1、半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 1 光刻的作用和目的光刻的作用和目的 圖形的產生和布局圖形的產生和布局 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 2 光刻的定義光刻的定義 光刻是一種光刻是一種圖形復印圖形復印和和化學腐蝕化學腐蝕相結合的精相結合的精 密表面加工技術。用密表面加工技術。用照相復印的方法將掩模版上的圖照相復印的方法將掩模版上的圖 案轉移到硅片表面的光刻膠上案轉移到硅片表面的光刻膠上，以實現后續的有選擇，以實現后續的有選擇 刻蝕或注入摻雜刻蝕或注入摻雜 光刻的目的光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金光刻的目的就是在二氧化硅或金 屬

2、薄膜上面刻蝕出與掩膜版完全對應的幾何圖屬薄膜上面刻蝕出與掩膜版完全對應的幾何圖 形，形，把掩模版上的圖形轉換成晶圓上的器件結把掩模版上的圖形轉換成晶圓上的器件結 構構,從而實現從而實現選擇性擴散選擇性擴散和和金屬薄膜布線金屬薄膜布線的目的的目的。 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 3 集成電路的集成電路的特征尺寸特征尺寸是否能夠進一是否能夠進一 步減小，也與步減小，也與光刻技術光刻技術的進一步發展有的進一步發展有 密切的關系。密切的關系。 通常人們用特征尺寸來評價一個集通常人們用特征尺寸來評價一個集 成電路生產線的技術水平成電路生產線的技術水平。 所謂特征尺寸（所謂

3、特征尺寸（CDCD：characteristic dimensioncharacteristic dimension） 是指設計的多晶硅柵長，它標志了器件工藝的總是指設計的多晶硅柵長，它標志了器件工藝的總 體水平，是設計規則的主要部分。體水平，是設計規則的主要部分。 通常我們所說的通常我們所說的0.13 m,0.09 m工藝就是工藝就是 指的光刻技術所能達到最小線條的工藝。指的光刻技術所能達到最小線條的工藝。 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 4 光刻的要求光刻的要求 對光刻的基本要求：對光刻的基本要求： （1）高分辨率高分辨率 （2）高靈敏度高靈敏度 （3）精密的

4、套刻對準精密的套刻對準 （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 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 5 1. 高分辨率高分辨率 分辨率是將硅片上兩個鄰近的特征圖形區分開來分辨率是將硅片上兩個鄰近的特征圖形區分開來 的能力，即對光刻工藝中可以達到的最小光刻圖的能力，即對光刻工藝中可以達到的最小光刻圖 形尺寸的一種描述，是光刻精度和清晰度的標志形尺寸的一種描述，是光刻精度和清晰度的標志 之一。之一。 隨著集成電路的集成度提高，加工的線條越來越隨著集成電路的集成度提高，加工的線條越來越 細，對分辨率的要求也越來越高。細，對分辨率的要求也越來越高。 通

5、常以每毫米內能刻蝕出可分辨的最多線條數目通常以每毫米內能刻蝕出可分辨的最多線條數目 來表示。來表示。 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 6 2.2.高靈敏度高靈敏度 靈敏度是指光刻膠感光的速度。為了提高產量靈敏度是指光刻膠感光的速度。為了提高產量, , 要求光刻周期越短越好，這就要求曝光時間越短要求光刻周期越短越好，這就要求曝光時間越短 越好，也就要求高靈敏度。越好，也就要求高靈敏度。 3.3.精密的套刻對準精密的套刻對準 集成電路制作需要十多次甚至幾十次光刻，每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。次光刻都要相互套準。 由于圖形的特征尺寸在

6、亞微米數量級上，因此，由于圖形的特征尺寸在亞微米數量級上，因此， 對套刻要求很高。要求套刻誤差在特征尺寸的對套刻要求很高。要求套刻誤差在特征尺寸的 1010左右。左右。 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 7 4.大尺寸硅片的加工大尺寸硅片的加工 提高了經濟效益提高了經濟效益 但是要在大面積的晶圓上實現均勻的膠膜涂覆，但是要在大面積的晶圓上實現均勻的膠膜涂覆， 均勻感光，均勻顯影，比較困難均勻感光，均勻顯影，比較困難 高溫會引起晶圓的形變，需要對周圍環境的溫高溫會引起晶圓的形變，需要對周圍環境的溫 度控制要求十分嚴格，否則會影響光刻質量度控制要求十分嚴格，否則會影響光

7、刻質量 5.低缺陷低缺陷 缺陷會使電路失效，因此應該盡量減少缺陷缺陷會使電路失效，因此應該盡量減少缺陷 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 8 光學圖形曝光潔凈室 在集成電路制造中，主要的圖形曝光設備是利用紫外光=0.2-0.4m的 光學儀器。主要討論曝光裝置、掩模版、抗蝕劑與分辨率。 塵埃粒子在掩模版圖案上 所造成的不同腐蝕的影響 在IC制造中必須要求潔凈的廠房， 特別是圖形曝光的工作區域，因為 塵埃可能會粘附于晶片或掩模版上 造成器件的缺陷從而是電路失效。 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 9 35的成的成 本來自于本來自于 光刻工藝光

8、刻工藝 圖形轉移技術組成：圖形轉移技術組成： 掩膜版掩膜版/電路設計電路設計 掩膜版制作掩膜版制作 光刻光刻 光源光源 曝光系統曝光系統 光刻膠光刻膠 用于IC制造的掩模版通常為縮小倍數的掩模版。掩模版的第一步為設 計者用CAD系統完整地將版圖描繪出來。然后將CAD得到的數據信息傳送到 電子束圖形曝光的圖形產生器。再將圖案直接轉移至對電子束敏感的掩模版上。 掩模版是由融凝硅土的基底覆蓋一層鉻膜組成。電路圖案先轉移至電子敏感層 進而轉移至底下的鉻膜層，掩模版便完成了 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 10 IC掩模版 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (

9、上上) ) 11 空間圖像空間圖像 潛潛在圖在圖像像 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 12 掩膜版制作掩膜版制作 CAD設計、模擬、驗證后由圖形發生器產生數字圖形設計、模擬、驗證后由圖形發生器產生數字圖形 數字圖形數字圖形 4或或5投影光投影光 刻版刻版 投影式光刻投影式光刻 1掩膜版制作掩膜版制作 接觸式、接近式光刻接觸式、接近式光刻 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 13 電子束直寫電子束直寫 熔融石英玻璃片熔融石英玻璃片 80nmCr 1015nmARC（anti- reflection coating） 光刻膠光刻膠 高透明度（

10、散射小）高透明度（散射小） 熱膨脹小熱膨脹小 4或或5投影光刻版在投影光刻版在 制版時容易檢查缺陷制版時容易檢查缺陷 版上缺陷可以修補版上缺陷可以修補 蒙膜蒙膜(pellicle)保護防止顆保護防止顆 粒玷污粒玷污 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 14 掩模版制作過程掩模版制作過程 12. Finished 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 15 成品率成品率Y: c AND eY 0 D0:單位面積缺陷數，單位面積缺陷數， Ac: 芯片面積，芯片面積， N: 掩膜版層數掩膜版層數 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上

11、) ) 16 光刻機 光刻機的性能由三個參數判斷：分辨率、套準精度與產率。 分辨率：能精確轉移到晶片表面抗蝕劑膜上圖案的最小尺寸； 套準精度：后續掩模版與先前掩模版刻在硅片上的圖形相互對準的程 度； 產率：對一給定的掩模版，每小時能曝光完成的晶片數量。 光學曝光方法：遮蔽式曝光和投影式曝光。 遮蔽式曝光：可分為掩模版與晶片直接接觸的接觸式曝光和二者緊密相 鄰的接近式曝光。若有塵埃或硅渣嵌入掩模版中，將造成掩 模版永久性損壞，在后續曝光的晶片上形成缺陷。 投影式曝光：在掩模版與晶片間有一距離，10-50um。但這一間隙會在掩 模版圖案邊緣造成光學衍射。導致分辨率退化。 半導體制備工藝基礎 第四章

12、第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 17 三種硅片曝光模式及系統三種硅片曝光模式及系統 接觸式接觸式 接近式接近式 投影式投影式 1:1曝光系統曝光系統 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 18 步進投影式光刻機原理圖步進投影式光刻機原理圖 10:15:11:1 步進掃描光刻機步進掃描光刻機 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 19 DSWdirect step on wafer 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 20 接觸式和接近接觸式和接近 式式近場衍近場衍 射（射（Fresnel） 像平面靠近孔像平面靠近孔

13、徑，二者之間徑，二者之間 無鏡頭系統無鏡頭系統 曝光系統曝光系統 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 21 接觸和接近式接觸和接近式 Fresnel衍射理論適用衍射理論適用 的間隔范圍：的間隔范圍： 2 W g 最小分辨尺寸最小分辨尺寸 gW min g10 m， 365 nm（i線）時，線）時， Wmin 2 m 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 22 對遮蔽式曝光，最小線寬（臨界尺寸）可用下式表示 C D lg 其中，是曝光光源的波長，g是掩模版與晶片間的間隙距離。當與g 減小時，可以得到lCD縮小的優勢。然而，當給定一個g，任何大于g

14、的微 塵粒子都會對掩模版造成損壞。 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 23 投影式投影式遠場衍遠場衍 射（射（Fraunhofer） 像平面遠離孔徑，像平面遠離孔徑， 在孔徑和像之間設在孔徑和像之間設 置鏡頭置鏡頭 愛里斑愛里斑 d f22. 1 d f22. 1 中心極大半徑 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 24 瑞利給出恰可分辨兩個物點的判據：瑞利給出恰可分辨兩個物點的判據： 點物點物S1的愛里斑中心恰好與另一個點物的愛里斑中心恰好與另一個點物S2的愛里斑的愛里斑 邊緣（第一衍射極小）相重合時，恰可分辨兩物點。邊緣（第一衍射極小）相

15、重合時，恰可分辨兩物點。 S1 S2 S1 S2 S1 S2 可分辨可分辨 不可分辨不可分辨 恰可分辨恰可分辨 100% 73.6% 分辨率分辨率 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 25 兩個愛里斑之間的分辨率兩個愛里斑之間的分辨率(瑞利判據瑞利判據): sin 61. 0 )sin2( 22. 122. 1 nfn f d f R sinnNA 數值孔徑：收集衍射數值孔徑：收集衍射 光的能力。光的能力。n為折射率為折射率 分辨率分辨率 NA kR 1 k1=0.6-0.8 提高分辨率：提高分辨率： NA ， ，k1 理論計算人眼愛里斑理論計算人眼愛里斑20 m 分

16、辨率分辨率：100 m 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 26 由于有較高的光強度與穩定度，高壓汞燈被廣泛用作曝光光源。 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 27 投影式投影式 基本參數：基本參數： 分辨率分辨率(resolution) 焦深焦深(depth of focus) 視場視場(field of view) 調制傳遞函數調制傳遞函數(MTFmodulation transfer function) 套刻精度套刻精度(alignment accuracy) 產率產率(throughput) 光學系統決定光學系統決定 機械設計機械設計

17、 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 28 為為軸上光線到極限聚焦位置的光程差。根據瑞利判據：軸上光線到極限聚焦位置的光程差。根據瑞利判據： cos4/ 很小時，很小時，2/)2/1 (1 4/ 22 NA f d 2 sin 焦深焦深 NA ，焦深，焦深 焦深焦深 22 )(NA kDOF 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 29 焦深焦深焦平面焦平面 光刻膠光刻膠 IC技術中，焦深只有技術中，焦深只有1 m，甚至更小，甚至更小 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 30 光刻膠光刻膠 光刻膠的作用：對于入射光光刻膠

18、的作用：對于入射光 子有化學變化，通過顯影，子有化學變化，通過顯影， 從而實現圖形轉移。從而實現圖形轉移。 靈敏度：單位面積的膠曝光靈敏度：單位面積的膠曝光 所需的光能量：所需的光能量：mJ/cm2 負膠負膠 烴基高分子材料烴基高分子材料 正膠分辨率高于負膠正膠分辨率高于負膠 抗蝕性：刻蝕和離子注入抗蝕性：刻蝕和離子注入 正膠正膠 IC主導主導 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 31 正性光刻膠正性光刻膠受光或紫外線照射后受光或紫外線照射后感光的部感光的部 分發生光分解反應，可溶于顯影液分發生光分解反應，可溶于顯影液，未感光的，未感光的 部分顯影后仍然留在晶圓的表面

19、部分顯影后仍然留在晶圓的表面 負性光刻膠負性光刻膠的的未感光部分溶于顯影液中未感光部分溶于顯影液中，而，而 感光部分顯影后仍然留在基片表面。感光部分顯影后仍然留在基片表面。 正膠：曝光前不可溶，曝光后正膠：曝光前不可溶，曝光后 可溶可溶 負膠：曝光前負膠：曝光前 可溶，曝光后不可溶可溶，曝光后不可溶 光刻膠對大部分可見光敏感，光刻膠對大部分可見光敏感，對黃光不敏感。對黃光不敏感。 因此光刻通常在因此光刻通常在黃光室黃光室（Yellow Room）內進行。）內進行。 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 32 負光阻負光阻正光阻正光阻 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光

20、刻光刻 ( (上上) ) 33 汞燈汞燈436nm (g線線)和和365nm (i線線)光刻膠的組成光刻膠的組成 （正膠（正膠positive photoresist, DNQ） a) 基底：樹脂基底：樹脂 是一種低分子量的酚醛樹脂是一種低分子量的酚醛樹脂 (novolac, a polymer) 本身溶于顯影液，溶解速率為本身溶于顯影液，溶解速率為15 nm/s。 b)光敏材料（光敏材料（PACphotoactive compounds) 二氮醌二氮醌 (diazoquinone, DQ) DQ不溶于顯影液，光刻膠在顯影液中的溶解速率為不溶于顯影液，光刻膠在顯影液中的溶解速率為 12 nm/

21、sec 光照后，光照后，DQ結構發生重新排列，成為溶于顯影液的烴基酸結構發生重新排列，成為溶于顯影液的烴基酸 （TMAH四甲基氫氧化銨四甲基氫氧化銨典型顯影液）典型顯影液） 光照后，光刻膠在顯影液中的溶解速度為光照后，光刻膠在顯影液中的溶解速度為100200nm/s c)溶劑溶劑 是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纖劑的混合物，用于調節光是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纖劑的混合物，用于調節光 刻膠的粘度。刻膠的粘度。 前烘后膜上樹脂前烘后膜上樹脂 : PAC1:1 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 34 負膠負膠 (Negative Optical Photoresist) 當

22、當VLSI電路需分辨率達電路需分辨率達2 m之前，基本上是采用負性光刻之前，基本上是采用負性光刻 膠。膠。 負膠在顯影時線條會變粗，使其分辨率不能達到很高。負膠在顯影時線條會變粗，使其分辨率不能達到很高。 但在分辨率要求不太高的情況，負膠也有其優點：但在分辨率要求不太高的情況，負膠也有其優點： a)對襯底表面粘附性好對襯底表面粘附性好 b)抗刻蝕能力強抗刻蝕能力強 c)曝光時間短，產量高曝光時間短，產量高 d)工藝寬容度較高工藝寬容度較高 （顯影液稀釋度、溫度等）（顯影液稀釋度、溫度等） e)價格較低價格較低 （約正膠的三分之一）（約正膠的三分之一） 半導體制備工藝基礎 第四章第四章 光刻光刻 ( (上上) ) 35 負膠的組成部分：負膠的組成部分： a) 基底：合成環化橡膠樹脂基底：合成環化橡膠樹脂 (cyclized synthetic rubber risin) 對光照不敏感，但在有機溶劑如甲苯和二甲苯中溶解很快對光照不敏感，但在有機溶劑如甲苯和二甲苯中溶解很快 b) 光敏材料光敏材料 PAC： 雙芳化基雙芳化基 (bis-arylazide) 當光照后，產生交聯的三維分子網