定時器等電路。標(biāo)準(zhǔn)通用集成電路 通用集成電路是指不同廠家都在同時生產(chǎn)的用量極大的標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品。這類產(chǎn)品往往集成度不高，然而社會需求量大，通用性強(qiáng)。按應(yīng)用領(lǐng)域分類專用集成電路 根據(jù)某種電子設(shè)備中特定的技術(shù)要求而專門設(shè)計的集成電路簡稱ASIC（Application Specific Integrated Circuit)，其特點是集成度較高功能較多，功耗較小，封裝形式多樣。 1. 特征尺寸 (Feature Size) / （Critical Dimension） 特征尺寸定義為器件中最小線條寬度(對MOS器件而言，通常指器件柵電極所決定的溝道幾何長度)描述集成電路工藝技

9、術(shù)水平的三個技術(shù)指標(biāo)減小特征尺寸是提高集成度、改進(jìn)器件性能的關(guān)鍵。特征尺寸的減小主要取決于光刻技術(shù)的改進(jìn)。集成電路的特征尺寸向深亞微米發(fā)展，目前的規(guī)?；a(chǎn)是0.18m、0.13m工藝， Intel目前將大部分芯片生產(chǎn)制程轉(zhuǎn)換到0.09 m 。 2. 晶片直徑(Wafer Diameter) 為了提高集成度，可適當(dāng)增大芯片面積。然而，芯片面積的增大導(dǎo)致每個圓片內(nèi)包含的芯片數(shù)減少，從而使生產(chǎn)效率降低，成本高。采用更大直徑的晶片可解決這一問題。晶圓的尺寸增加，當(dāng)前的主流晶圓的尺寸為8吋，正在向12吋晶圓邁進(jìn)。下圖自左到右給出的是從2吋12吋按比例畫出的圓。由此，我們對晶圓尺寸的增加有一個直觀的印象

10、。尺寸從2吋12吋成比例增加的晶圓3.DRAM 的容量 RAM (Random-Access Memory)隨機(jī)存取存儲器 分為動態(tài)存儲器DRAM (Dynamic )和靜態(tài)存儲器SRAM(Static) 中國IC產(chǎn)業(yè)分布圖 中芯國際集成電路制造有限公司 上海華虹(集團(tuán))有限公司 華潤微電子(控股)有限公司 無錫海力士意法半導(dǎo)體有限公司 和艦科技(蘇州)有限公司 首鋼日電電子有限公司 上海先進(jìn)半導(dǎo)體制造有限公司 臺積電(上海)有限公司 上海宏力半導(dǎo)體制造有限公司 吉林華微電子股份有限公司 2006年度中國集成電路與分立器件制造前十大企業(yè)是： 飛思卡爾半導(dǎo)體(中國)有限公司 奇夢達(dá)科技(蘇州)有

11、限公司 威訊聯(lián)合半導(dǎo)體(北京)有限公司 深圳賽意法半導(dǎo)體有限公司 江蘇新潮科技集團(tuán)有限公司 上海松下半導(dǎo)體有限公司 英特爾產(chǎn)品(上海)有限公司 南通富士通微電子有限公司 星科金朋(上海)有限公司 樂山無線電股份有限公司2006年度中國集成電路封裝測試前十大企業(yè)是： 炬力集成電路設(shè)計有限公司中國華大集成電路設(shè)計集團(tuán)有限公司 (包含北京中電華大電子設(shè)計公司等) 北京中星微電子有限公司 大唐微電子技術(shù)有限公司 深圳海思半導(dǎo)體有限公司 無錫華潤矽科微電子有限公司 杭州士蘭微電子股份有限公司 上海華虹集成電路有限公司 北京清華同方微電子有限公司 展訊通信(上海)有限公司 2006年度中國集成電路設(shè)計前十

12、大企業(yè)是： 集成電路（Integrated Circuit） 制造工藝是集成電路實現(xiàn)的手段，也是集成電路設(shè)計的基礎(chǔ)。 基礎(chǔ)電路制造工藝集成電路工藝技術(shù)主要包括: 1、原始硅片工藝 硅單晶拉制到最終形成作為IC襯底和有源區(qū)的硅片的一整套工藝技術(shù)。 2、摻雜工藝 包括各種擴(kuò)散摻雜和離子注入摻雜技術(shù)。 3、微細(xì)圖形加工工藝 包括圖形的復(fù)印和刻蝕轉(zhuǎn)移兩個方面。 4、介質(zhì)薄膜工藝 包括各種熱生長技術(shù)和各種CVD技術(shù)。 5、金屬薄膜工藝 包括真空蒸發(fā)技術(shù)、濺射技術(shù)和CVD技術(shù)。集成電路制造工藝簡介生產(chǎn)工廠簡介國外某集成電路工廠外景凈化廠房芯片制造凈化區(qū)域走廊Here in the Fab Two Phot

13、olithography area we see one of our 200mm 0.35 micron I-Line Steppers. this stepper can image and align both 6 & 8 inch wafers. 投影式光刻機(jī)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 1995.

14、 Again these are the worlds first 300mm wet process cassettes (that can be spin rinse dried). 硅片清洗裝置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 operationa

15、l in January of 1996. 12英寸氧化擴(kuò)散爐Here we can see the loading of 300mm wafers onto the Paddle. 12英寸氧化擴(kuò)散爐裝片工序Process Specialties has developed the worlds first production 300mm Nitride system! We began processing 300mm LPCVD Silicon Nitride in May of 1997. 12英寸氧化擴(kuò)散爐取片工序（已生長Si3N4）2,500 additional square

16、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, all in a Class One enviroment.PVD化學(xué)汽相沉積CVD化學(xué)汽相

17、沉積CVD Accuracy 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 Nanometrics 8300 full wafer 300mm thin film measurement and ma

18、pping tool. We also use outside laboratories and our excellent working relationships with our Metrology tool customers, for additional correlation and calibration. 檢測工序Above you are looking at a couple of views of the facilities on the west side of Fab One. Here you can see one of our 18.5 Meg/Ohm D

19、I 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. 去離子水生產(chǎn)裝置離子注入檢查晶圓 Here we are looking at the Incoming material d

20、isposition racks 庫房集成電路制造工藝分類1. 雙極型工藝（bipolar）2. CMOS工藝集成電路設(shè)計與制造的主要流程框架設(shè)計芯片檢測單晶、外延材料掩膜版芯片制造過程封裝測試 系統(tǒng)需求集成電路芯片設(shè)計過程框架From 吉利久教授是功能要求行為設(shè)計（VHDL）行為仿真綜合、優(yōu)化網(wǎng)表時序仿真布局布線版圖后仿真否是否否是Sing off設(shè)計創(chuàng)意 + 仿真驗證集成電路的設(shè)計過程：芯片制造過程由氧化、淀積、離子注入或蒸發(fā)形成新的薄膜或膜層曝 光刻 蝕硅片測試和封裝用掩膜版重復(fù)20-30次集成電路芯片的顯微照片集成電路的內(nèi)部單元(俯視圖) 柵長為90納米的柵圖形照片溝道長度為0.15微

21、米的晶體管 50m100 m頭發(fā)絲粗細(xì)1m 1m(晶體管的大小)90年代生產(chǎn)的集成電路中晶體管大小與人類頭發(fā)絲粗細(xì)、皮膚細(xì)胞大小的比較N溝道MOS晶體管CMOS集成電路(互補(bǔ)型MOS集成電路)：目前應(yīng)用最為廣泛的一種集成電路，約占集成電路總數(shù)的95%以上。集成電路制造工藝圖形轉(zhuǎn)換：將設(shè)計在掩膜版(類似于照相底片)上的圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體單晶片上摻雜：根據(jù)設(shè)計的需要，將各種雜質(zhì)摻雜在需要的位置上，形成晶體管、接觸等制膜：制作各種材料的薄膜1 雙極型（NPN）集成電路工藝(典型的PN結(jié)隔離工藝)P-Sub襯底準(zhǔn)備（P型）光刻n+埋層區(qū)氧化n+埋層區(qū)注入清潔表面1.襯底準(zhǔn)備2.第一次光刻N+隱埋層擴(kuò)散孔

22、光刻 P-Sub生長n-外延隔離氧化光刻p+隔離區(qū)p+隔離注入p+隔離推進(jìn)N+N+N-N-3.外延層淀積4.第二次光刻P+隔離擴(kuò)散孔光刻光刻硼擴(kuò)散區(qū)P-SubN+N+N-N-P+P+P+硼擴(kuò)散5.第三次光刻P型基區(qū)擴(kuò)散孔光刻光刻磷擴(kuò)散區(qū)磷擴(kuò)散P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP6.第四次光刻N+發(fā)射區(qū)擴(kuò)散孔光刻氧化光刻引線孔清潔表面P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP7.第五次光刻引線接觸孔光刻 氧化蒸鍍金屬反刻金屬P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP8.第六次光刻金屬化內(nèi)連線光刻 NPN晶體管剖面圖ALSiO2BPP+P-SUBN+ECN+-BLN-epiP+Epitaxi

23、al layer 外延層Buried Layer埋層的作用1.減小串聯(lián)電阻（集成電路中的各個電極均從上表面引出，外延層電阻率較大且路徑較長）BP-SubSiO2光刻膠N+埋層N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+鈍化層N+CECEBB2.減小寄生pnp晶體管的影響隔離的實現(xiàn)1.P+隔離擴(kuò)散要擴(kuò)穿外延層，與p型襯底連通。因此，將n型外延層分割成若干個“島” 。2. P+隔離接電路最低電位，使“島” 與“島” 之間形成兩個背靠背的反偏二極管。BP-SubSiO2光刻膠N+埋層N-epiSiO2P+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+N+CECEBB鈍化層光刻掩膜版匯總埋層區(qū)

24、隔離墻硼擴(kuò)區(qū)磷擴(kuò)區(qū)引線孔金屬連線外延層電極的引出歐姆接觸電極：金屬與摻雜濃度較低的外延層相接觸易形成整流接觸（金半接觸勢壘二極管）。因此，外延層電極引出處應(yīng)增加濃擴(kuò)散。BP-SubSiO2光刻膠N+埋層N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+鈍化層N+CECEBB金屬與半導(dǎo)體接觸？形成歐姆接觸的方法？低勢壘，高復(fù)合，高摻雜光刻Lithography光刻是IC制造業(yè)中最為重要的一道工藝硅片制造工藝中，光刻占所有成本的35% 通?？捎霉饪檀螖?shù)及所需掩模的個數(shù)來表示某生產(chǎn)工藝的難易程度。 一個典型的硅集成電路工藝包括1520塊掩膜版 集成電路的特征尺寸是否能夠進(jìn)一步減小，也與光刻技術(shù)

25、的近一步發(fā)展有密切的關(guān)系。 通常人們用特征尺寸來評價一個集成電路生產(chǎn)線的技術(shù)水平。 所謂特征尺寸（CD：characteristic dimension）是指設(shè)計的多晶硅柵長，它標(biāo)志了器件工藝的總體水平，是設(shè)計規(guī)則的主要部分通常我們所說的0.13m,0.09m工藝就是指的光刻技術(shù)所能達(dá)到最小線條的工藝。光刻的定義：光刻是一種圖形復(fù)印和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的精密表面加工技術(shù)。光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或 金屬薄膜上面刻蝕出與掩膜版完全對應(yīng)的幾何圖 形，把掩模版上的圖形轉(zhuǎn)換成晶圓上的器件結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)選擇性擴(kuò)散和金屬薄膜布線的目的。光刻的要求對光刻的基本要求： （1）高分辨率 （2）高靈敏度

26、（3）精密的套刻對準(zhǔn) （4）大尺寸硅片上的加工 （5）低缺陷 1. 高分辨率分辨率是將硅片上兩個鄰近的特征圖形區(qū)分開來的能力，即對光刻工藝中可以達(dá)到的最小光刻圖形尺寸的一種描述，是光刻精度和清晰度的標(biāo)志之一。隨著集成電路的集成度提高，加工的線條越來越細(xì)，對分辨率的要求也越來越高。分辨率表示每mm內(nèi)能夠刻蝕出可分辨的最多線條數(shù)。 R= 1/2L2.高靈敏度靈敏度是指光刻膠感光的速度。為了提高產(chǎn)量要求曝光時間越短越好，也就要求高靈敏度。3.精密的套刻對準(zhǔn)集成電路制作需要十多次甚至幾十次光刻，每次光刻都要相互套準(zhǔn)。由于圖形的特征尺寸在亞微米數(shù)量級上，因此，對套刻要求很高。要求套刻誤差在特征尺寸的10

27、左右。4.大尺寸硅片的加工隨著晶圓尺寸增大，周圍環(huán)境會引起晶圓片的膨脹和收縮。因此對周圍環(huán)境的溫度控制要求十分嚴(yán)格，否則會影響光刻質(zhì)量5.低缺陷缺陷會使電路失效，因此應(yīng)該盡量減少缺陷5.2 光刻膠的組成材料及感光原理光刻膠是光刻工藝的核心，光刻過程中的所有操作都會根據(jù)特定的光刻膠性質(zhì)和想達(dá)到的預(yù)期結(jié)果而進(jìn)行微調(diào)。光刻膠的選擇和光刻工藝的研發(fā)是一個非常漫長的過程。光刻膠種類正光刻膠(Positive optical resist)負(fù)光刻膠(Negative optical resist)Resists are organic polymers that are spun onto wafersa

28、nd prebaked to produce a film 0.5 - 1 mm thick.光刻膠又稱光致抗蝕劑(Photo-Resist) ，根據(jù)光刻膠在曝光前后溶解特性的變化，有正性光刻膠Positive Optical Resist正膠的光化學(xué)性質(zhì)是從抗溶解到可溶性。正膠曝光后顯影時感光的膠層溶解了?，F(xiàn)有VLSI工藝都采用正膠 正膠機(jī)制曝光使感光材料(PAC)中分子裂解，被裂解的分子在顯影液中很易溶解，從而與未曝光部分形成強(qiáng)烈反差。負(fù)性光刻膠 Negative Optical resist負(fù)膠的光學(xué)性能是從可溶解性到不溶解性。負(fù)膠在曝光后發(fā)生交鏈作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在顯影液中很少被溶解，

29、而未被曝光的部分充分溶解。 小結(jié)：正性和負(fù)性光刻膠 正性光刻膠受光或紫外線照射后感光的部分發(fā)生光分解反應(yīng)，可溶于顯影液，未感光的部分顯影后仍然留在晶圓的表面 負(fù)性光刻膠的未感光部分溶于顯影液中，而感光部分顯影后仍然留在基片表面。正膠：曝光前不可溶，曝光后 可溶負(fù)膠：曝光前 可溶，曝光后不可溶 光刻膠對大部分可見光敏感，對黃光不敏感。因此光刻通常在黃光室（Yellow Room）內(nèi)進(jìn)行。正膠和負(fù)膠的比較正膠a)分辨率高 小于1微米b)抗干法刻蝕能力強(qiáng)c)較好的熱穩(wěn)定性負(fù)膠a)對某些襯底表面粘附性好b) 曝光時間短，產(chǎn)量高c) 工藝寬容度較高 （顯影液稀釋度、溫度等）d) 價格較低 （約正膠的三分

30、之一）負(fù)膠 曝光后變?yōu)榭扇?顯影時未曝光的部 分溶解于顯影液 圖形與掩模版相反 分辨率較低 含二甲苯，對環(huán)境、身體有害。正膠 曝光后變?yōu)榭扇?顯影時曝光的部分溶解于顯影液 圖形與掩模版相同 小的聚合物尺寸，有高的分辨 大應(yīng)用于IC fabs光刻膠種類分辨率 (resolution)敏感度 (Sensitivity)對比度 (Contrast) 粘滯性粘附性抗蝕性光刻膠材料參數(shù)1.光刻膠的分辨率（resolution） 在光刻膠層能夠產(chǎn)生的最小圖形通常被作為對光刻膠的分辨率。產(chǎn)生的線條越小，分辨率越高。分辨率不僅與光刻膠本身的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)有關(guān)，還與特定的工藝有關(guān)，比如：曝光光源、顯影工藝等。 正膠

31、的分辨率較負(fù)膠好，一般2m以下工藝用正膠2.靈敏度S (Sensitivity)h為比例常數(shù)；I為照射光強(qiáng)度，t為曝光時間靈敏度反應(yīng)了需要多少光來使光刻膠曝光，即光刻膠感光所必須的照射量。曝光時間越短，S越高。波長越短的光源（射線）能量越高。在短波長光曝光，光刻膠有較高的靈敏度。3.對比度(Contrast)衡量光刻膠辨別亮(light)/暗(dark)區(qū)域的能力測量方法：對一定厚度的光刻膠，改變曝光劑量，在固定時間內(nèi)顯影，看顯影后留下的光刻膠厚度。對比度高的光刻膠造成更好的分辨率Df:完全溶解光刻膠所需的曝光劑量；D0:溶解光刻膠所需的閾值曝光劑量4.粘滯性指的是對于液體光刻膠來說其流動特性

32、的定量指標(biāo)。與時間有關(guān)，因為它會在使用中隨著光刻膠中溶劑的揮發(fā)增加。5.粘附性描述光刻膠粘附于襯底的強(qiáng)度。 光刻膠與襯底膜層（SiO2、Al等）的粘結(jié)能力直接影響光刻的質(zhì)量。不同的襯底表面，光刻膠的粘結(jié)能力是不同的。負(fù)性膠通常比正性膠有更強(qiáng)的粘結(jié)能力。要求光刻膠能夠粘附在不同類型的表面，例如硅，多晶硅，氮化硅，二氧化硅和金屬等 必須能夠經(jīng)受住曝光、顯影和后續(xù)的刻蝕，離子注入的等工藝 6.抗蝕性光刻膠膠膜必須保持它的粘附性，并在后續(xù)的濕刻和干刻中保護(hù)襯底表面。這種性質(zhì)被稱為抗蝕性。光刻膠由4種成分組成：樹脂（聚合物材料）感光劑溶劑添加劑（備選）5.2.1 光刻膠的組成材料樹脂 樹脂是一種惰性的聚

33、合物，包括碳、氫、氧的有機(jī)高分子。用于把光刻膠中的不同材料聚在一起的粘合劑。 對負(fù)性膠，聚合物曝光后會由非聚合狀態(tài)變?yōu)榫酆蠣顟B(tài)。在大多數(shù)負(fù)性膠里面，聚合物是聚異戊二烯類型。是一種相互粘結(jié)的物質(zhì)抗刻蝕的物質(zhì)，如圖所示。 正性膠的基本聚合物是苯酚甲醛聚合物，也稱為苯酚甲醛樹脂。如圖所示。 在光刻膠中聚合物是相對不可溶的，用適當(dāng)能量的光照后變成可溶狀態(tài)。這種反應(yīng)稱為光溶解反應(yīng)固體有機(jī)材料（膠膜的主體）轉(zhuǎn)移圖形到硅片上UV曝光后發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，溶解性質(zhì)發(fā)生改變正膠從不可溶到可溶負(fù)膠從可溶到不可溶樹脂感光劑光刻膠中的感光劑是光刻膠材料中的光敏成分。在紫外區(qū)，會發(fā)生反應(yīng)。即對光能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 如果聚合物

34、中不添加感光劑，那么它對光的敏感性差，而且光譜范圍較寬，添加特定的感光劑后，可以增加感光靈敏度，而且限制反應(yīng)光的光譜范圍，或者把反應(yīng)光限制在某一波長的光?？刂坪突蚋淖児饣瘜W(xué)反應(yīng)決定曝光時間和強(qiáng)溶劑 光刻膠中容量最大的成分是溶劑。添加溶劑的目的是光刻膠處于液態(tài)，以便使光刻膠能夠通過旋轉(zhuǎn)的方法涂在晶園表面。 絕大多數(shù)的溶劑在曝光前揮發(fā)，對于光刻膠的光化學(xué)性質(zhì)幾乎沒有影響。 溶解聚合物 經(jīng)過旋轉(zhuǎn)涂布可得到薄光刻膠膜添加劑 光刻膠中的添加劑通常是專有化學(xué)品，成份由制造商開發(fā)，但是由于競爭原因不對外公布。 主要在光刻膠薄膜中用來改變光刻膠的特定化學(xué)性質(zhì)或光響應(yīng)特性。如添加染色劑以減少反射。光刻工藝 為確

35、保光刻膠能和晶園表面很好粘結(jié)，必須進(jìn)行表面處理，包括三個階段：微粒清除、脫水和涂底膠。1 氣相成底膜處理1 第一步:微粒清除 目的：清除掉晶圓在存儲、裝載和卸載到片匣過程中吸附到的一些顆粒狀污染物。 清除方法： 1）高壓氮氣吹除 2）化學(xué)濕法清洗：酸清洗和烘干。 3）旋轉(zhuǎn)刷刷洗 4）高壓水流噴洗第二步:脫水烘焙1 目的：干燥晶圓表面，使基底表面由親水性變?yōu)樵魉裕黾颖砻嬲掣叫浴?經(jīng)過清潔處理后的晶園表面可能會含有一定的水分（親水性表面），所以必須脫水烘焙使其達(dá)到清潔干燥（憎水性表面），以便增加光刻膠和晶園表面的黏附能力。 保持憎水性表面通常通過下面兩種方法：一是保持室內(nèi)溫度在50以下，并且在

36、晶園完成前一步工藝之后盡可能快的進(jìn)行涂膠。另一種方法是把晶園存儲在用干燥并且干凈的氮氣凈化過的干燥器中。 除此之外，一個加熱的操作也可以使晶園表面恢復(fù)到憎水表面。有三種溫度范圍：2 脫水烘焙的三個溫度范圍： 150-200，低溫蒸發(fā)水分； 400，中溫烘烤； 750，高溫烘干。第三步 晶圓涂底膠1 用hexamethyldisilazane（HMDS）進(jìn)行成膜處理 (HMDS:六甲基乙硅烷)2.要求： 在晶圓表面建立薄的、均勻的、并且沒有缺陷的光刻膠膜3 光刻膠的厚度：0.5m-1.5m；均勻性： 0.01m2.旋轉(zhuǎn)涂膠（Spin-on PR Coating） 成底膜處理后，硅片要立即涂上液相

37、光刻膠材料。常用方法：旋轉(zhuǎn)涂膠法 靜態(tài)涂膠工藝 首先把光刻膠通過管道堆積在晶園的中心，堆積量由晶園大小和光刻膠的類型決定，堆積量非常關(guān)鍵，量少了會導(dǎo)致涂膠不均勻，量大了會導(dǎo)致晶園邊緣光刻膠的堆積甚至流到背面 光刻膠覆蓋動態(tài)噴灑 隨著晶園直徑越來越大，靜態(tài)涂膠已不能滿足要求，動態(tài)噴灑是晶園以500rpm的速度低速旋轉(zhuǎn)，其目的是幫助光刻膠最初的擴(kuò)散，用這種方法可以用較少量的光刻膠而達(dá)到更均勻的光刻膠膜。待擴(kuò)散后旋轉(zhuǎn)器加速完成最終要求薄而均勻的光刻膠膜。 自動旋轉(zhuǎn)器 生產(chǎn)上的涂膠機(jī)是一個完整的系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)配置就是一條流水線：包括晶圓清洗、脫水、涂底膠、涂光刻膠、晶圓的裝載裝置，軟烘焙箱。旋轉(zhuǎn)涂膠

38、的四個步驟1.分滴：當(dāng)硅片靜止或者旋轉(zhuǎn)的非常慢時，光刻膠被分滴在硅片上2.旋轉(zhuǎn)鋪開：快速加速硅片使光刻膠伸展到整個硅片表面 3.旋轉(zhuǎn)甩掉：甩掉多于的光刻膠，在硅片上得到均勻的光刻膠膠膜覆蓋層。4.溶劑揮發(fā)：以固定轉(zhuǎn)速繼續(xù)旋轉(zhuǎn)涂膠的硅片，直到溶劑揮發(fā)，光刻膠膠膜幾乎干燥3. 軟烘（soft baking）因為光刻膠是一種粘稠體，所以涂膠結(jié)束后并不能直接進(jìn)行曝光，必須經(jīng)過烘焙，使光刻膠中的溶劑蒸發(fā)。烘焙后的光刻膠仍然保持“軟”狀態(tài)。但和晶園的粘結(jié)更加牢固。目的:去除光刻膠中的溶劑。 蒸發(fā)溶劑的原因： 1）溶劑吸收光，干擾了曝光中聚合物的化學(xué)反應(yīng)。 2）蒸發(fā)溶劑增強(qiáng)光刻膠和晶圓的粘附力。溫度在901

39、00 在熱板上加熱時間30秒然后在冷板上降溫 時間和溫度是軟烘焙的參數(shù)， 不完全的烘焙在曝光過程中造成圖像形成不完整和在刻蝕過程中造成多余的光刻膠漂移； 過分烘焙會造成光刻膠中的聚合物產(chǎn)生聚合反應(yīng)，并且不與曝光射線反應(yīng)，影響曝光。4.對準(zhǔn)和曝光（Alignment） （Exposure ）對準(zhǔn)是將掩膜版與涂了膠的硅片上的正確位置對準(zhǔn)。曝光是對準(zhǔn)以后，將掩膜版和硅片曝光，把掩膜版圖形轉(zhuǎn)移到涂膠的硅片上。亮場掩膜版：掩膜板的圖形是由不透光區(qū)域組成的。暗場掩膜版：掩膜板的圖形是由透光區(qū)域組成的。對準(zhǔn)和曝光包括兩個系統(tǒng)：一個是要把圖形在晶園表面上準(zhǔn)確定位的對準(zhǔn)系統(tǒng)（不同的對準(zhǔn)機(jī)類型的對準(zhǔn)系統(tǒng)各不相同）

40、；另一個是曝光系統(tǒng)（包括一個曝光光源和一個將輻射光線導(dǎo)向到晶園表面上的機(jī)械裝置）。 對準(zhǔn)系統(tǒng)：對準(zhǔn)機(jī)的性能指標(biāo) 分辨率：機(jī)器產(chǎn)生特定尺寸的能力， 分辨率越 高越好，機(jī)器的性能越好。 套準(zhǔn)能力：圖形準(zhǔn)確定位的能力曝光系統(tǒng) 最初曝光設(shè)備是接觸式光刻機(jī)和接近式光刻機(jī)，現(xiàn)在基本上不再使用.而今，光刻機(jī)已發(fā)展成兩大類型，即光學(xué)光刻機(jī)和非光學(xué)光刻機(jī)， 如圖所示。光學(xué) 光刻機(jī)采用紫外 線作為光源，而 非光學(xué)光刻機(jī)的 光源則來自電磁 光譜的其他成分。 一般要求： 短波長、高強(qiáng)、高穩(wěn)定性光源的產(chǎn)生： 高壓汞燈 準(zhǔn)分子激光器曝光光源普通光源光的波長范圍大，圖形邊緣衍射現(xiàn)象嚴(yán)重，滿足不了特征尺寸的要求。所以作為晶園

41、生產(chǎn)用的曝光光源必須是某一單一波長的光源最廣泛使用的曝光光源是高壓汞燈，它所產(chǎn)生的光為紫外光（UV），為獲得更高的清晰度，光刻膠被設(shè)計成只與汞燈光譜中很窄一段波長的光（稱為深紫外區(qū)或DUV）反應(yīng)。 除自之外，現(xiàn)今用的光源還有：準(zhǔn)分子激光器、X射線和電子束。下一代光源超UV(EUV:extreme ultraviolet)光刻X-Ray光刻電子束(Ebeam)光刻離子束(Ionbeam)曝光方法由于曝光光源的不同,曝光分為光學(xué)曝光,X射線曝光,電子束曝光和離子束曝光在光學(xué)曝光中,由于掩膜版的位置不同,又分為接觸式曝光,接近式曝光和投影式曝光.曝光方式:一類是光源發(fā)出的光線通過掩膜版把圖案轉(zhuǎn)移到光

42、刻膠膜上,如投影式曝光另一類是把光源聚集成很細(xì)的射束,直接在光刻膠上掃描出圖案(可以不用掩膜版),如電子束曝光光學(xué)曝光方式：接觸式曝光 Contact printing光學(xué)接近式曝光 Optical proximity printing掃描投影曝光 Scanning projection printing接觸式曝光 Contact printing由于掩膜版與硅片相接觸磨損，使得掩膜版的壽命降低。 Fresnel diffraction 菲涅耳衍射Mask Image: Resist Image = 1:1, 設(shè)備簡單，分辨率高，可達(dá)到0.5 m 。主要用于SSI和MSI電路中必須加壓力，會使

43、膠膜剝離； 易沾污，掩膜版易損壞，成品率下降。目前在生產(chǎn)中很少使用。由于光刻膠頂層平面不平，所以該曝光方式中間隔并不嚴(yán)格為0SiMaskP. R.SiO2接近式曝光proximity printingd= 10 25 m 最小線寬: Wm= (d)1/2 d:間隔； ：光源波長分辨率取決于間隙的大小，一般分辨率較差，為24m，d=10um, I-line (365nm) W 2um優(yōu)點：接近式曝光是以犧牲分辨率來延長了掩膜版的壽命，掩膜壽命長（可提高10 倍以上），圖形缺陷少。缺點：分辨率低，圖形模糊，操作比較復(fù)雜利用透鏡或反射鏡將掩膜版上的圖形投影到襯底上的曝光方法避免了掩膜版與硅片表面的摩

44、擦，延長了掩膜版的壽命。掩膜版的尺寸可以比實際尺寸大得多，克服了小圖形制版的困難。消除了由于掩膜版圖形線寬過小而產(chǎn)生的光衍射效應(yīng)，以及掩膜版與硅片表面接觸不平整而產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象。為了提高分辨率，減少圖形畸變，一次曝光的象場較小，采用掃描式曝光。 Fraunhofer diffraction 夫瑯禾費衍射：投影式曝光雖有很多優(yōu)點，但由于光刻設(shè)備中許多鏡頭需要特制，設(shè)備復(fù)雜投影式曝光projection printing現(xiàn)在的工藝普遍采用投影式光刻機(jī)，投影式光刻具有下列特點掃描投影曝光（Scanning Project Printing）分步重復(fù)投影曝光（Stepping-repeating P

45、roject Printing或 Stepper）。步進(jìn)掃描投影曝光（ Stepping Scanning ProjecPrinting）投影式曝光分類 光學(xué)曝光的各種曝光方式及其利弊接觸式非接觸式優(yōu)點：設(shè)備簡單，分辨率較高。缺點：掩模版與晶片易損傷，成品率低。接近式優(yōu)點：掩模版壽命長，成本低。缺點：衍射效應(yīng)嚴(yán)重，影響分辨率。投影式全反射折射優(yōu)點：無像差，無駐波效應(yīng)影響。缺點：光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，對準(zhǔn)困難。優(yōu)點：對片子平整度要求低，可采用較大孔徑的透鏡以提高分辨率，掩模制造方便。缺點：設(shè)備昂貴，曝光效率低。X射線曝光電子束曝光離子束曝光深紫外線曝光先進(jìn)的曝光技術(shù)4.電子束曝光分為投影式和掃描式 電子

46、束曝光的特點：電子束曝光的精度較高。電子束的斑點可以聚焦的很小，可用計算機(jī)控制，精度遠(yuǎn)比肉眼觀察要高。電子束曝光改變光刻圖形十分簡便。電子束曝光機(jī)是把各次曝光圖形用計算機(jī)來完成掃描電子束曝光不要掩膜版。電子束曝光設(shè)備復(fù)雜，成本較高。真空中進(jìn)行，清潔度高缺點是產(chǎn)量小1）曝光光源：X射線，這是一種用于深亞微米（可達(dá) 0.1微米）工藝的光刻技術(shù)2）掩膜版：黃金或其他能擋住X射線的材料3）優(yōu)點波長應(yīng)用范圍0.52nm，分辨率高焦深大，工藝寬容度大有機(jī)塵粒缺陷不敏感4）一般原理一種1：1的接近式光刻方法機(jī)械裝置對準(zhǔn)，用X射線光源使含有對X線透明和不透明區(qū)的掩膜圖形成像到涂有對X射線敏感的光刻膠的硅片表面

47、，最終形成器件制作所需的圖形。5.X射線曝光X 射線光源有二種1.X 射線點光源 用電子束轟擊靶發(fā)射的X光2.同步輻射光源 電子在磁場沿曲線軌道運動發(fā)出電磁輻射 各種光源的比較 光譜 波長（nm) 掩模材料分辨率 紫外光UV365 436 玻璃/Cr0.5 m 深紫外光DUV193 248 石英/Cr、Al0.2 m 極紫外光EUV 10 15多涂層反射層/金屬吸收層0.1 m X 射線 0.2 4Si、Si3N4、Al2O3/ Au、Pt、Os 等0.1 m 5. 曝光后烘烤（PEB）后烘（PEB，Post Exposure Baking） 目的：促進(jìn)光刻膠的化學(xué)反應(yīng)，提高光刻膠的粘附性并減

48、少駐波。 顯影液溶解部分光刻膠 將掩膜上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上6. 顯影（Development）三個基本步驟: 顯影清洗干燥a、顯影不完全（Incomplete Development）。表面還殘留有光刻膠。顯影液不足造成；b、顯影不夠（Under Development）。 顯影的側(cè)壁不垂直，由顯影時間不足造成；c、過度顯影（Over Development）。 靠近表面的光刻膠被顯影液過度溶解，形成臺階。顯影時間太長 顯影的三個主要類型的問題： 不完全顯影 顯影不足 嚴(yán)重過顯影。負(fù)光刻膠（Negative PR）顯影 1）顯影劑（developer solution）：二甲苯 2）沖洗化學(xué)

49、品（rinse）：n-丁基醋酸鹽 作用：快速稀釋顯影液，沖洗光刻膠 正光刻膠（Positive PR）顯影 1）顯影劑：堿水溶液，氫氧化鈉或氫氧化鉀； 2）沖洗劑：水 正膠的顯影工藝更加敏感。正膠和負(fù)膠的顯影顯影方法顯影方式分為：濕法顯影 干法（等離子）顯影濕法顯影沉浸顯影 ；連續(xù)噴霧（continuous spray）顯影；旋覆浸沒（puddle）顯影 1.沉浸顯影 最原始的方法。就是將待顯影的晶園放入盛有顯影液的容器中，經(jīng)過一定的時間再放入加有化學(xué)沖洗液的池中進(jìn)行沖洗。比較簡單，但存在的問題較多，比如：液體表面張力會阻止顯影液進(jìn)入微小開孔區(qū)；溶解的光刻膠粘在晶園表面影響顯影質(zhì)量；隨著顯影次

50、數(shù)增加顯影液的稀釋和污染；顯影溫度對顯影率的影響等。在大規(guī)模生產(chǎn)的今天，此方法不再適用。 顯影系統(tǒng)如圖所示。由此可見，顯影劑和沖洗液都是在一個系統(tǒng)內(nèi)完成，每次用的顯影液和沖洗液都是新的，所以較沉浸系統(tǒng)清潔。2.連續(xù)噴霧顯影（continuous spray development）自動旋轉(zhuǎn)顯影（Auto-rotation Development）一個或多個噴嘴噴灑顯影液在硅片表面，同時硅片低速旋轉(zhuǎn)（100500rpm）。噴嘴噴霧模式和硅片旋轉(zhuǎn)速度是實現(xiàn)硅片間溶解率和均勻性的可重復(fù)性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)參數(shù)。近年來，噴霧顯影已大部分被浸沒顯影代替，因為后者為上面的因素提供了更大的工藝窗口。噴覆足夠（不能太

51、多，最小化背面濕度）的顯影液到硅片表面，并形成水坑形狀硅片固定或慢慢旋轉(zhuǎn)。一般采用多次旋覆顯影液：第一次涂覆、保持1030秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。（多次旋覆浸沒補(bǔ)充了顯影液的化學(xué)藥品，更新顯影液和光刻膠之間的化學(xué)反應(yīng)）然后甩掉多余的顯影液，用去離子水沖洗（去除硅片兩面的所有化學(xué)品）并旋轉(zhuǎn)甩干。優(yōu)點：顯影液用量少；硅片顯影均勻；最小化了溫度 梯度。3.水坑（旋覆浸沒）式顯影（Puddle Development）干法顯影液體工藝的自動化程度不高，并且化學(xué)品的采購、存儲、控制和處理費用昂貴，取代液體化學(xué)顯影的途徑是使用等離子體刻蝕工藝，該工藝現(xiàn)已非常成熟。在此工藝中，離子從等離子體場得到

52、能量，以化學(xué)形式分解暴露的晶園表面層。干法光刻顯影要求光刻膠化學(xué)物的曝光或未曝光的之一易于被氧等離子體去除。方法：熱板，溫度在120到140 ，烘烤12分鐘 （比軟烘溫度高，但是也不能太高，否則光刻膠就會流動從而破壞圖形） 在方法和設(shè)備上與前面介紹的軟烘焙相似。目的：a、完全蒸發(fā)掉光刻膠里面的溶劑，以免污染后續(xù)的離子注入環(huán)境（例如DNQ酚醛樹脂光刻膠中的氮會引起光刻膠局部爆裂）b、堅膜，以提高光刻膠在離子注入或刻蝕中保護(hù)下表面的能力；c、進(jìn)一步增強(qiáng)光刻膠與硅片表面之間的黏附性；d、進(jìn)一步減少駐波效應(yīng)（Standing Wave Effect）堅膜烘焙（后烘，硬烘） 后烘Postbaking；硬

53、烘（Hard Baking） 烘焙工藝 時間和溫度仍然是主要的工藝參數(shù)，一般是制造商推薦，工藝工程師精確調(diào)整 常見問題：a、烘烤不足（Underbake）。減弱光刻膠的強(qiáng)度（抗刻蝕能力和離子注入中的阻擋能力）；降低針孔填充能力（Gapfill Capability for the needle hole）；降低與基底的黏附能力。b、烘烤過度（Overbake）。引起光刻膠的流動，使圖形精度降低，分辨率變差。 光刻膠在高溫下的流動顯影檢驗 光刻工藝的第一次質(zhì)檢，任何一次工藝過后都要進(jìn)行檢驗，經(jīng)檢驗合格的晶園流入下一道工藝，對顯影檢驗不合格的晶園可以返工重新曝光、顯影。顯影檢驗的內(nèi)容 圖形尺寸上的偏差，定位不準(zhǔn)的圖形，表面問題（光刻膠的污染、空洞或劃傷），以及污點和其他的表面不規(guī)則等。8. 顯影后檢查圖形檢查 合格的硅片將被去除光刻膠返工 光刻膠的圖形是臨時性的 刻蝕和注入后的圖形是永久的. 光刻是可以返工的 刻蝕和注入后能返工 光學(xué)顯微鏡 掃描電子顯微鏡(SEM)光刻質(zhì)量分析光刻是集成電路制造中最重要的一環(huán)，光刻的質(zhì)量直接影響到器件的性能，成品率和可靠性。因此必須認(rèn)真對待光刻中的質(zhì)量問題光刻中的主要質(zhì)量問題有： 溶膠，小島，針