高级光刻工艺

1、第十章 基本光刻工艺- 从曝光到最终检验 1n概述概述 基本光刻工艺前面已经介绍。随着图形尺寸减小到亚微米级，芯片制造工艺对低缺陷密度的要求越来越迫切；还有芯片尺寸和器件密度的增加，这些都要求芯片制造工业尽可能挖掘各种传统工艺的潜能和开发新的工艺技术。10.1 ULSI/VLSI IC 图形处理过程中存在地问题图形处理过程中存在地问题 对于中规模、大规模和某些VLSI的IC，前面介绍的基本光刻工艺完全适用，然而，对于ULSI/VLSI IC 这些基本工艺已经明显力不能及。在亚微米工艺时代，某些光刻工艺在0.3m以下明显显示出它的局限性。存在地问题主要包括：光学设备的物理局限；光刻胶分辨率的限制

2、；晶园表面的反射现象和高低不平现象等。第十章 基本光刻工艺- 从曝光到最终检验 2 下图列出了一些在2012年左右对光刻工艺的要求生产年度200120062012线宽(nm）15010050记忆量1 Gb16 Gb64 Gb逻辑Bits/cm2380 M2.2 B17 B芯片尺寸DRAM(mm2)4457901580最大连线水平7789掩膜层23242628缺陷密度DRAM(D/m)875490250芯片连接I/O119519703585芯片直径(mm)300300450第十章 基本光刻工艺- 从曝光到最终检验 3n 有关光学系统分辨率控制、改进的曝光源、曝光问题、掩膜版薄膜等问题参见10.2

3、10.4节。n晶园表面问题晶园表面问题 晶园表面问题主要是指晶园表面的条件，包括表面的反射率、表面地形差异、多层刻蚀等。 光刻胶里的反射现象：易于反射的射线底基光刻胶第十章 基本光刻工艺- 从曝光到最终检验 4 反射问题在表面有很多阶梯（也称为复杂地形）的晶园中尤为突出，这些阶梯的侧面将入射光以一定角度反射入光刻胶里，引起图形分辨率不好，其中一个独特的现象就是阶梯处发生光干涉现象从而引起阶梯图形出现“凹口”。第十章 基本光刻工艺- 从曝光到最终检验 5n防反射涂层（防反射涂层（ARC） 防反射涂层是在涂光刻胶之前在晶园表面涂一层物质用来帮助光刻胶成像（见图10.15）。防反射涂层对成像过程有几

4、点帮助： 1）平整晶园表面； 2）防反射涂层切断了从晶园表面反射的光线； 3）还能降低驻波效应和增强图形对比度。n存在的问题存在的问题 增加额外的涂层工艺和烘焙工艺，可能会使膜厚度和显影过程变得难控制，曝光时间也相应地增加3050。第十章 基本光刻工艺- 从曝光到最终检验 6n平整化平整化 随着光刻次数的增加，晶园表面变得高低不平 ，如图所示。平整化技术包括：1）复层光刻胶工艺；2）工艺层平整化；3）回流技术；4）化学机械研磨。掩膜版光刻胶金属底基易于反射的射线第十章 基本光刻工艺- 从曝光到最终检验 7n复层光刻胶复层光刻胶开始1. 第一层涂2. 焙第一层引起轻微流动烘3. 第二层，进行显影

5、工艺涂4. 一层无掩膜曝光第5. 一层显影第6. 蚀和剥离刻第十章 基本光刻工艺- 从曝光到最终检验 8开始1. 第一层涂2. 焙第一层引起烘 微流动轻3. 入“硬层”引4. 层光刻胶的旋转，顶 光和显影曝5. 蚀硬层刻6. 掩膜曝光显影，无 整层平7. 蚀表层刻第十章 基本光刻工艺- 从曝光到最终检验 9n铜制程工艺铜制程工艺 随着器件密度的增加，金属层数也不断增加，各金属层之间使用导电介质连接，导电介质被称为连接柱或连接栓。钨虽然是很好的金属材料，但刻蚀工艺比较复查。目前，铜逐渐代替了铝来作为金属导体，但铜的工艺又引入了一大堆新问题，一种既使用铜又能同时做出连接柱的工艺称作铜制程，是一种嵌

6、入式工艺过程，首先使用传统的光刻工艺刻出沟道，然后用所需的金属填充沟道，金属淀积并溢出沟道覆盖晶园表面。接着使用CMP(化学机械研磨)将溢出的金属磨去，只留下沟道内的金属线（见下图）。第十章 基本光刻工艺- 从曝光到最终检验 10 有关详细内容将在以后介绍。第十章 基本光刻工艺- 从曝光到最终检验 11n化学机械研磨化学机械研磨(CMP) 化学机械研磨（抛光）不仅在晶园制备过程中使用，而且在芯片制造过程中也被用来做晶园表面的平整化。因为经过多次光刻后晶园表面出现高低不平的表面阶梯，在阶梯处存在金属覆盖不好的问题，给后续工艺带来不便，所以必须进行表面平整化处理。n在工艺过程使用化学机械研磨得优点

7、是：在工艺过程使用化学机械研磨得优点是： 1）可以达到晶园表面整体平整化； 2）研磨移去所以表面物质； 3）适用于物质表面； 4）使高质量的铜制程和铜化金属层成为可能；5）费用低。第十章 基本光刻工艺- 从曝光到最终检验 12化学机械研磨设备化学机械研磨设备第十章 基本光刻工艺- 从曝光到最终检验 13n衡量化学机械研磨得几项主要指标衡量化学机械研磨得几项主要指标1）表面机械条件2）表面化学性质3）表面洁净度4）生产率第十章 基本光刻工艺- 从曝光到最终检验 14双掩膜版防止针孔缺陷双掩膜版防止针孔缺陷工艺步骤截面图针孔尺寸稍大的掩膜版第一层光刻胶第二层光刻胶1. 一层显影第2. 第二层光刻胶层，涂 用尺寸稍大的掩膜并 曝光版3. 二层光刻胶显影第4. 蚀与剥离之后刻第十章 基本光刻工艺- 从曝光到最终检验 15n自对准结构自对准结构 过刻蚀和对准误差会使两个结构的距离比预期的近或远。而这两个因素又是不可避免的，所以各结构的对准变得至关重要。一种解决的办法就是自对准结构。比如MOS器件的栅极。采用自对准结构可有效地减少栅极与源漏区之间的交叠尺寸。刻蚀源漏区是简单的去