1、微電子工藝學(xué)Microelectronic Processing,鄧衛(wèi)之,content,1.概述 2.薄膜 3.CMOS flow簡介 4.fail module 簡介 5.,1.1 概述,diffusion,implant,PVD,CVD,EPI,Litho/photo,Dry etch,wet etch/strip,scrubber,CMP,離子注入概述,最早應(yīng)用于原子物理和核物理研究 提出于1950s 1970s中期引入半導(dǎo)體制造領(lǐng)域,離子注入,離子注入是另一種對半導(dǎo)體進行摻雜的方法。將雜質(zhì)電離成離子并聚焦成離子束，在電場中加速而獲得極高的動能后，注入到硅中（稱為 “靶” ）而實現(xiàn)摻雜

2、。,離子束是一種帶電原子或帶電分子的束狀流，能被電場或磁場偏轉(zhuǎn)，能在高壓下加速而獲得很高的動能。 離子束的用途 摻雜、曝光、刻蝕、鍍膜、退火、凈化、改性、打孔、切割等。不同的用途需要不同的離子能量 E ： E 50 KeV，注入摻雜,離子束的性質(zhì),離子束加工方式可分為 1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（掃描方式，或聚焦離子束（FIB）方式）,掩模方式是對整個硅片進行均勻的地毯式注入，同時象擴散工藝一樣使用掩蔽膜來對選擇性區(qū)域進行摻雜。擴散工藝的掩蔽膜必須是 SiO2 膜，而離子注入的掩蔽膜可以是 SiO2 膜，也可以是光刻膠等其他薄膜。 掩模方式用于摻雜與刻蝕時的優(yōu)點是 生產(chǎn)效率高，設(shè)備

3、相對簡單，控制容易，所以應(yīng)用比較早，工藝比較成熟。缺點是 需要制作掩蔽膜。,1、掩模方式（投影方式）,聚焦方式的優(yōu)點是 不需掩模，圖形形成靈活。缺點是 生產(chǎn)效率低，設(shè)備復(fù)雜，控制復(fù)雜。實現(xiàn)聚焦方式的關(guān)鍵技術(shù)是 1、高亮度小束斑長壽命高穩(wěn)定的離子源； 2、將離子束聚焦成亞微米數(shù)量級細束并使之偏轉(zhuǎn)掃描的離子光學(xué)系統(tǒng)。,2、聚焦方式（掃描方式),7.1 離子注入系統(tǒng),離子源：用于離化雜質(zhì)的容器。常用的雜質(zhì)源氣體有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。 質(zhì)量分析器：不同離子具有不同的電荷質(zhì)量比，因而在分析器磁場中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由此可分離出所需的雜質(zhì)離子，且離子束很純。 加速器：為高壓靜電場，用來對離

4、子束加速。該加速能量是決定離子注入深度的一個重要參量。 中性束偏移器：利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。,聚焦系統(tǒng)：用來將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。 偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)：用來實現(xiàn)離子束 x、y 方向的一定面積內(nèi)進行掃描。 工作室：放置樣品的地方，其位置可調(diào)。,離子注入系統(tǒng)示意圖,離子注入系統(tǒng)事物圖,一、離子源 作用：產(chǎn)生所需種類的離子并將其引出形成離子束。 分類：等離子體型離子源、液態(tài)金屬離子源（LMIS）。,掩模方式需要大面積平行離子束源，故一般采用等離子體型離子源，其典型的有效源尺寸為 100 m ，亮度為 10 100 A/cm2.sr。 聚焦方式則需要高亮度小束斑離子源，當(dāng)液

5、態(tài)金屬離子源（LMIS）出現(xiàn)后才得以順利發(fā)展。LMIS 的典型有效源尺寸為 5 500 nm，亮度為 106 107 A/cm2.sr 。,1、等離子體型離子源,這里的 等離子體 是指部分電離的氣體。雖然等離子體中的電離成分可能不到萬分之一，其密度、壓力、溫度等物理量仍與普通氣體相同，正、負電荷數(shù)相等，宏觀上仍為電中性，但其電學(xué)特性卻發(fā)生了很大變化，成為一種電導(dǎo)率很高的流體。,產(chǎn)生等離子體的方法有熱電離、光電離和電場加速電離。大規(guī)模集成技術(shù)中使用的等離子體型離子源，主要是由電場加速方式產(chǎn)生的，如直流放電式、射頻放電式等。,2、液態(tài)金屬離子源（LMIS）,LMIS 是近幾年發(fā)展起來的一種高亮度小

6、束斑的離子源，其離子束經(jīng)離子光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，可形成 納米量級的小束斑離子束，從而使得聚焦離子束技術(shù)得以實現(xiàn)。此技術(shù)可應(yīng)用于離子注入、離子束曝光、刻蝕等。,LMIS 的類型、結(jié)構(gòu)和發(fā)射機理,針形,V 形,螺旋形,同軸形,毛細管形,液態(tài)金屬,鎢針,類型,對液態(tài)金屬的要求 (1) 與容器及鎢針不發(fā)生任何反應(yīng)； (2) 能與鎢針充分均勻地浸潤； (3) 具有低熔點低蒸汽壓，以便在真空中及不太高的溫度下既保持液態(tài)又不蒸發(fā)。 能同時滿足以上條件的金屬只有 Ga、In、Au、Sn 等少數(shù)幾種，其中 Ga 是最常用的一種。,E1 是主高壓，即離子束的加速電壓；E2 是針尖與引出極之間的電壓，用以調(diào)節(jié)針尖表面上

7、液態(tài)金屬的形狀，并將離子引出；E3 是加熱器電源。,E1,E2,E3,針尖的曲率半徑為 ro = 1 5 m，改變 E2 可以調(diào)節(jié)針尖與引出極之間的電場，使液態(tài)金屬在針尖處形成一個圓錐，此圓錐頂?shù)那拾霃?僅有 10 nm 的數(shù)量級，這就是 LMIS 能產(chǎn)生小束斑離子束的關(guān)鍵。,引出極,當(dāng) E2 增大到使電場超過液態(tài)金屬的場蒸發(fā)值（ Ga 的場蒸發(fā)值為 15.2V/nm）時，液態(tài)金屬在圓錐頂處產(chǎn)生場蒸發(fā)與場電離，發(fā)射金屬離子與電子。其中電子被引出極排斥，而金屬離子則被引出極拉出，形成離子束。 若改變 E2 的極性 ，則可排斥離子而拉出電子，使這種源改變成電子束源。,E1,E2,E3,引出極,共

8、晶合金 LMIS 通常用來對各種半導(dǎo)體進行離子注入摻雜的元素因為熔點高或蒸汽壓高而無法制成單體 LMIS 。,根據(jù)冶金學(xué)原理，由兩種或多種金屬組成的合金，其熔點會大大低于組成這種合金的單體金屬的熔點，從而可大大降低合金中金屬處于液態(tài)時的蒸汽壓。,例如，金和硅的熔點分別為 1063oC 和 1404oC，它們在此溫度時的蒸汽壓分別為 10-3 Torr 和 10-1 Torr。當(dāng)以適當(dāng)組分組成合金時，其熔點降為 370 oC ，在此溫度下，金和硅的蒸汽壓分別僅為 10-19 Torr 和 10-22 Torr。這就滿足了 LMIS 的要求。 對所引出的離子再進行質(zhì)量分析，就可獲得所需的離子。,二

9、、質(zhì)量分析系統(tǒng) 1、 質(zhì)量分析器 由一套靜電偏轉(zhuǎn)器和一套磁偏轉(zhuǎn)器組成，E 與 B 的方向相互垂直。,O,光闌,離子不被偏轉(zhuǎn)。由此可解得不被偏轉(zhuǎn)的離子的 荷質(zhì)比 qo 為,對于某種荷質(zhì)比為 qo 的所需離子，可通過調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電壓 Vf 或偏轉(zhuǎn)磁場 B ，使之滿足下式，就可使這種離子不被偏轉(zhuǎn)而通過光闌。,通常是調(diào)節(jié) Vf 而不是調(diào)節(jié) B。,當(dāng)荷質(zhì)比為 qo 的離子不被偏轉(zhuǎn)時，具有荷質(zhì)比為qs = q/ms 的其它離子的偏轉(zhuǎn)量 Db 為,將前面的 B 的表達式 代入 Db ，得,討論 (1) 為屏蔽荷質(zhì)比為 qs 的離子，光闌半徑 D 必須滿足,(2) 若 D 固定，則具有下列荷質(zhì)比 的離子可被屏蔽，

10、,而滿足下列荷質(zhì)比的離子均可通過光闌，,以上各式可用于評價 質(zhì)量分析器的分辨本領(lǐng)。,2、磁質(zhì)量分析器,光闌1,光闌2,為向心力，使離子作圓周運動，,半徑為,從上式可知，滿足荷質(zhì)比 的離子可通過光闌 2。,或者對于給定的具有荷質(zhì)比為 qo 的離子，可通過調(diào)節(jié)磁場 B 使之滿足下式，從而使該種離子通過光闌 2，,另外，若固定 r 和 Va ，通過連續(xù)改變 B ，可使具有不同荷質(zhì)比的離子依次通過光闌 2，測量這些不同荷質(zhì)比的離子束流的強度，可得到入射離子束的質(zhì)譜分布。,其余的離子則不能通過光闌 2，由此達到分選離子的目的。,兩種質(zhì)量分析器的比較 在 質(zhì)量分析器中，所需離子不改變方向，但在輸出的離子束

11、中容易含有中性粒子。磁質(zhì)量分析器則相反，所需離子要改變方向，但其優(yōu)點是中性粒子束不能通過。,離子注入過程：入射離子與半導(dǎo)體（靶）的原子核和電子不斷發(fā)生碰撞，其方向改變，能量減少，經(jīng)過一段曲折路徑的運動后，因動能耗盡而停止在某處。,7.2 平均投影射程,射程：離子從入射點到靜止點所通過的總路程。 平均射程：射程的平均值，記為 R 。 投影射程：射程在入射方向上的投影長度，記為 xp 。 平均投影射程：投影射程的平均值，記為 RP 。 標準偏差：,平均投影射程與初始能量的關(guān)系,由此可得平均投影射程為,入射離子能量損失的原因是受到 核阻擋 與 電子阻擋。,核阻擋,電子阻擋,一個入射離子在 dx 射程

12、內(nèi)，由于與核及電子碰撞而失去的總能量為,Se 的計算較簡單，離子受電子的阻力正比于離子的速度。,Sn 的計算比較復(fù)雜，而且無法得到解析形式的結(jié)果。下圖是數(shù)值計算得到的曲線形式的結(jié)果。,Sn = Se,(2) 當(dāng) E0 遠大于 E2 所對應(yīng)的能量值時，Sn Se ，以電子阻擋為主，此時散射角較小，離子近似作直線運動，射程分布較集中。隨著離子能量的降低，逐漸過渡到以核阻擋為主，離子射程的末端部分又變成為折線。,(1) 當(dāng)入射離子的初始能量 E0 小于 E2 所對應(yīng)的能量值時， Sn Se ，以核阻擋為主，此時散射角較大，離子運動方向發(fā)生較大偏折，射程分布較為分散。,在實際工作中，平均投影射程 RP

13、 () 及標準偏差 RP ()與注入能量 (KeV) 的關(guān)系可從下圖 （下表）查到。,7.3 離子注入的特點,1.特點 可以獨立控制雜質(zhì)分布（離子能量） 和雜質(zhì)濃度（離子流密度和注入時間） 各向異性摻雜 容易獲得高濃度摻雜 （特別是：重雜質(zhì)原子，如P和As等）。,2.離子注入與擴散的比較,擴散,離子注入,2.注入與擴散的比較,3.離子注入控制,離子束流密度和注入時間控制雜質(zhì)濃度 （注入離子劑量） 離子能量控制結(jié)深 雜質(zhì)分布各向異性,4.阻止機制,典型離子能量：5500keV 離子注入襯底，與晶格原子碰撞，逐漸損失其能量，最后停止下來 兩種阻止機制：核碰撞和電子碰撞,核阻止 與晶格原子的原子核碰

14、撞 大角度散射（離子與靶原子質(zhì)量同數(shù)量級） 可能引起晶格損傷（間隙原子和空位）. 電子阻止 與晶格原子的自由電子及束縛電子碰撞 注入離子路徑基本不變 能量損失很少 晶格損傷可以忽略,4.阻止機制,兩種阻止機制,4.阻止機制,總的阻止本領(lǐng)： Stotal = Sn + Se Sn: 核阻止, Se: 電子阻止,低能區(qū)：核阻止本領(lǐng)占主要 中能區(qū)：兩者同等重要 高能區(qū)：電子阻止本領(lǐng)占主要 固體中的電子可以看為電子氣，電子阻止類似于黏滯氣體的阻力，電子阻止本領(lǐng)與注入離子速度成正比；,空氣阻力與速度的平方成正比,4.阻止機制,背散射,溝道,自由碰撞,阻止本領(lǐng)與離子速度,阻止本領(lǐng),核阻止,電子阻止,離子速

15、度,注入離子分布,RP：投影射程，射程的平均值,阻擋 200keV 離子束的阻擋層厚度,典型能量：5500KeV,掩膜厚度,5.注入過程:注入通道, 如果入射角度恰好，離子能夠在不和晶格原子碰撞的情況下運動很遠距離 會引起不可控的雜質(zhì)分布,大量碰撞,很少碰撞,6.溝道效應(yīng),溝道中核阻止很小，電子密度也很低,碰撞后引起的溝道效應(yīng),碰撞后形成的溝道效應(yīng),碰撞引起,溝道引起,碰撞引起,注入過程: 溝道效應(yīng), 避免溝道效應(yīng)的方法 傾斜圓片, 7最常用 屏蔽氧化層（無定形） 注入前預(yù)先無定型處理 陰影效應(yīng) 離子受到掩膜結(jié)構(gòu)阻擋 旋轉(zhuǎn)圓片和注入后擴散,7.陰影效應(yīng),粒子束,陰影效應(yīng)消除,問題,為什么不利用

16、溝道效應(yīng)在離子能量不高的情況產(chǎn)生深結(jié)？,答案,離子束不是完美地平行。許多離子注入襯底后會發(fā)生許多次核碰撞，只要少數(shù)一些會進入很深的距離。,7.4 注入損傷,注入離子將能量轉(zhuǎn)移給晶格原子 產(chǎn)生自由原子（間隙原子空位 缺陷對） 自由原子與其它晶格原子碰撞 使更多的晶格原子成為自由原子 直到所有自由原子均停止下來，損傷才停止 一個高能離子可以引起數(shù)千個晶格原子位移,一個離子引起的晶格損傷,輕離子,重離子,注入損傷過程,離子與晶格原子碰撞，使其脫離晶格格點 襯底注入?yún)^(qū)變?yōu)闊o定型結(jié)構(gòu),注入前,注入后,7.5退火的作用,雜質(zhì)原子必須處于單晶結(jié)構(gòu)中并與四個Si原子形成共價鍵才能被激活 ，donor (N-t

17、ype) 或acceptor (P-type) 高溫?zé)崮軒椭鸁o定型原子恢復(fù)單晶結(jié)構(gòu),熱退火,晶格原子,雜質(zhì)原子,熱退火,晶格原子,雜質(zhì)原子,熱退火,晶格原子,雜質(zhì)原子,熱退火,晶格原子,雜質(zhì)原子,退火前后的比較,退火前,退火后,快速熱退火 (RTA),高溫下, 退火超越擴散 RTA (RTP) 廣泛用于注入后退火 RTA 很快 (小于1分鐘), 更好的片間（WTW）均勻性, 最小化雜質(zhì)擴散,RTA和爐退火,RTP退火,爐退火,問題,高溫爐的溫度為什么不能象RTA系統(tǒng)那樣快速升溫和降溫？,答案,高溫爐有很大的熱容積，需要很高的加熱功率去獲得快速升溫。很難避免快速升溫時大的溫度擺動（溫度過沖和下沖

18、）,7.6注入工藝,粒子束路徑,離子注入: Plasma Flooding System, 離子引起晶圓表面充電 晶圓表面充電引起非均勻摻雜和弧形缺陷 電子注入離子束中，中和晶圓表面電荷 熱鎢燈絲發(fā)射的熱電子產(chǎn)生Ar等離子體（Ar+和電子）,7.7晶圓表面充電,注入離子使晶圓表面帶正電 排斥正離子，引起離子束彎曲，造成不均勻雜質(zhì)分布 電弧放電引起晶圓表面損傷 使柵氧化層擊穿，降低工藝成品率 需要消除和減弱充電效應(yīng),充電效應(yīng),離子軌道,電荷中和系統(tǒng),需要提供電子中和正離子； Plasma flooding system 電子槍 電子噴頭,Plasma Flooding System,Wafer

19、Handling,Ion beam diameter: 25 mm (1”), Wafer diameter: 200 mm (8”) or larger Needs to move beam or wafer, or both, to scan ion beam across the whole wafer Spin wheel Spin disk Single wafer scan,Spin Wheel,Spin Disk,Single Wafer Scanning System,Ion Implantation: End Analyzer,Faraday charge detector

20、Used to calibrate beam current, energy and profile,Ion Implantation: The Process,CMOS applications CMOS ion implantation requirements Implantation process evaluations,Implantation Process: Well Implantation,Implantation Process: VT Adjust Implantation,Low Energy , Low Current,Lightly Doped Drain (LD

21、D) Implantation,Low energy (10 keV), low current (1013/cm2),Implantation Process: S/D Implantation,Low energy (20 keV), high current (1015/cm2),Ion Implantation Processes,CMOS on SOI Substrate,Oxygen Ion Implantation,High Temperature Annealing,7.10 小結(jié),本章首先描述了離子注入系統(tǒng)的組成部分，特別是對各種離子源和質(zhì)量分析系統(tǒng)作了較詳細的介紹。離子注入

22、后的雜質(zhì)濃度分布為高斯函數(shù)分布。討論了離子注入的溝道效應(yīng)及防止措施。離子注入后必須進行退火處理，目的是激活雜質(zhì)和消除注入損傷。通過高劑量的氧離子注入，可以形成絕緣埋層。,下面總結(jié)一下離子注入的優(yōu)缺點。,1、可控性好，離子注入能精確控制摻雜的濃度分布和摻雜深度，因而適于制作極低的濃度和很淺的結(jié)深；,2、可以獲得任意的摻雜濃度分布；,3、注入溫度低，一般不超過 400，退火溫度也在 650 左右，避免了高溫過程帶來的不利影響，如結(jié)的推移、熱缺陷、硅片的變形等；,4、結(jié)面比較平坦；,離子注入的 優(yōu)點,5、工藝靈活，可以穿透表面薄膜注入到下面的襯底中，也可以采用多種材料作掩蔽膜，如 SiO2 、金屬膜

23、或光刻膠等；,6、均勻性和重復(fù)性好；,7、橫向擴展小，有利于提高集成電路的集成度、提高器件和集成電路的工作頻率；,8、可以用電的方法來控制離子束，因而易于實現(xiàn)自動控制，同時也易于實現(xiàn)無掩模的聚焦離子束技術(shù)；,9、擴大了雜質(zhì)的選擇范圍；,10、離子注入中通過質(zhì)量分析器選出單一的雜質(zhì)離子，保證了摻雜的純度。,離子注入的 缺點,1、離子注入將在靶中產(chǎn)生大量晶格缺陷；,2、離子注入難以獲得很深的結(jié)深；,3、離子注入的生產(chǎn)效率比擴散工藝低；,3、離子注入系統(tǒng)復(fù)雜昂貴。,氧化：高品質(zhì)SiO2的成功開發(fā)，是推動硅(Si)集成電路成為商用產(chǎn)品主流的一大動力。一般說來， SiO2可作為許多器件結(jié)構(gòu)的絕緣體，或在

24、器件制作過程中作為擴散或離子注入的阻擋層。如在p-n結(jié)的制造過程中， SiO2薄膜可用來定義結(jié)的區(qū)域。 圖 (a)顯示一無覆蓋層的硅晶片，正準備進行氧化步驟。在氧化步驟結(jié)束后，一層SiO2就會均勻地形成在晶片表面。為簡化討論，圖 (b)只顯示被氧化晶片的上表層。,1.1 概述,光刻技術(shù)被用來界定幾何形狀。在形成SiO2之后。利用高速旋轉(zhuǎn)機，將晶片表面旋涂一層對紫外光敏感的材料，稱為光刻膠(photo-resist)。將晶片從旋轉(zhuǎn)機拿下之后圖 (c)，在80C100C之間烘烤。以驅(qū)除光刻膠中的溶劑并硬化光刻膠，加強光刻膠與晶片的附著力。如圖 (d)所示，下一個步驟使用UV光源，通過一有圖案的掩模

25、版對晶片進行曝光。對于被光刻膠覆蓋的晶片在其曝光的區(qū)域?qū)⒁罁?jù)光刻膠的型態(tài)進行化學(xué)反應(yīng)。而被暴露在光線中的光刻膠會進行聚合反應(yīng)，且在刻蝕劑中不易去除。聚合物區(qū)域在晶片放進顯影劑(developer)后仍然存在，而未被曝光區(qū)域(在不透明掩模版區(qū)域之下)會溶解并被洗去。,1.1 概述,圖 (a)為顯影后的晶片。晶片再次于120180 之間烘烤20min，以加強對襯底的附著力和即將進行的刻蝕步驟的抗蝕能力。然后，使用緩沖氫氟酸作酸刻蝕液來移除沒有被光刻膠保護的一。氧化硅表面，如圖4(b)所示。最后，使用化學(xué)溶劑或等離子體氧化系統(tǒng)剝離(stripped)光刻膠。圖 (c)顯示光刻步驟之后，沒有氧化層區(qū)域

26、(一個窗戶)的最終結(jié)果。晶片此時已經(jīng)完成準備工作，可接著用擴散或離子注入步驟形成p-n結(jié)。,1.1 概述,在擴散方法中，沒有被SiO2保護的半導(dǎo)體表面暴露在相反型態(tài)的高濃度雜質(zhì)中。雜質(zhì)利用固態(tài)擴散的方式，進入半導(dǎo)體晶格。在離子注入時，將欲摻雜的雜質(zhì)離子加速到一高能級，然后注入半導(dǎo)體內(nèi)。 SiO2可作為阻擋雜質(zhì)擴散或離子注入的阻擋層。在擴散或離子注入步驟之后，p-n結(jié)已經(jīng)形成，如圖(d)所示。由于被注入的離子橫向擴散或橫向散開(lateral straggle，又譯橫向游走)的關(guān)系，P型區(qū)域會比所開的窗戶稍微寬些。,1.1 概述,在擴散或離子注入步驟之后，歐姆接觸和連線在接著的金屬化步驟完成圖

27、(e)。金屬薄膜可以用物理氣相淀積和化學(xué)氣相淀積來形成。光刻步驟再度用來定義正面接觸點，如圖 (f)所示。一相似的金屬化步驟可用來定義背面接觸點，而不用光刻工藝。一般而言，低溫(500。C)的退火步驟用來促進金屬層和半導(dǎo)體之間的低電阻接觸點。隨著金屬化的完成，p-n結(jié)已經(jīng)可以工作了。,6.1 概述,圖形轉(zhuǎn)移(pattern transfer)是微電子工藝的重要基礎(chǔ)，其作用是使器件和電路的設(shè)計從圖紙或工作站轉(zhuǎn)移到基片上得以實現(xiàn)，我們可以把它看作是一個在襯底上建立三維圖形的過程，包括光刻和刻蝕兩個步驟。 光刻 (lithography，又譯圖形曝光 )：使用帶有某一層設(shè)計幾何圖形的掩模版(mask

28、)，通過光化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過曝光和顯影，使光敏的光刻膠在襯底上形成三維浮雕圖形。將圖案轉(zhuǎn)移到覆蓋在半導(dǎo)體晶片上的感光薄膜層上(稱為光致光刻膠、光刻膠或光阻，resist，簡稱光刻膠)的一種工藝步驟。 這些圖案可用來定義集成電路中各種不同區(qū)域，如離子注入、接觸窗(contact window)與壓焊墊(bonding-pad)區(qū)。而由光刻所形成的光刻膠圖案，并不是電路器件的最終部分，而只是電路圖形的印模。,6.1 概述,在集成電路制造中，主要的光刻設(shè)備是利用紫外光(0.20.4m)的光學(xué)儀器。 刻蝕：在光刻膠掩蔽下，根據(jù)需要形成微圖形的膜層不同，采用不同的刻蝕物質(zhì)和方法在膜層上進行選擇性刻蝕。 這樣

29、，去掉光刻膠以后，三維設(shè)計圖形就轉(zhuǎn)移到了襯底的相關(guān)膜層上。圖形轉(zhuǎn)移工藝是如此重要，以至一種微電子工藝技術(shù)的水平通常以光刻和刻蝕的圖形線寬（特征尺寸）表示。,6.1 概述,光刻（lithography）是以一種被稱為光刻膠的光敏感聚合物為主要材料的照相制版技術(shù)。集成電路發(fā)明至今，電路集成度提高了六個數(shù)量級以上，主要歸功于光刻技術(shù)的進步。,8.2 光刻工藝,光刻工藝的重要性源于兩個方面： a. 微電子制造需進行多次光刻，耗費總成本的30。因此光刻是主流微電子制造過程中最復(fù)雜、昂貴和關(guān)鍵的工藝； b. 隨著器件和電路特征尺寸的不斷縮小，光刻工藝已成為微電子技術(shù)進一步發(fā)展的主要瓶頸。 在目前基礎(chǔ)上進一

30、步縮小光刻圖形尺寸會遇到一系列技術(shù)上甚至理論上的難題，因此大批科學(xué)家和工程師正在從光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、精密機械、自動控制以及電子技術(shù)等不同途徑對光刻技術(shù)進行深入的研究和探索。,8.2 光刻工藝,以ULSI為例，對光刻技術(shù)的基本要求包括幾個方面： a. 高分辨率：以線寬作為光刻水平的標志； b. 高靈敏度光刻膠：為提高產(chǎn)量，希望曝光時間盡量短； c. 低缺陷：光刻引入缺陷所造成的影響比其它工藝更為嚴重； d. 精密的套刻對準：一般器件結(jié)構(gòu)允許套刻誤差為線寬的10； e. 對大尺寸基片的加工：在大尺寸基片上光刻難度更大。,8.2 光刻工藝,光刻膠 光刻膠（photoresist，又稱光致抗蝕劑）是

31、一類對輻照敏感的、由碳、氫、氧等元素組成的有機高分子化合物，這類化合物中均含有一種可以由特定波長的光引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的感光劑（PAC: photoactive compound）。依其對光照的反應(yīng)分成正性光刻膠 與負性光刻膠。 在一定外界條件（如曝光）的作用下，光刻膠的分子結(jié)構(gòu)由于光化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生變化，進而引起其化學(xué)、物理或機械性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)變化，例如在顯影液中的溶解度發(fā)生變化，由可溶性變?yōu)椴豢扇苄曰蛘呦喾?。這樣，光刻膠感光部分與未感光部分在顯影液中的溶解速度就出現(xiàn)差異。在微電子工藝中，就是利用光刻膠的這一特性來進行光刻的。,8.2 光刻工藝,正膠和負膠圖形轉(zhuǎn)移,光刻膠通?？煞譃檎阅z和負性膠兩類，

32、兩者經(jīng)曝光和顯影后得到的圖形正好相反。顯影時，正膠的感光區(qū)較易溶解而未感光區(qū)不溶解，所形成的光刻膠圖形是掩模版圖形的正映象。負膠的情況正相反，顯影時感光區(qū)較難溶解而未感光區(qū)溶解，形成的光刻膠圖形是掩模版圖形的負映象。,8.2 光刻工藝,光學(xué)光刻使用的正膠通常含有三種主要成分：酚醛樹脂、感光劑和有機溶劑。曝光前的光刻膠基本上不溶于顯影液。曝光時，感光劑 如 g 線（436 nm）和 i 線（365 nm）光刻時正膠中的重氮醌（DNQ），因吸收光能而導(dǎo)致化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在顯影液中的溶解度比曝光前高出很多（約100倍）。顯影后，感光部分光刻膠被溶解去除。,8.2 光刻工藝,負膠是一種含有感光劑的聚

33、合物。曝光時，感光劑將吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能而引起鏈反應(yīng)，聚合物分子間發(fā)生交聯(lián)，形成不溶于顯影液的高分子交聯(lián)聚合物。顯影后，未感光部分的光刻膠被去除。負膠的主要缺點是顯影時吸收顯影液溶劑而膨脹，限制了其分辨率。,8.2 光刻工藝,下圖(a)為典型的曝光反應(yīng)曲線與正膠的影像截面圖。反應(yīng)曲線描述在曝光與顯影過程后，殘存刻膠的百分率與曝光能量間的關(guān)系。值得注意的是，即使未被曝光，少量刻膠也會溶于顯影液中。,圖 (a)的截面圖說明了掩模版圖形邊緣與曝光后光刻膠圖形邊緣的關(guān)系。由于衍射，光刻膠圖形邊緣一般并不位于掩模版邊緣垂直投影的位置，而是位于光總吸收能量等于其閾值能量ET處。 圖 (b)為負膠的曝光

34、反應(yīng)曲線與圖形的截面圖。,8.2 光刻工藝,光刻膠的性能參數(shù) a. 光學(xué)性質(zhì)：如靈敏度、分辨率、對比度、折射率； b. 力學(xué)和化學(xué)性質(zhì) ：如固溶度、黏滯度、抗蝕性、熱穩(wěn)定性、流動性和對環(huán)境氣氛的敏感度； c. 其它性質(zhì)：如純度、金屬含量、可使用范圍、有效期和燃點； 一、分辨率 分辨率是指每毫米寬度內(nèi)能夠光刻出可分辨的最多線對數(shù)，它是對光刻工藝可以達到的最小圖形尺寸的一種描述。在線寬 L 與線條間距相等的情況下，分辨率為： ，光刻分辨率受光刻系統(tǒng)、光刻膠和光刻等多方面因素影響。,8.2 光刻工藝,二、靈敏度 光刻膠的靈敏度是指完成光刻所需最小曝光劑量（光能量，mJ/cm2）。對于光化學(xué)反應(yīng)，靈敏

35、度是由曝光效率決定的，而曝光效率可以定義為參與曝光的光子能量與進入光刻膠的光子能量的比值。通常正膠比負膠有更高的曝光效率，因此正膠的靈敏度比較大。對于一個給定的曝光強度，靈敏度大的光刻膠曝光時間較短，且曝光效果較好。但如果靈敏度過大，光刻膠在室溫下就可能發(fā)生熱分解，使其儲存有效期縮短。 在使用正膠曝光的過程中，要注意光刻膠與曝光源之間的匹配關(guān)系。光刻膠與曝光波長之間的諧調(diào)非常重要，因為其它譜系的光線（如黃光和綠光）對光刻膠也會產(chǎn)生一定曝光效果。一般要求非曝光區(qū)對光波的吸收系數(shù)不能大于40，否則將影響曝光圖形。,8.2 光刻工藝,三、對比度 對比度是衡量光刻膠區(qū)分掩模版上亮區(qū)與暗區(qū)的能力大小的指

36、標。從理論上說，光刻膠的對比度會直接影響曝光后光刻膠圖形的傾角和線寬。,8.2 光刻工藝,為測量光刻膠的對比度，可以將一定厚度的光刻膠在不同輻照劑量下曝光，測量顯影后剩余光刻膠的厚度（留膜率），利用留膜率與曝光劑量的關(guān)系曲線進行計算。,對于負膠，存在一個臨界曝光劑量 D0。曝光劑量小于D0時，負膠在顯影液中完全可溶，不會形成曝光圖形。曝光劑量達臨界值后，感光區(qū)剩余膜厚隨曝光劑量增大而增大。 當(dāng)曝光劑量達到 D100 以上時，感光區(qū)剩余膜厚最終達到初始時負膠的厚度。因此，負膠的對比度取決于曲線的曝光劑量取對數(shù)坐標之后得到的斜率。,負膠光刻膠對比度曲線,8.2 光刻工藝,正膠的感光區(qū)剩余膜厚與曝光

37、劑量的關(guān)系如右圖所示。D0為感光區(qū)光刻膠在顯影液中完全不溶，即在光刻膠上不產(chǎn)生曝光圖形所允許的最大曝光劑量。D100為感光區(qū)光刻膠在顯影液中完全可溶所需的最小曝光劑量。可以看出，感光區(qū)剩余膜厚隨曝光劑量的增加逐漸減小。對比度與該曲線外推斜率的絕對值有關(guān)：,正膠光刻膠對比度曲線,8.2 光刻工藝,在理想曝光過程中，輻照在光刻膠上的投影區(qū)域應(yīng)該與掩模版的透光區(qū)域完全相同，其它區(qū)域沒有輻照投影。但在實際曝光過程中，由于衍射和散射的影響，光刻膠所受輻照具有一定分布，因此顯影后剩余光刻膠層的側(cè)面通常有一定斜坡。 側(cè)墻的傾斜角度與光刻膠對比度和膜厚有關(guān)。光刻膠對比度越高，剩余光刻膠層側(cè)墻越陡。而光刻膠層側(cè)

38、墻陡度越大，線寬測量的精確度越高。同時，側(cè)墻陡峭的光刻膠層可以減小刻蝕過程中的鉆蝕效應(yīng)，提高圖形轉(zhuǎn)移分辨率。,顯影后的理想光刻膠剖面,8.2 光刻工藝,另一個可以從對比度中得到的光刻膠性能指標是調(diào)制傳輸函數(shù)（MTF），它可以用來描述曝光圖形的質(zhì)量： 其中Imax 和Imin 分別為曝光圖形上最大和最小輻照強度。 光刻膠臨界調(diào)制傳輸函數(shù)（CMTF）為： CMTF的典型值約為0.4。如果一個實際光刻圖形的MTF小于所用光刻膠的CMTF，則光刻圖形上的最小尺寸線條不能被分辨。反之，則可能被分辨。 對比度與CMTF的關(guān)系為： 對于曝光系統(tǒng)，如果該系統(tǒng)對各種線條的MTF均已知，則根據(jù)光刻膠對比度可計算出

39、該系統(tǒng)能夠形成的最小圖形尺寸。,8.2 光刻工藝,改進光刻膠技術(shù),a. 多層光刻膠技術(shù)（MLR）：采用性質(zhì)不同的多層光刻膠，利用其抗蝕性、對比度等方面的不同性能完成高分辨率的光刻。主要包括：硅化學(xué)增強（Si-CARL）工藝；使用對比增強層（CEL）工藝；硅烷基化光刻膠表面成像工藝。 b. 抗反射涂層技術(shù)（ARC）：在光刻膠的表面或底部涂上一層抗反射層，對反射光線進行吸收，從而降低駐波效應(yīng)。 c. 化學(xué)增強（CA）深紫外光刻膠技術(shù)：在深紫外光刻膠中添加光敏酸（PAG），增強光刻膠在顯影液中的可溶性。與DNQ樹脂光刻膠相比，CA膠的最大優(yōu)點是具有相對高的光敏度和對比度。,8.2 光刻工藝,光刻掩模

40、版 掩模版的作用是有選擇地遮擋照射到襯底表面的光（電子束、X 射線），以便在襯底光刻膠薄膜上形成需要轉(zhuǎn)移的圖形。常用掩模版類型有超微粒干版（乳膠版）、金屬硬面版以及一些滿足特殊需要的掩模版（如X射線掩模、柔性掩模、凸起掩模和軟片掩模等）。 光學(xué)光刻掩模版通常采用金屬硬面版，即在玻璃基板表面淀積一層幾十到幾百納米的金屬或金屬氧化物薄膜（如鉻膜、氧化鉻膜和氧化鐵膜），掩模圖形最終就是在這些薄膜上形成的。目前以濺射淀積的鉻膜（厚度100nm左右）最常用，主要因為鉻膜的淀積和刻蝕相對容易，而且對光線完全不透明。在鉻膜下方通常還有一層增加黏附力的鉻氮化物或氧化物膜，上方有一層厚度為20nm的Cr2O3

41、抗反射層。,8.2 光刻工藝,用于IC制造的掩模版通常為縮小倍數(shù)的掩模版(reduction reticle，簡稱reticle)。 掩模版制作的第一步為電路設(shè)計者以計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)完整地將電路圖描繪出來。然后，將CAD得到的數(shù)據(jù)信息傳送到電子束光刻的圖形產(chǎn)生器，再將圖案直接轉(zhuǎn)移至對電子束敏感的掩模版上。 此掩模版是由融凝硅土(fused silica)的基底覆蓋一層鉻膜組成。電路圖案先轉(zhuǎn)移至電子敏感層進而轉(zhuǎn)移至底下的鉻膜層，掩模版便完成了。,8.2 光刻工藝,掩模版上的圖形代表一層IC設(shè)計，將綜合的布局圖按照IC工藝分成各層掩模版，如隔離區(qū)為一層、柵極區(qū)為另一層等，這些掩模版的組合就是一組

42、IC工藝流程。 一般而言，一組完整的IC工藝流程包含1520道不同的掩模版。 標準尺寸的掩模版襯底由1515cm2、0.6cm厚的融凝硅土制成。 掩模版尺寸是為了滿足4：1與5：1的曝光機中透鏡透光區(qū)域的尺寸；厚度的要求是為了避免襯底扭曲而造成圖案移位的錯誤；融凝硅土襯底則利用其熱膨脹系數(shù)低、對短波長光的透射率高與高機械強度。,8.2 光刻工藝,下圖為已制作完成具有幾何形狀圖案的掩模版，用于工藝評估的一些次要芯片位置也顯示在掩模版上。,8.2 光刻工藝,光學(xué)光刻掩模版,此外，在形成掩模圖形后還需要用保護膜（12 m厚的硝化纖維素醋酸鹽、碳氟化合物）將版的表面密封。這層保護膜可以避免掩模版污染，

43、且透光性好、結(jié)實耐清洗，長時間暴露在UV射線下仍能保持形狀。,8.2 光刻工藝,通過微細圖形加工技術(shù)在掩模材料上形成掩模圖形即可得到所需要的掩模版。目前的掩模版制作（簡稱制版）一般分為兩個階段： a. 原圖數(shù)據(jù)的產(chǎn)生：由 CAD 產(chǎn)生作圖數(shù)據(jù)，形成掩模（PG）文件； b. 圖形發(fā)生：由 PG 文件驅(qū)動和控制圖形發(fā)生器、刻圖機等將掩模圖形轉(zhuǎn)移到掩模襯底上。,8.2 光刻工藝,原圖數(shù)據(jù)產(chǎn)生流程,8.2 光刻工藝,版圖設(shè)計,版圖設(shè)計規(guī)則：,8.2 光刻工藝,目前的制版工藝大多采用電子束圖形發(fā)生器。電子束圖形發(fā)生器實際上是一臺電子束曝光機，其曝光“光源”不是平行平面光，而是一束聚焦得很細的電子束。由于

44、束斑極細，因此需曝光的圖形是通過逐點被電子束照射而完成曝光全過程的。電子束制版不僅速度快，而且分辨率非常高。 電子束制版的主要工藝過程為： 鍍鉻基板涂覆 EBR 膠 前烘 電子束照射 顯影 堅膜 刻蝕鉻膜 去膠。,8.2 光刻工藝,8.2 光刻工藝,掩模版的優(yōu)劣將直接影響圖形轉(zhuǎn)移的質(zhì)量，進而影響器件性能和成品率。通常對掩模版有以下質(zhì)量要求： a. 圖形尺寸準確，符合設(shè)計要求； b. 整套掩模版中的各塊版應(yīng)能依次一一套準，套準誤差??； c. 圖形明暗區(qū)域之間的反差高，一般要求大于2.5； d. 圖形邊緣光滑陡直，過渡區(qū)小； e. 圖形及整個版面基本無針孔、小島、劃痕等缺陷；,光掩膜缺陷檢查裝置,

45、8.2 光刻工藝,f. 堅固耐用，不易變形。 缺陷密度是掩模版質(zhì)量的一個主要指標，這里既包括掩模版制作過程也包括使用過程造成的缺陷。因此，掩模版的檢查與清潔對大面積芯片獲得高成品率（ ）是至關(guān)重要的。,10道掩模版的成品率，每道掩模版中包含不同缺陷密度所產(chǎn)生的影響,8.2 光刻工藝,光學(xué)曝光系統(tǒng) 圖案的轉(zhuǎn)移是利用光刻設(shè)備來完成的光刻機的性能可由下面三個參數(shù)來判別：分辨率(resolution)、套準精度(registration)與產(chǎn)率(throughput，又譯產(chǎn)量)。 分辨率是指能精確轉(zhuǎn)移到晶片表面光刻膠膜上圖案的最小尺寸； 套準精度是指后續(xù)掩模版與先前掩模版刻在硅片上的圖形互相對準的程度

46、； 而產(chǎn)率則是對一給定的掩模版，每小時能曝光完成的晶片數(shù)量。,8.2 光刻工藝,光收集：比如通過拋物面反射鏡。 光過濾：選擇特定波長的光。比如通過一系列的組合濾波器。 混光：使曝光區(qū)域的輻照強度均勻。比如通過蜂窩透鏡，光纖束等。 光準直和成形：比如通過各種透鏡。,光收集：2；混光：7；光過濾：5，6；準直和成形：4，9。,光學(xué)成像系統(tǒng)：,8.2 光刻工藝,評價光學(xué)曝光系統(tǒng)的指標,其中：R是分辨率；k 是常數(shù)；NA 是光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，它表征透鏡光收集和聚焦的能力；DOF（Depth of Focus）是聚焦深度； 是光波長；MTF是調(diào)制傳輸函數(shù)；I 是輻照強度。,（Rayleigh crit

47、erion）,8.2 光刻工藝,主要光學(xué)曝光系統(tǒng) 光刻必須通過曝光系統(tǒng)來完成。最基本的光學(xué)曝光系統(tǒng)有兩種：遮蔽式曝光（shadow printing ）和投影式曝光（projection printing ）。遮蔽式曝光系統(tǒng)又分為接觸式(contact printing)和接近式(proximity printing)兩種形式。,遮蔽式曝光系統(tǒng)示意,8.2 光刻工藝,對遮蔽式曝光，可達到的最小線寬（CD: critical dimension）約為 ， 為曝光所用的光波波長，d 為掩模版與襯底之間的距離（包括光刻膠的厚度）。顯然，接觸式曝光的分辨率較高（可達曝光波長量級），但在實際應(yīng)用中掩模版

48、損壞和由此產(chǎn)生的低成品率等問題使這一工藝在大多數(shù)生產(chǎn)環(huán)境中并不實用。接近式曝光時掩模版與襯底之間通常保持 1050 m 的距離，減小了曝光過程對掩模板的損傷。但掩模版與襯底之間的間隙會使圖形邊緣出現(xiàn)衍射，其 CD 值一般只能達到 25 m，已經(jīng)不適用于目前的微電子工業(yè)。,8.2 光刻工藝,接近式曝光系統(tǒng)中的衍射,8.2 光刻工藝,接觸式曝光系統(tǒng),8.2 光刻工藝,為了克服遮蔽式曝光存在的問題，出現(xiàn)了投影式曝光系統(tǒng)。它采用一套光學(xué)組件，使光通過掩模版將掩模圖形投影到幾厘米外涂有光刻膠的襯底上進行曝光。 投影式曝光系統(tǒng)分為掃描和分布重復(fù)兩種基本類型。掃描曝光系統(tǒng)把通過狹縫的光從掩模版聚焦到襯底上，

49、同時掩模板和襯底一起作掃描運動，直至掩模圖形布滿整個襯底而完成曝光。 分布重復(fù)曝光系統(tǒng)一次曝光襯底上的一塊矩形區(qū)域（稱為圖像場），然后不斷重復(fù)直至將小面積圖形布滿整個襯底，其掩模圖形尺寸與實際圖形尺寸的比例可以是1:1或者大于1:1（稱為縮小光刻）。以上兩類曝光系統(tǒng)以及將兩者結(jié)合在一起的分布掃描曝光系統(tǒng)都可以達到較好的分辨率。,8.2 光刻工藝,投影式曝光工作原理,8.2 光刻工藝,圖(a)顯示一個1:1的晶片掃描投影系統(tǒng)。一個寬度約1mm的窄弧形像場連續(xù)地將圖案從掩模版轉(zhuǎn)移至晶片上，晶片上的圖案尺寸與掩模版上相同。,8.2 光刻工藝,這個小的像場也可在保持掩模版不動的情形下，利用二維的晶片平

50、移，通過步進(stepping)的方式來完成晶片表面的曝光。在每曝光完成一個芯片位置時，就移動晶片至下一個芯片位置，如此重復(fù)曝光步驟。圖 (b)與圖(c)分別顯示了利用1:1與縮小M:1(如10:1，即在晶片上縮小10倍)的步進重復(fù)投影法(step-and-repeat)的圖像劃分(partition)技術(shù)。,8.2 光刻工藝,縮小投影術(shù)可在不用重新設(shè)計步進機透鏡下，在較大的晶片上轉(zhuǎn)移圖案，只要像場的大小(field size，即晶片上的曝光面積)可以包含至少一個到數(shù)個IC芯片。當(dāng)芯片尺寸超過透鏡的曝光面積時，進一步的劃分圖像是必要的。在圖(d)，對一個M:1縮小的步進掃描投影，其掩模版上的像

51、場可呈窄弧形。對步進掃描系統(tǒng)，晶片有一速度為v的二維平移，而掩模版則有一速度為晶片速度M倍的一維平移。,8.2 光刻工藝,一個投影系統(tǒng)的分辨率可以表示為,是光源波長，k1為與工藝有關(guān)的參數(shù)，NA是數(shù)值孔徑又叫做鏡口率，簡寫為NA。它是由物體與物鏡間媒質(zhì)的折射率n與物鏡孔徑角的一半（a/2）的正弦值的乘積 。 NA的定義為,N是影像介質(zhì)的折射率，是圓錐體光線聚于晶片上一點的半角度值。其聚焦深度為,8.2 光刻工藝,k1為另一個與工藝有關(guān)的參數(shù),分辨率的改善可以通過縮短光源波長與增加數(shù)值孔徑達到，但聚焦深度會因NA增加而衰減。 光學(xué)曝光經(jīng)歷藍光（436nm）、紫外光（365nm）、深紫外光（248

52、 nm）階段，發(fā)展到目前的主流高分辨率波長193nm。同時，投影工具的數(shù)值孔徑也有驚人提高（0.16 0.93），特征尺寸達到100 nm 以下。,多光學(xué)元件系統(tǒng)中，常引入數(shù)值孔徑NA描述透鏡性能： ，并有 。,D,8.2 光刻工藝,1、用藍光波長計算：投影曝光系統(tǒng)的R可達亞微米水平。 2、數(shù)值孔徑:簡寫NA(蔡司公司的數(shù)值孔徑簡寫CF)，數(shù)值孔徑是物鏡和聚光鏡的主要技術(shù)參數(shù)，是判斷兩者（尤其對物鏡而言）性能高低(即消位置色差的能力,蔡司公司的數(shù)值孔是代表消位置色差和倍率色差的能力),的重要標志。其數(shù)值的大小，分別標科在物鏡和聚光鏡的外殼上。 孔徑角又稱“鏡口角”，是物鏡光軸上的物體點與物鏡前

53、透鏡的有效直徑所形成的角度?？讖浇窃酱螅M入物鏡的光通亮就越大，它與物鏡的有效直徑成正比，與焦點的距離成反比。,8.2 光刻工藝,顯微鏡觀察時，若想增大NA值，孔徑角是無法增大的，唯一的辦法是增大介質(zhì)的折射率值?；谶@一原理，就產(chǎn)生了水浸系物鏡和油浸物鏡，因介質(zhì)的折射率值大于一，NA值就能大于一。數(shù)值孔徑最大值為1.4，這個數(shù)值在理論上和技術(shù)上都達到了極限。目前，有用折射率高的溴萘作介質(zhì)，溴萘的折射率為1.66,所以NA值可大于1.4。這里必須指出，為了充分發(fā)揮物鏡數(shù)值孔徑的作用，在觀察時，聚光鏡的NA值應(yīng)等于或略大于物鏡的NA值，數(shù)值孔徑與其它技術(shù)參數(shù)有著密切的關(guān)系，它幾乎決定和影響著其它各

54、項技術(shù)參數(shù)。它與分辨率成正比，與放大率成正比，焦深與數(shù)值孔徑的平方成反比，NA值增大，視場寬度與工作距離都會相應(yīng)地變小。,8.2 光刻工藝,簡單的成像系統(tǒng),8.2 光刻工藝,由于有較高的光強度與穩(wěn)定度，所以高壓汞燈被廣泛用作曝光光源。右圖顯示汞燈光譜的幾個峰值，被稱為G-線、I-線與H-線的峰值波長分別為436nm、405nm與365nm。加上分辨率改善技術(shù)，5:1的I-線步進重復(fù)投影的光刻系統(tǒng)可以提供的分辨率為0.3m。更先進的曝光機分別有利用248 nm的KrF準分子激光、193nm的ArF準分子激光與已開發(fā)出來適合批量生產(chǎn)的分辨率為0.18m、0.10m和0.07m的157 nm的F2準

55、分子激光。,8.2 光刻工藝,投影式曝光系統(tǒng),8.2 光刻工藝,投影式曝光系統(tǒng)光路,8.2 光刻工藝,投影曝光時的掃描和分布重復(fù),8.2 光刻工藝,主要光學(xué)曝光系統(tǒng)比較,8.2 光刻工藝,圖案轉(zhuǎn)移 右圖為IC電路圖通過掩模版轉(zhuǎn)移至表面有二氧化硅絕緣層的硅晶片上的步驟。由于光刻膠對波長大于0.5m的光并不敏感，所以曝光過程中，晶片可置于由黃光照射的潔凈室中。為了確保光刻膠的吸附力能夠符合要求，晶片表面必須由親水性(hydrophilic)改變?yōu)槌馑?hydrophobic)。這種改變可以利用吸附力促進劑，如此光刻膠即可吸附于一個化學(xué)性質(zhì)相近的表面。,8.2 光刻工藝,在IC工藝中，光刻膠的吸附

56、力促進劑一般為HMDS。在促進劑涂完后，將晶片置于一真空吸附的旋盤上，并將23cm3的光刻膠滴在晶片中心處，然后晶片將被快速地加速至設(shè)定的轉(zhuǎn)速。在此轉(zhuǎn)速停留約30s。要涂布厚度為0.51m的光刻膠，其旋轉(zhuǎn)速度一般為1000 至10000rpm。光刻膠的厚度與光刻膠的粘性也有關(guān)系。,8.2 光刻工藝,在旋涂步驟后，將晶片前烘(一般溫度為90120 ，時間為60120s)。此步驟會增加光刻膠對晶片的吸附力。并且將光刻膠中的部分有機溶劑去除。然后利用光學(xué)圖形曝光系統(tǒng)，將晶片依照掩模版上的圖案進行對準，并利用紫外光將光刻膠曝光，如圖(b)。如果使用的是正膠，被曝光的光刻膠區(qū)將會溶解于顯影液中，如圖 (

57、c)的左圖。,8.2 光刻工藝,光刻膠的顯影步驟，一般利用顯影液將晶片淹沒，再將晶片沖水并且甩干。顯影完成后，為了增加光刻膠對襯底的吸附力，再將晶片后烘(postbaking)，溫度為100180。然后將晶片置于腐蝕的環(huán)境中，將暴露的絕緣層腐蝕而不侵蝕光刻膠，如圖（d）所示。最后將光刻膠除去（如用有機溶液溶解或等離子體氧化），留下一個絕緣體的圖案（或圖像），此圖案與掩模版上不透光的圖案是一樣的。,8.2 光刻工藝,如果使用負膠，前面描述的步驟都一樣，唯一的不同點是未被曝光的光刻膠被去除。最后的絕緣體圖案與掩模版上不透光區(qū)圖案反相。 絕緣體圖像可以當(dāng)作接下來步驟的掩蔽層。如用離子注入法將摻雜離子

58、注入暴露的半導(dǎo)體區(qū)域而不會注入有絕緣體保護的區(qū)域。摻雜的圖案與使用負膠而設(shè)計的掩模版圖案或是使用正膠而設(shè)計的互補式掩模版圖案是一樣的。完整的電路制作是利用圖形曝光轉(zhuǎn)移的步驟，將掩模版圖案一層層地對準而得。,8.2 光刻工藝,剝離與浮脫技術(shù)因其具有高分辨率而被廣泛應(yīng)用于分立器件，如高功率的MESFET。然而，由于技術(shù)的推廣，剝離與浮脫技術(shù)并不常被用于甚大規(guī)模集成電路。,相關(guān)的圖案轉(zhuǎn)移工藝還有剝離與浮脫技術(shù)(life-off)，如下圖利用正膠在襯底上形成一光刻膠圖案圖(a)與(b)，再淀積薄膜(如鋁)覆蓋光刻膠與襯底(此層薄膜厚度必須比光刻膠薄)；然后，由于光刻膠會溶解于適當(dāng)?shù)母g溶液，覆蓋在光刻

59、膠上的薄膜會被剝離與浮脫而去除圖(d)。,8.2 光刻工藝,光刻工藝流程 典型的光學(xué)光刻工藝通常包括以下步驟：襯底準備、涂膠、曝光前烘干（前烘）、曝光、顯影、顯影后烘干（堅膜）以及去膠。,8.2 光刻工藝,一、襯底準備 襯底準備的目的是增強光刻膠對襯底的附著性。一般通過去除襯底污染、脫水烘干和使用附著力促進劑來完成。吸附水是一種普遍的污染物，采用脫水烘干可以將其大部分去除。但對于硅類襯底（包括單晶硅、多晶硅、氧化硅和氮化硅），由于表面硅原子與吸附的單層水分子形成了硅烷醇基團，必須使用化學(xué)方法去除。 附著力促進劑可以與硅烷醇發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由有機基團置換硅烷醇中的羥基，在襯底上形成疏水表面，增強光刻膠的附著力。最常用的附著力促進劑是六甲基二硅亞胺（HMDS）。,8.2 光刻工藝,二、涂膠 涂膠的目的是在襯底表面形成厚度均勻、附著性強且