集成电路制造工艺ppt课件.ppt

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1、集成电路的发展历史集成电路的发展历史集成电路集成电路 Integrated CircuitIntegrated Circuit，缩写，缩写ICIC通过一系列特定的通过一系列特定的加工工艺加工工艺，将将晶体管、二极管等晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路器件，按照一定的电路互连，互连，“集成集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能集成电路芯片显微照片集成电路芯片显微照片各种封装好的集成电路各种封装好的集成电路1.19001.

2、1900年普朗克发表了著名的年普朗克发表了著名的量子论量子论 揭开了现代物理学的新纪元，并深深揭开了现代物理学的新纪元，并深深地地 影响了影响了2020世纪人类社会的发展。世纪人类社会的发展。2.2.之后的之后的2 2，3030年时间里，包括爱因斯坦年时间里，包括爱因斯坦 在内的一大批物理学家逐步完善了量子理在内的一大批物理学家逐步完善了量子理论，为后来微电子的发展奠定了坚实的理论，为后来微电子的发展奠定了坚实的理论基础论基础历史的回顾19471947年圣诞前夕，贝尔实验年圣诞前夕，贝尔实验室的科学家室的科学家肖克利肖克利(William (William Shockley)Shockley)

3、和他的两助手和他的两助手布拉布拉顿顿(Water Brattain (Water Brattain 、巴丁巴丁（John bardeen)John bardeen)在贝尔实验在贝尔实验室工作时发明了世界上第一室工作时发明了世界上第一个点接触型晶体管个点接触型晶体管由于三人的杰出贡献，他们分享了由于三人的杰出贡献，他们分享了19561956年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖世界上第一个点接触型晶体管世界上第一个点接触型晶体管锗多晶材料制备的点接触晶体管锗多晶材料制备的点接触晶体管集成电路的发明杰克-基尔比 1959年19591959年第一块集成电路：年第一块集成电路：TITI公司的公司的Kil

4、byKilby，1212个器件，个器件，GeGe晶片晶片 从此从此ICIC经历了：经历了：SSISSIMSIMSILSILSI 现已进入到：现已进入到：VLSIVLSIULSIULSIGSIGSI集成电路的发展集成电路的发展 小规模集成电路小规模集成电路(Small Scale IC(Small Scale IC，SSI)SSI) 中规模集成电路中规模集成电路(Medium Scale IC(Medium Scale IC，MSI)MSI) 大规模集成电路大规模集成电路(Large Scale IC(Large Scale IC，LSI)LSI) 超大规模集成电路超大规模集成电路(Very L

5、arge Scale IC(Very Large Scale IC，VLSIVLSI) ) 特大规模集成电路特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC(Ultra Large Scale IC，ULSI)ULSI) 巨大规模集成电路巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC(Gigantic Scale IC，GSIGSI） VLSIVLSI使用最频繁，其含义往往包括了使用最频繁，其含义往往包括了ULSIULSI和和GSIGSI。中文中。中文中把把VLSIVLSI译为超大规模集成，更是包含了译为超大规模集成，更是包含了ULSIULSI和和GSIGSI的意义。的意义。C

6、MOSCMOS工艺特征尺寸发展进程工艺特征尺寸发展进程 年份1989年1993年1997年2001年特征尺寸1.0m0.6m0.25m0.18m水平标志 微米（M）亚微米（SM）深亚微米（DSM）超深亚微米（UDSM）0.80.35m0.80.35m称为亚微米，称为亚微米，0.25m0.25m及其以下称为深亚微米及其以下称为深亚微米 ，0.18 m0.18 m以下为超深亚微米，以下为超深亚微米， 0.05m0.05m及其以下称为纳米级及其以下称为纳米级 Ultra Deep Sub Micron，UDSM 集成电路发展的特点集成电路发展的特点特征尺寸越来越小特征尺寸越来越小布线层数布线层数/I

7、/0/I/0引脚越来越多引脚越来越多硅圆片尺寸越来越大硅圆片尺寸越来越大芯片集成度越来越大芯片集成度越来越大时钟速度越来越高时钟速度越来越高电源电压电源电压/ /单位功耗越来越低单位功耗越来越低摩尔定律摩尔定律 一个有关集成电路发展趋势的著名预一个有关集成电路发展趋势的著名预言，该预言直至今日依然准确。言，该预言直至今日依然准确。 集成电路自发明四十年以来，集成电路芯集成电路自发明四十年以来，集成电路芯片的片的集成度每三年翻两番集成度每三年翻两番 ，而加工特征尺寸缩小，而加工特征尺寸缩小 倍。倍。 即由即由IntelIntel公司创始人之一公司创始人之一Gordon E. MooreGordo

8、n E. Moore博士博士19651965年总结的规律，被称为摩尔定律。年总结的规律，被称为摩尔定律。2v集成电路单片集成度和最小特征尺寸的发展曲线集成电路单片集成度和最小特征尺寸的发展曲线vICIC在各个发展阶段的在各个发展阶段的主要特征数据主要特征数据 发展发展 阶段阶段主要特征主要特征MSI(1966)LSI(1971)VLSI(1980)ULSI(1990)元件数元件数/芯片芯片102-103103-105105-107107-108特征线宽特征线宽(um)10-55-33-11栅氧化层厚度栅氧化层厚度(nm)120-100100-4040-1515-10结深结深(um)2-1.21

9、.2-0.50.5-.020.2-.01芯片面积芯片面积(mm2)150vIntel Intel 公司第一代公司第一代CPU4004CPU4004电路规模：电路规模：23002300个晶体管个晶体管生产工艺：生产工艺：10um10um最快速度：最快速度：108KHz108KHzvIntel Intel 公司公司CPU386TMCPU386TM电路规模：电路规模：275,000275,000个晶体个晶体管管生产工艺：生产工艺：1.5um1.5um最快速度：最快速度：33MHz33MHzvIntel Intel 公司最新一代公司最新一代CPUPentium 4CPUPentium 4电路规模：电路

10、规模：4 4千千2 2百万个晶体管百万个晶体管生产工艺：生产工艺：0.13um0.13um最快速度：最快速度：2.4GHz2.4GHz集成电路的分类集成电路的分类 双极集成电路：主要由双极型晶体管构成双极集成电路：主要由双极型晶体管构成NPNNPN型双极集成电路型双极集成电路PNPPNP型双极集成电路型双极集成电路金属金属- -氧化物氧化物- -半导体半导体(MOS)(MOS)集成电路：主要由集成电路：主要由MOSMOS晶体管晶体管( (单极型晶体管单极型晶体管) )构成构成NMOSNMOSPMOSPMOSCMOS(CMOS(互补互补MOS)MOS)双极双极-MOS(BiMOS)-MOS(Bi

11、MOS)集成电路：是同时包括双极集成电路：是同时包括双极和和MOSMOS晶体管的集成电路。综合了双极和晶体管的集成电路。综合了双极和MOSMOS器件两者的优点，但制作工艺复杂。器件两者的优点，但制作工艺复杂。 集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目类 别数字集成电路模拟集成电路MOS IC双极ICSSI1021002000300ULSI107109GSI109 按集成度分类 数模混合集成电路数模混合集成电路(Digital - Analog IC)(Digital - Analog IC) ： 例如例如 数模数模(D/A)(D/A)转换器和模数转换

12、器和模数(A/D)(A/D)转换器等。转换器等。按电路的功能分类数字集成电路数字集成电路(Digital IC)(Digital IC)： 是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。模拟集成电路模拟集成电路(Analog IC)(Analog IC)： 是指处理模拟信号是指处理模拟信号( (连续变化的信号连续变化的信号) )的集成电路，的集成电路， 通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路 ： 线性集成电路：又叫放大集成电路，

13、如运算放大器、线性集成电路：又叫放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等。电压比较器、跟随器等。 非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。v 标准通用集成电路标准通用集成电路 通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然量极大的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会需求量大，通用性强。而社会需求量大，通用性强。按应用领域分类v专用集成电路专用集成电路 根据某种电子设备中特定的技术要求而专门根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的集成电路简称设计的集成电

14、路简称ASICASIC（Application Specific Application Specific Integrated Circuit)Integrated Circuit)，其特点是集成度较高功能较多，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封装形式多样。功耗较小，封装形式多样。 1. 1. 特征尺寸特征尺寸 (Feature Size) / (Feature Size) / （Critical DimensionCritical Dimension） 特征尺寸定义为器件中最小线条宽度特征尺寸定义为器件中最小线条宽度( (对对MOSMOS器件而言，通常器件而言，通常指器件栅电极所决定

15、的沟道几何长度指器件栅电极所决定的沟道几何长度) )描述集成电路工艺技术水平的描述集成电路工艺技术水平的三个技术指标三个技术指标减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改进寸的减小主要取决于光刻技术的改进。集成电路的特征尺寸。集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的规模化生产是向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.180.18m m、0.130.13m m工工艺，艺， IntelIntel目前将大部分芯片生产制程转换到目前将大部分芯片生产制程转换到0.09 0.09 m m 。 2. 2. 晶片直径晶片

16、直径(Wafer Diameter) (Wafer Diameter) 为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，芯片面积芯片面积的增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率的增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。降低，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。晶圆晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8 8吋，正在向吋，正在向1212吋晶圆吋晶圆迈进。下图自左到右给出的是从迈进。下图自左到右给出的是从2 2吋吋1212吋按比例画出的圆。吋按比例画出的

17、圆。由此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。由此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。尺寸从尺寸从2 2吋吋1212吋成比例增加的晶圆吋成比例增加的晶圆 3.DRAM 3.DRAM 的容量的容量 RAM (Random-Access Memory)RAM (Random-Access Memory)随机存取存储器随机存取存储器 分为分为动态存储器动态存储器DRAM (Dynamic )DRAM (Dynamic )和静态存储器和静态存储器SRAM(Static)SRAM(Static) 中国中国ICIC产业分布图产业分布图 中芯国际集成电路制造有限公司中芯国际集成电路制造有限公司 上海华

18、虹上海华虹( (集团集团) )有限公司有限公司 华润微电子华润微电子( (控股控股) )有限公司有限公司 无锡海力士意法半导体有限公司无锡海力士意法半导体有限公司 和舰科技和舰科技( (苏州苏州) )有限公司有限公司 首钢日电电子有限公司首钢日电电子有限公司 上海先进半导体制造有限公司上海先进半导体制造有限公司 台积电台积电( (上海上海) )有限公司有限公司 上海宏力半导体制造有限公司上海宏力半导体制造有限公司 吉林华微电子股份有限公司吉林华微电子股份有限公司 20062006年度中国集成电路与分立器件制造前十大企业是：年度中国集成电路与分立器件制造前十大企业是： 飞思卡尔半导体飞思卡尔半导

19、体( (中国中国) )有限公司有限公司 奇梦达科技奇梦达科技( (苏州苏州) )有限公司有限公司 威讯联合半导体威讯联合半导体( (北京北京) )有限公司有限公司 深圳赛意法半导体有限公司深圳赛意法半导体有限公司 江苏新潮科技集团有限公司江苏新潮科技集团有限公司 上海松下半导体有限公司上海松下半导体有限公司 英特尔产品英特尔产品( (上海上海) )有限公司有限公司 南通富士通微电子有限公司南通富士通微电子有限公司 星科金朋星科金朋( (上海上海) )有限公司有限公司 乐山无线电股份有限公司乐山无线电股份有限公司20062006年度中国集成电路封装测试前十大企业是：年度中国集成电路封装测试前十大

20、企业是： 炬力集成电路设计有限公司炬力集成电路设计有限公司 中国华大集成电路设计集团有限公司中国华大集成电路设计集团有限公司 ( (包含北京中电华大电子设计公司等包含北京中电华大电子设计公司等) ) 北京中星微电子有限公司北京中星微电子有限公司 大唐微电子技术有限公司大唐微电子技术有限公司 深圳海思半导体有限公司深圳海思半导体有限公司 无锡华润矽科微电子有限公司无锡华润矽科微电子有限公司 杭州士兰微电子股份有限公司杭州士兰微电子股份有限公司 上海华虹集成电路有限公司上海华虹集成电路有限公司 北京清华同方微电子有限公司北京清华同方微电子有限公司 展讯通信展讯通信( (上海上海) )有限公司有限公

21、司 20062006年度中国集成电路设计前十大企业是：年度中国集成电路设计前十大企业是： 集成电路集成电路（I Integrated ntegrated C Circuitircuit） 制造工艺制造工艺是集成电路是集成电路实现的手段，也是集成电路设计的实现的手段，也是集成电路设计的基础。基础。 基础电路制造工艺基础电路制造工艺 集成电路工艺技术主要包括集成电路工艺技术主要包括: : 1 1、原始硅片工艺、原始硅片工艺 硅单晶拉制到最终形成作为硅单晶拉制到最终形成作为ICIC衬底和有衬底和有源区的硅片的一整套工艺技术。源区的硅片的一整套工艺技术。 2 2、掺杂工艺、掺杂工艺 包括各种扩散掺杂和

22、离子注入掺杂技术。包括各种扩散掺杂和离子注入掺杂技术。 3 3、微细图形加工工艺、微细图形加工工艺 包括图形的复印和刻蚀转移两个方面。包括图形的复印和刻蚀转移两个方面。 4 4、介质薄膜工艺、介质薄膜工艺 包括各种热生长技术和各种包括各种热生长技术和各种CVDCVD技术。技术。 5 5、金属薄膜工艺、金属薄膜工艺 包括真空蒸发技术、溅射技术和包括真空蒸发技术、溅射技术和CVDCVD技术。技术。集成电路制造工艺简介集成电路制造工艺简介生产工厂简介生产工厂简介国外某集成电路工厂外景国外某集成电路工厂外景净化厂房净化厂房芯片制造净化区域走廊Here in the Fab TwoFab Two Pho

23、tolithography area we see one of our 200mm 0.35.35 micron I-Line Steppers. this stepper can image and align both 6 & 8 inch wafers. 投投影影式式光光刻刻机机Here we see a technician loading 300mm wafers300mm wafers into the SemiTool. The wafers are in a 13 wafer Teflon cassette co-designed by Process Specialties

24、Process Specialties and SemiTool in 1995. Again these are the worlds first 300mmworlds first 300mm wet process cassettes (that can be spin rinse dried). 硅硅片片清清洗洗装装置置As we look in this window we see the Worlds First true 300mm production furnace. Our development and design of this tool began in 19921

25、992, it was installed in December of 1995 and became fully operational in January of 19961996. 1212英英寸寸氧氧化化扩扩散散炉炉Here we can see the loading of the loading of 300mm300mm wafers wafers onto the Paddle. 1212英英寸寸氧氧化化扩扩散散炉炉装装片片工工序序Process SpecialtiesProcess Specialties has developed the worlds first pro

26、duction 300mm Nitride system! We began processing 300mm LPCVD Silicon NitrideLPCVD Silicon Nitride in May of 1997. 1212英寸氧英寸氧化扩散炉化扩散炉取片工序取片工序（已生长（已生长SiSi3 3N N4 4）2,500 additional square feet of State of the Art Class One Cleanroom is currently processing wafers! With increased 300mm & 200mm process

27、ing capabilities including more PVD Metalization, 300mm Wet processing / Cleaning capabilities and full wafer 300mm 0.35um Photolithography, full wafer 300mm 0.35um Photolithography, all in a Class One enviroment.all in a Class One enviroment.PVDPVD化学汽化学汽相沉积相沉积CVDCVD Accuracy in metrology is never a

28、n issueAccuracy 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 m

29、apping tool. We also use outside laboratories and our excellent working relationships with our Metrology tool customers, for additional correlation and calibration. 检检测测工工序序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/

30、Ohm DI 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. 去去离离子子水水生生产产装装置置离子注入检查晶圆 Here we are looking at the Here w

31、e are looking at the Incoming material disposition Incoming material disposition racks racks 库房库房集成电路制造工艺分类集成电路制造工艺分类1.1. 双极型工艺（双极型工艺（bipolarbipolar）2.2. CMOSCMOS工艺工艺集成电路设计与制造的主要流程框架设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制芯片制造过程造过程封装封装测试测试 系统需求系统需求集成电路芯片设计过程框架集成电路芯片设计过程框架From 吉利久教授吉利久教授是是功能要求功能要求行为设计（行为设

32、计（VHDL）行为仿真行为仿真综合、优化综合、优化网表网表时序仿真时序仿真布局布线布局布线版图版图后仿真后仿真否否是是否否否否是是Sing off设计创意设计创意 + + 仿真验证仿真验证集成电路的设计过程：集成电路的设计过程：芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层发形成新的薄膜或膜层曝曝 光光刻刻 蚀蚀硅片硅片测试和封装测试和封装用掩膜版用掩膜版重复重复20-30次次集成电路芯片的显微照片Vsspoly 栅Vdd布线通道参考孔有源区N+P+ 5050 m m100100 m m头发丝粗细头发丝粗细1 1 m m 1 1 m m( (晶体管的大小晶

33、体管的大小) )9090年代生产的集成电路中晶体管大小与人年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较N N沟道沟道MOSMOS晶体管晶体管CMOS集成电路集成电路(互补型互补型MOS集成电路集成电路)：目前应用最为广泛的一种集成电路，约占目前应用最为广泛的一种集成电路，约占集成电路总数的集成电路总数的95%以上。以上。集成电路制造工艺图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单晶片上掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等制膜：制作各种材料的薄膜1 1 双极型（双极型（NPNNPN）集成电

34、路工艺）集成电路工艺( (典型的典型的PNPN结隔离工艺结隔离工艺) )P-Sub衬底准备（衬底准备（P P型）型）光刻光刻n+n+埋层埋层区区氧化氧化n+n+埋层区注入埋层区注入 清洁表面清洁表面1.1.衬底准备衬底准备2.2.第一次光刻第一次光刻NN+ +隐埋层扩散孔光刻隐埋层扩散孔光刻 P-Sub生长生长n-n-外延外延隔离氧化隔离氧化 光刻光刻p+p+隔离区隔离区p+p+隔离注入隔离注入 p+p+隔离推进隔离推进N+N+N-N-3.3.外延层淀积外延层淀积4.4.第二次光刻第二次光刻PP+ +隔离扩散孔光刻隔离扩散孔光刻光刻硼扩散区光刻硼扩散区P-SubN+N+N-N-P+P+P+硼扩

35、散硼扩散5.5.第三次光刻第三次光刻PP型基区扩散孔光刻型基区扩散孔光刻光刻磷扩散区光刻磷扩散区 磷扩散磷扩散P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP6.6.第四次光刻第四次光刻NN+ +发射区扩散孔光刻发射区扩散孔光刻氧化氧化光刻引线孔光刻引线孔清洁表面清洁表面P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP7.7.第五次光刻第五次光刻引线接触孔光刻引线接触孔光刻 氧化氧化蒸镀金属蒸镀金属反刻金属反刻金属P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP8.8.第六次光刻第六次光刻金属化内连线光刻金属化内连线光刻 NPN晶体管剖面图ALSiO2BPP+P-SUBN+ECN+-BLN-epiP+Epita

36、xial layer 外延层Buried Layer埋层的作用埋层的作用1.1.减小串联电阻减小串联电阻（集成电路中的各个电极均从（集成电路中的各个电极均从上表面引出，外延层电阻率较大且路径较长）上表面引出，外延层电阻率较大且路径较长）BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N+埋层埋层N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+钝化层钝化层N+CECEBB2.2.减小寄生减小寄生pnppnp晶体管的影响晶体管的影响隔离的实现隔离的实现1.P+1.P+隔离扩散要扩穿外延层，与隔离扩散要扩穿外延层，与p p型衬底连通。型衬底连通。因此，将因此，将n n型外延层分割成若干个型外延层分割成若干个

37、“岛岛” ” 。2. P+2. P+隔离接电路最低电位，隔离接电路最低电位，使使“岛岛” ” 与与“岛岛” ” 之间形成两个背靠背的反偏二之间形成两个背靠背的反偏二极管。极管。BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N+埋层埋层N-epiSiO2P+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+N+CECEBB钝化层钝化层光刻掩膜版汇总光刻掩膜版汇总埋层区埋层区隔离墙隔离墙硼扩区硼扩区磷扩区磷扩区 引线孔引线孔金属连线金属连线外延层电极的引出外延层电极的引出欧姆接触电极：欧姆接触电极：金属与掺杂浓度较低的外延金属与掺杂浓度较低的外延层相接触易形成整流接触层相接触易形成整流接触（金半接触势垒二极（金半接触势

38、垒二极管）管）。因此，。因此，外延层电极引出处应增加浓扩散外延层电极引出处应增加浓扩散。BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N+埋层埋层N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+钝化层钝化层N+CECEBB金属与半导体接触？金属与半导体接触？形成欧姆接触的方法？形成欧姆接触的方法？低势垒，高复合，高低势垒，高复合，高掺杂掺杂光刻光刻LithographyLithography光刻是光刻是ICIC制造业中最为重要的一道工制造业中最为重要的一道工艺艺硅片制造工艺中，光刻硅片制造工艺中，光刻占所有成本的占所有成本的35%35% 通常可通常可用光刻次数用光刻次数及所需及所需掩模的个数掩模的个

39、数来来表示某生产工艺的难易程度。表示某生产工艺的难易程度。 一个典型的硅集成电路工艺包括一个典型的硅集成电路工艺包括15152020块掩膜版块掩膜版 集成电路的集成电路的特征尺寸特征尺寸是否能够进一是否能够进一步减小，也与步减小，也与光刻技术光刻技术的近一步发展有的近一步发展有密切的关系。密切的关系。 通常人们用通常人们用特征尺寸特征尺寸来评价一个集来评价一个集成电路生产线的技术水平成电路生产线的技术水平。 所谓所谓特征尺寸（特征尺寸（CDCD：characteristic dimensioncharacteristic dimension）是指设计的多晶硅栅长，它标志了器件工艺的总是指设计的

40、多晶硅栅长，它标志了器件工艺的总体水平，是设计规则的主要部分体水平，是设计规则的主要部分通常我们所说的通常我们所说的0.130.13 m,0.09m,0.09 m m工艺就是工艺就是指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。光刻的定义光刻的定义：光刻是一种图形复印和化学光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。腐蚀相结合的精密表面加工技术。光刻的目的光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或光刻的目的就是在二氧化硅或 金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图几何图 形，形，把掩模版上的图形转换成晶把掩模版上的图形转换成

41、晶圆上的器件结构圆上的器件结构,从而实现从而实现选择性扩散选择性扩散和和金属薄膜布线金属薄膜布线的目的。的目的。光刻的要求光刻的要求 对光刻的基本要求：对光刻的基本要求： （1 1）高分辨率）高分辨率 （2 2）高灵敏度）高灵敏度 （3 3）精密的套刻对准）精密的套刻对准 （4 4）大尺寸硅片上的加工）大尺寸硅片上的加工 （5 5）低缺陷）低缺陷 1. 1. 高分辨率高分辨率 分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力，即分开来的能力，即对光刻工艺中可以达到对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻精度

42、和清晰度的标志之一。精度和清晰度的标志之一。随着集成电路随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越细，对的集成度提高，加工的线条越来越细，对分辨率的要求也越来越高。分辨率的要求也越来越高。分辨率表示每分辨率表示每mmmm内能够刻蚀出可分辨的最多线条数。内能够刻蚀出可分辨的最多线条数。 R= 1/2LR= 1/2L 2.2.高灵敏度高灵敏度 灵敏度是指光刻胶感光的速度。灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提为了提高产量要求曝光时间越短越好，也就要高产量要求曝光时间越短越好，也就要求高灵敏度。求高灵敏度。3.3.精密的套刻对准精密的套刻对准集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，集成电路制作需要十多次甚

43、至几十次光刻，每次光刻都要相互套准。每次光刻都要相互套准。由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，因此，对套刻要求很高。要求套刻误差在因此，对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸的特征尺寸的1010左右。左右。 4.4.大尺寸硅片的加工大尺寸硅片的加工 随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆片的膨胀和收缩。片的膨胀和收缩。因此对周围环境的温度因此对周围环境的温度控制要求十分严格，控制要求十分严格，否则会影响光刻质量否则会影响光刻质量5.5.低缺陷低缺陷缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷5

44、.2 5.2 光刻胶的组成材料及感光原光刻胶的组成材料及感光原理理光刻胶是光刻工艺的核心，光刻胶是光刻工艺的核心，光刻过程光刻过程中的所有操作都会根据中的所有操作都会根据特定的光刻胶特定的光刻胶性质性质和和想达到的预期结果想达到的预期结果而进行微调。而进行微调。光刻胶的选择和光刻工艺的研发是一光刻胶的选择和光刻工艺的研发是一个非常漫长的过程。个非常漫长的过程。光刻胶种类光刻胶种类 正光刻胶正光刻胶(Positive optical resist)(Positive optical resist) 负光刻胶负光刻胶(Negative optical resist)(Negative optica

45、l resist)Resists are organic polymers that are spun onto wafersResists are organic polymers that are spun onto wafersand prebaked to produce a film and prebaked to produce a film 0.5 - 1 0.5 - 1 mm thick.m thick.光刻胶又称光刻胶又称光致抗蚀剂光致抗蚀剂(Photo-Resist) ，根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，有有正性光刻胶正性光刻胶Posi

46、tive Optical Positive Optical ResistResistv 正胶的光化学性质是从抗溶正胶的光化学性质是从抗溶解到可溶性。解到可溶性。v 正胶曝光后显影时感光的胶正胶曝光后显影时感光的胶层溶解了。层溶解了。v 现有现有VLSIVLSI工艺都采用正胶工艺都采用正胶 正胶机制正胶机制曝光使感光材料曝光使感光材料(PAC)(PAC)中分子裂解，中分子裂解，被裂解的分子在显被裂解的分子在显影液中很易溶解，影液中很易溶解，从而与未曝光部分从而与未曝光部分形成强烈反差。形成强烈反差。负性光刻胶负性光刻胶 Negative Optical resistNegative Optica

47、l resist 负胶的光学性能是从可溶负胶的光学性能是从可溶解性到不溶解性。解性到不溶解性。 负胶在曝光后发生交链作负胶在曝光后发生交链作用形成网络结构，在显影用形成网络结构，在显影液中很少被溶解，而未被液中很少被溶解，而未被曝光的部分充分溶解。曝光的部分充分溶解。 小结：小结：正性和负性光刻正性和负性光刻胶胶 正性光刻胶受光或紫外线照射后感光正性光刻胶受光或紫外线照射后感光的部分发生光分解反应，可溶于显影液，未感的部分发生光分解反应，可溶于显影液，未感光的部分显影后仍然留在晶圆的表面光的部分显影后仍然留在晶圆的表面 负性光刻胶的未感光部分溶于显影液中，负性光刻胶的未感光部分溶于显影液中，而

48、感光部分显影后仍然留在基片表面。而感光部分显影后仍然留在基片表面。正胶：曝光前不可溶，曝光后正胶：曝光前不可溶，曝光后 可溶可溶负胶：曝光前负胶：曝光前 可溶，曝光后不可溶可溶，曝光后不可溶 光刻胶对大部分可见光敏感，光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。对黄光不敏感。因此光刻通常在因此光刻通常在黄光室（黄光室（Yellow RoomYellow Room）内进行。）内进行。正胶和负胶的比较正胶和负胶的比较 正胶正胶a)a)分辨率高分辨率高 小于小于1 1微米微米b)b)抗干法刻蚀能力强抗干法刻蚀能力强c)c)较好的热稳定性较好的热稳定性 负胶负胶a)a)对某些衬底表面粘附性好对某些衬底表面

49、粘附性好b) b) 曝光时间短，产量高曝光时间短，产量高c) c) 工艺宽容度较高工艺宽容度较高 （显影液稀释度、温度等）（显影液稀释度、温度等）d) d) 价格较低价格较低 （约正胶的三分之一）（约正胶的三分之一）THANK YOUSUCCESS2022-8-4可编辑负胶负胶 曝光后变为曝光后变为可溶可溶 显影时未曝光的部显影时未曝光的部 分溶解于显影液分溶解于显影液 图形与掩模版相反图形与掩模版相反 分辨率较低分辨率较低 含二甲苯，对环境、含二甲苯，对环境、身体有害。身体有害。正胶正胶 曝光后变为可溶曝光后变为可溶 显影时曝光的部分显影时曝光的部分溶解于显影液溶解于显影液 图形与掩模版相同

50、图形与掩模版相同 小的聚合物尺寸，小的聚合物尺寸，有有高的分辨高的分辨 大大应用于应用于IC fabsIC fabs光刻胶种类光刻胶种类q分辨率 (resolution)q敏感度 (Sensitivity)q对比度 (Contrast) q粘滞性q粘附性q抗蚀性光刻胶材料参数光刻胶材料参数1.1.光刻胶的分辨率光刻胶的分辨率（resolution） 在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为对光刻胶的分辨率。对光刻胶的分辨率。 产生的线条越小，分辨率越高。产生的线条越小，分辨率越高。分辨率不仅分辨率不仅与光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定与光刻胶本身的结构、