IC制造中硅片边缘上光刻工艺的波动问题分析参考Word

如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！第一章引言光刻工艺处在整个IC 生产线的核心地位，几乎和其他每个工艺步序都有联系，国此光刻在生产线上的地位举足轻重。

在主流的微电子制造过程中，光刻是最复杂，昂贵和关键的工艺。

光刻工艺的作用是把掩模版上的图形转移到硅片上，曝光好坏由下面四个参数决定: 分辨率，焦点深度，透镜失真，套刻精度。

本论文主要讨论的分辨率和焦点深度两个参数。

因为这两个参数是光刻成像最关键并且可以控制的两个参数，对于先进工艺，这两个参数一个都不能少，但这两个参数又是呈反比的，增大了一个参数，另一个就一定会变小。

第一节集成电路 (IC )及集成电路制造流程简介所谓的集成电路(IC) ，就是把特定电路所需的各种电子元件及线路缩小并制作在大小仅为1 平方厘米，或更小的面积上的一种电子产品。

因为集成电路大多是由数以万计，大小只能通过显微镜才能观看到的固态电子元件所组合而成，因此我们又习惯称呼它为微电子元件(M ie r o e le c tr o n ie s ) 。

集成电路( 工nt eg r at ed C irc ui t，以下简称为1C ) 在我们的日常生活当中应用己经极为广泛，己经渗透进工农业生产和国防领域的方方面面，而且其应用还在不断的扩张与发展。

集成电路工业已经变成了现代社会的基础工业而成为各国竞相投入的关键产业。

IC 由这样一个发明原形成长为今天现代经济的主要支柱产业，成为近半个世纪来发展最快、影响最深远的技术之一。

整个集成电路产业可以分为上游 (硅晶圆制造) ，中游(集成电路的制作 )，下游( 集成电路的封装测试) 三个阶段( 见图1一1 )。

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人类自从创造了集成电路产业以来，生产效率不断提高，从从三寸晶圆到目前的主流十二寸晶圆，可用面积增加了16 倍，流片结束后的晶粒产出量也提升了数十倍，而且十六寸晶圆生产线正在研发，预计在不久的将来就会投入使用。

集成电路的制作流程可以分为 6 个独立的生产模块: 扩散( 包括氧化和掺杂工艺 )，光刻，蚀刻，薄膜，离子注入和抛光( 见图1一2 )。

这6 个主要的生产模块都是在高度洁净的无尘室车间内完成，互相关联，相辅相成。

通过这些工艺步骤在一小块硅单晶片上同时制造晶体管、二极管、电阻和电容等元件，并且采用一定的隔离技术使各元件在电性能上互相隔离。

然后在硅片表面蒸发铝层并用光刻技术刻蚀成互连图形，使元件按需要互连成完整电路，制成半导体单片集成电路。

随着单片集成电路从小、中规模发展到大规模、超大规模集成电路，平面工艺技术也随之得到发展。

例如，扩散掺杂改用离子注入掺杂工艺; 紫外光常规光刻发展到一整套微细加工技术，如采用电子束曝光制版、等离子刻蚀、反应离子铣等; 外延生长又采用超高真空分子束外延技术; 采用化学汽相淀积工艺制造多晶硅、二氧化硅和表面钝化薄膜; 互连细线除采用铝或金以外，还采用了化学汽相淀积重掺杂多晶硅薄膜和贵金属硅化物薄膜，以及多层互连结构等工艺。

光刻工艺处在整个生产线的核心地位，在主流的微电子制造过程中，光刻是最复杂，昂贵和关键的工艺，光刻占了总制造成本的1/3 ，而且所占的百分比还在上升。

图1一2 晶片制作流程模块图第二节光刻技术如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！ma sk in g ， 或 mi cr o 1 ith og I ’a p h y 。

在 晶 圆 的 制 造 过 程 中 ， 晶 体 三 极 管 、 二 极 管 、 电 容 、电 阻 和 金 属 层 的 各 种 物 理 部 件 在 晶 圆 表 面 或 表 层 内构 成 。

这 些 部 件 是 每 次 在 一 个 掩 膜 层 上 生 成 的 ，并 且 结 合 生 成 薄 膜 及 去 除 特 定 部 分 ，通 过 光 刻 工 艺 过 程 ， 最 终 在 晶 圆 上 保 留 特 征 图 形 的 部 分 。

光 刻 生 产 的 目标 是 根 据 电 路 设 计 的 要 求 ，生 成 尺 寸 精 确 的 特 征 图 形 ， 并 且 在 晶 圆 表 面 的 位 置 正 确 且 与 其 它 部 件 (p ar t s ) 的 关 联 正 确 。

光 刻 工 艺 是 半 导 体 制 造 中 最 为 重 要 的 工 艺 步 骤 之 一 。

如 图 卜 3 ， 1一4 。

主 要 作 用 是 将 掩 膜 板 上 的 图 形 复 制 到 硅 片 上 ，为 下 一 步 进 行 刻 蚀 或 者 离 子 注 入 工 序 做 好 准 备 。

光 刻 的 成 本 约 为 整 个 硅 片 制 造 工 艺 的 1/3 ，耗 费 时 间 约 占整 个 硅 片 工 艺 的 4 0 、6 0% 。

光 刻 机 是 生 产 线 上 最 贵 的 机 台 ，5 一 15 百 万 美 元 / 台 。

主 要 是 贵 在 成 像 系 统 ( 由 15 ~ 20 个 直 径 为 2 00 一 3 00 In l n 的 透 镜 组 成 ) 和 定 位 系 统 ( 定 位 精 度 小 于 IO n m )。

其 折 旧速 度 非 常 快 ，大 约 3 一 9 万 人 民 币/ 天 ，所 以 也 称 之 为 印 钞 机 。

光 刻 部 分 的 主 要 机 台 包 括 两 部 分 : 轨 道 机 (T ra ck er ) ，用 于 涂 胶 显 影 ; 扫 描 曝 光 机 ( S ca nn ing )。

光 刻 工 艺 的 要 求 : 光 刻 工 具 具 有 高 的 分 辨 率 ; 光 刻 胶 具 有 高 的 光 学 敏 感 性 ; 准 确 地 对 准 ; 大 尺 寸 硅 片 的 制 造 ; 低 的 缺 陷 密 度 。

户户挥 、、图 卜 3 晶 片 制 作 流 程 模 块 图在 硅 片上 形 成 图 形 的 简 单 流 程 图T h e R o le o tP h 叭0 in th e F A B口甲 谕 竺 瓢︸· /t 曰甲.? \ ‘ 砰 留下””氧化层图”心 甲 -未 被 光刻 胶 遮 盖 的 热 氧 化 层 被 刻 蚀\ t4 圈 阖 磷 馨 奋 瓢的光刻胶光 刻 机 分 为 步 进 重 复 式 光 刻 机 和 扫 描 步 进 式 光 刻 机 ， 如 图 : 1一5 光 刻 工艺 的 作 用 是 把 掩 模 版 上 的 图 形 转 移 到 硅 片 上 ，曝 光 好 坏 由 下 面 四 个 参 数 决 定 : 分 辨 率 ，焦 点 深 度 ，透 镜 失 真 ，套 刻 精 度 。

步 进 重 复 式 光 刻 机 的 暴 光 方 式 : 扫 描步进 式 光刻 机 的暴 光 方 式 :广光‘/ 了掩 模 版 二 _二甚 一二圣三 生二胜、、‘ 一 产 / 缩 小 投影 透 镜硅 片 台产犀 叠图 1一5 光 刻 曝 光 原 理 示 意 图1 分 辨 率 一 反 映 光 刻 机 在 硅 片 上 清 晰 曝 光 细 小 图 形 的 能 力 ，一 般 在 0 . 30 协m 以 内 ， 代 表 了 区 分 临 近 最 小 尺 寸 图 形 的 能 力 。

R= k 入/ (N A) =0 .6 6/ (n* si ne ) 。

N 人摊 们·_R 二 b _ —入图 1 一6 不 同 光 刻 胶 C D 尺 寸 断 面 图 我 们 可 以 从 图 1一6 的 光 刻 胶 CD 尺 寸 断 面 图 中 看 到 ，随 着 线 宽 变 得 越 来 越 小 ， 如 果 每 一 根 光 刻 胶 的 间 距 是 1 :1 ， 可 以 分 辨 出 0 .24 um 的 线 宽 。

当 线宽 缩 小 到 0 . 1 1Um 就 无 法 分 辨 出 来 了 ，光 刻 胶 条 己经 粘 连 在 一 起 无 法 分 开 。

因 此 从 图 1一6 公 式 可 以 知 道 提 高 分 辨 率 的 方 法 : 1 、减 小 光 源 的 波 长 ; 2 、采 用 高 分 辨 率 的 光 刻 胶 ; 3 、 增 大 透 镜 半 径 ; 4 、 采 用 高 折 射 率 的 介 质 ， 即 采 用 浸 入 式 光 刻 技 术 ; 5 、 优 化 光 学 棱 镜 系 统 以 提 高 k (0 .4 一0 . 7) 值 (k 是 标 志 工 艺 水 平 的 参 数 )。

数 值 孔 径提高介质折射率n ，采用水代替空气; 2 、增大透镜的半径。

2 焦点深度一在曝光出符合要求的图形的前提下，硅片可以偏离最佳聚焦平面的最大限度，一般在。

. 5 林m 以上。

焦深表示焦点周围的范围，在该范围内图像连续地保持清晰。

焦深是焦点上面和下面的范围，焦深应该穿越整个光刻胶层的上下表面，这样才能够保证光刻胶完全曝光。

D O F=k入/ (N A) 2 。

S ‘p R 4 5 3 1 5 旧N ·D o F @ o 」6 卜m 一~ 叮四‘.’一}理四~_ _ _ _幻而入双二墨一二留一四些. ’一理四图 1一7 聚焦深度举例，FE M 断面图我们可以从图1一7 的公式看到，光源的波长是和光刻工艺窗口成正比的，同样NA 的变化会以平方的倍率影响到光刻工艺窗口，但从图 1一6 的公式看到，NA是和分辨率呈正比的，因此，通过提高NA 的方式提高分辨率，会平方倍的损失光刻工艺窗口。

我们从右边的断面图也能看到，当聚焦平面偏负的时候光刻胶的表面会销顶，在宏观上看到是区域发亮的情况，也就是我们常说的离焦问题。

而当聚焦平面偏正的时候，光刻胶的形状会成倒梯形，下面部分小，上面比较大，这样子的结构会导致光刻胶无法和硅片表面牢固的粘附住。

因此会发生光刻胶脱离硅片表面。

这就是我们说得图形漂移也就是 p e e ling 问题。

因此增大焦深的方法: 1、增大光源的波长; 2 、采用小的数值孔径; 3 、利用CMP 进行表面平坦化。

由于前两种方法会降低分辨率，而分辨率是芯片制造所努力提升的重要参数，因此我们需要在看上去相互矛盾的两个方面做出某种平衡。

一般在保证基本的焦深要求下不降低分辨率，即以分辨率为主。

所以，现在一般采用 C M P 平坦化技术保证足够的焦深。

同样我们也可以通过公式转换，列出光刻工艺窗口与分辨率的关系，如图1一8 。