集成電路制造技術(shù)-原理與工藝習(xí)題解答（第4單元）

復(fù)習(xí)題ULSI中對光刻技術(shù)的基本要求？答：一般來說，在ULSI中對光刻技術(shù)的基本要求包括五方面：=1\*GB3①高分辨率。隨著集成電路集成度的不斷提高，加工的線條越來越精細，要求光刻的圖形具有高分辨率。在集成電路工藝中，通常把線寬作為光刻水平的標志，一般也可以用加工圖形線寬的能力來代表集成電路的工藝水平。=2\*GB3②高靈敏度的光刻膠。光刻膠的靈敏度通常是指光刻膠的感光速度。在集成電路工藝中為了提高產(chǎn)品的產(chǎn)量，希望曝光時間愈短愈好。為了減小曝光所需的時間，需要使用高靈敏度的光刻膠。光刻膠的靈敏度與光刻膠的成份以及光刻工藝條件都有關(guān)系，而且伴隨著靈敏度的提高往往會使光刻膠的其它屬性變差。因此，在確保光刻膠各項屬性均為優(yōu)異的前提下，提高光刻膠的靈敏度已經(jīng)成為了重要的研究課題。=3\*GB3③低缺陷。在集成電路芯片的加工過程中，如果在器件上產(chǎn)生一個缺陷，即使缺陷的尺寸小于圖形的線寬，也可能會使整個芯片失效。通常芯片的制作過程需要經(jīng)過幾十步甚至上百步的工序，在整個工藝流程中一般需要經(jīng)過10~20次左右的光刻，而每次光刻工藝中都有可能引入缺陷。在光刻中引入缺陷所造成的影響比其他工藝更為嚴重。由于缺陷直接關(guān)系到成品率，所以對缺陷的產(chǎn)生原因和對缺陷的控制就成為重要的研究課題。=4\*GB3④精密的套刻對準。集成電路芯片的制造需要經(jīng)過多次光刻，在各次曝光圖形之間要相互套準。ULSI中的圖形線寬在1μm以下，因此對套刻的要求也就非常高。一般器件結(jié)構(gòu)允許的套刻精度為線寬的±10%左右。這種要求單純依靠高精度機械加工和人工手動操作已很難實現(xiàn)，通常要采用自動套刻對準技術(shù)。=5\*GB3⑤對大尺寸硅片的加工。集成電路芯片的面積很小，即便對于ULSI的芯片尺寸也只有1~2cm2左右。為了提高經(jīng)濟效益和硅片利用率，一般采用大尺寸的硅片，也就是在一個硅片上一次同時制作很多完全相同的芯片。采用大尺寸的硅片帶來了一系列的技術(shù)問題。對于光刻而言，在大尺寸硅片上滿足前述的要求難度更大。而且環(huán)境溫度的變化也會引起硅片的形變（膨脹或收縮），這對于光刻也是一個難題。什么是光刻，光刻系統(tǒng)的主要指標有那些？答：光刻(photolithography)就是將掩模版（光刻版）上的幾何圖形轉(zhuǎn)移到覆蓋在半導(dǎo)體襯底表面的對光輻照敏感薄膜材料（光刻膠）上去的工藝過程。光刻系統(tǒng)的主要指標包括分辨率R（resolution）、焦深（depthoffocus，DOF）、對比度（CON）、特征線寬（criticaldimension，CD）控制、對準和套刻精度（alignmentandoverlay）、產(chǎn)率（throughout）以及價格。試簡述硅集成電路平面制造工藝流程中常規(guī)光刻工序正確的工藝步驟。答：一般的光刻工藝要經(jīng)歷底膜處理、涂膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、刻蝕、去膠、檢驗工序。（1）底膜處理是光刻工藝的第一步，其主要目的是對硅襯底表面進行處理，以增強襯底與光刻膠之間的黏附性。底膜處理包括以下過程：清洗、烘干和增粘處理。（2）涂膠工藝一般包括三個步驟：①將光刻膠溶液噴灑到硅片表面上；=2\*GB3②加速旋轉(zhuǎn)托盤(硅片)，直至達到需要的旋轉(zhuǎn)速度；③達到所需的旋轉(zhuǎn)速度后，保持一定時間的旋轉(zhuǎn)。（3）前烘就是在一定的溫度下，使光刻膠膜里面的溶劑緩慢地、充分地逸出來，使光刻膠膜干燥，其目的是增加光刻膠與襯底間的粘附性，增強膠膜的光吸收和抗腐蝕能力，以及緩和涂膠過程中膠膜內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力等。（4）曝光是使光刻掩模版與涂上光刻膠的襯底對準，用光源經(jīng)過光刻掩模版照射襯底，使接受到光照的光刻膠的光學(xué)特性發(fā)生變化。曝光中要特別注意曝光光源的選擇和對準。（5）曝光后在光刻膠層中形成的潛在圖形，經(jīng)過顯影便顯現(xiàn)出來，形成三維光刻膠圖形，這一步驟稱為顯影。（6）堅膜也是一個熱處理步驟，就是在一定的溫度下，對顯影后的襯底進行烘焙。堅膜的主要作用是除去光刻膠中剩余的溶劑，增強光刻膠對硅片表面的附著力，同時提高光刻膠在刻蝕和離子注入過程中的抗蝕性和保護能力。（7）在顯影和烘焙之后就要完成光刻掩膜工藝的第一次質(zhì)檢，通常叫顯影檢驗。檢驗的目的是區(qū)分那些有很低可能性通過最終掩膜檢驗的襯底；提供工藝性能和工藝控制數(shù)據(jù)；以及分揀出需要重做的襯底。（8）刻蝕就是將涂膠前所淀積的薄膜中沒有被光刻膠（經(jīng)過曝光和顯影后的）覆蓋和保護的那部分去除掉，達到將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到其下層材料上的目的。（9）光刻膠除了在光刻過程中用作從光刻掩模版到襯底的圖形轉(zhuǎn)移媒介，還用做刻蝕時不需刻蝕區(qū)域的保護膜。當(dāng)刻蝕完成后，光刻膠已經(jīng)不再有用，需要將其徹底去除，完成這一過程的工序就是去膠。此外，刻蝕過程中殘留的各種試劑也要清除掉（10）基本的光刻工藝過程中，最終步驟是檢驗。襯底在入射白光或紫外光下首先接受表面目檢，以檢查污點和大的微粒污染。之后是顯微鏡檢驗或自動檢驗來檢驗缺陷和圖案變形。對于特定的光刻版級別的關(guān)鍵尺寸的測量也是最終檢驗的一部分。對光刻質(zhì)量的檢測手段主要有：顯微鏡目檢、線寬控制和對準檢查。光刻技術(shù)中的常見問題有那些？答：半導(dǎo)體器件和集成電路的制造對光刻質(zhì)量有如下要求：一是刻蝕的圖形完整，尺寸準確，邊緣整齊陡直；二是圖形內(nèi)沒有針孔；三是圖形外沒有殘留的被腐蝕物質(zhì)。同時要求圖形套刻準確，無污染等等。但在光刻過程中，常出現(xiàn)浮膠、毛刺、鉆蝕、針孔和小島等缺陷。浮膠就是在顯影和腐蝕過程中，由于化學(xué)試劑不斷侵入光刻膠膜與SiO2或其它薄膜間的界面，所引起的光刻膠圖形膠膜皺起或剝落的現(xiàn)象。所以，浮膠現(xiàn)象的產(chǎn)生與膠膜的粘附性有密切關(guān)系。腐蝕時，如果腐蝕液滲透光刻膠膜的邊緣，會使圖形邊緣受到腐蝕，從而破壞掩蔽擴散的氧化層或鋁條的完整性。若滲透腐蝕較輕，圖形邊緣出現(xiàn)針狀的局部破壞，習(xí)慣上就稱為毛刺；若腐蝕嚴重，圖形邊緣出現(xiàn)“鋸齒狀”或“繡花球”樣的破壞，就稱它為鉆蝕。在氧化層上，除了需要刻蝕的窗口外，在其它區(qū)域也可能產(chǎn)生大小一般在l~3微米的細小孔洞。這些孔洞，在光刻工藝中稱為針孔。小島，是指在應(yīng)該將氧化層刻蝕干凈的擴散窗口內(nèi)，還留有沒有刻蝕干凈的氧化層局部區(qū)域，它的形狀不規(guī)則，很象“島嶼”，尺寸一般比針孔大些，習(xí)慣上稱這些氧化層“島嶼”為小島。光刻工藝對掩模版有那些質(zhì)量要求？答：集成電路生產(chǎn)中，光刻工藝對掩模版的質(zhì)量要求歸納有如下幾點：=1\*GB3①構(gòu)成圖形陣列的每一個微小圖形要有高的圖像質(zhì)量，即圖形尺寸要準確，盡可能接近設(shè)計尺寸的要求，且圖形不發(fā)生畸變。=2\*GB3②圖形邊緣清晰、銳利，無毛刺，過渡區(qū)要小，即充分光密度區(qū)（黑區(qū)）應(yīng)盡可能陡直地過渡到充分透明區(qū)（白區(qū)）。圖形區(qū)內(nèi)應(yīng)有掩蔽作用，圖形區(qū)外應(yīng)完全透過紫外線或?qū)馕諛O小。圖形內(nèi)應(yīng)無針孔，圖形外應(yīng)無黑點。一些特殊器件對過渡區(qū)的要求更加苛刻。=3\*GB3③整套掩模中的各塊掩模能很好地套準，對準誤差要盡量地小。=4\*GB3④圖形與襯底要有足夠的反差（光密度差），一般要求達2.5以上，同時透明區(qū)應(yīng)無灰霧。=5\*GB3⑤掩模應(yīng)盡可能做到無“針孔”、“小島”和劃痕等缺陷。=6\*GB3⑥版面平整、光潔、結(jié)實耐用。版子要堅固耐磨，不易變形。圖形應(yīng)不易損壞。由于掩模版在光刻時可能要與硅片接觸并發(fā)生摩擦，極易損壞，如果掩模版不堅固耐磨，則其使用壽命很短，經(jīng)常更換新版很不經(jīng)濟。簡述集成電路的常規(guī)掩模版制備的工藝流程。答：硅平面晶體管或集成電路掩模版的制作，一般地講，要經(jīng)過原圖繪制（包括繪總圖和刻分圖）、初縮、精縮兼分步重復(fù)、復(fù)印陰版和復(fù)印陽版等幾步。掩模版制造人員根據(jù)圖形產(chǎn)生的磁帶數(shù)據(jù)，再加上不同的應(yīng)用需求及規(guī)格，會選用不同的制作流程。=1\*GB3①版圖繪制：在版圖設(shè)計完成后，一般將其放大100~1000倍（通常為500倍），在坐標紙上畫出版圖總圖。=2\*GB3②刻分層圖：生產(chǎn)過程中需要幾次光刻版，總圖上就含有幾個層次的圖形。為了分層制出各次光刻版，首先分別在表面貼有紅色膜的透明聚酯塑料膠片（稱為紅膜）的紅色薄膜層上刻出各個層次的圖形，揭掉不要的部分，形成紅膜表示的各層次圖形。這一步又稱為刻紅膜。=3\*GB3③初縮：對紅膜圖形進行第一次縮小，得到大小為最后圖形十倍的各層初縮版。其過程與照相完全一樣。=4\*GB3④精縮兼分布重復(fù)：一個大圓片硅片上包含有成百上千的管芯，所用的光刻版上當(dāng)然就應(yīng)重復(fù)排列有成百上千個相同的圖形。因此本步任務(wù)有兩個：首先將初縮版的圖形進一步縮小為最后的實際大小，并同時進行分布重復(fù)。得到可用于光刻的正式掩模版。直接由精縮和分步重復(fù)得到的叫做母版。=5\*GB3⑤復(fù)?。涸诩呻娐飞a(chǎn)的光刻過程中，掩模版會受磨損產(chǎn)生傷痕。使用一定次數(shù)后就要換用新掩模版。因此同一掩模工作版的需要數(shù)量是很大的，若每次工作版都采用精縮得到的母版是很不經(jīng)濟的。因此在得到母版后要采用復(fù)印技術(shù)復(fù)制多塊工作掩模版供光刻用。簡述表征光刻膠特性、性能和質(zhì)量的參數(shù)。答：表征光刻膠性質(zhì)的量有下面幾個：響應(yīng)波長響應(yīng)波長是能使光刻膠結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的光（或射線）的波長。為了提高光學(xué)光刻的分辨率，光刻膠在向短波方向發(fā)展。汞燈作為光源時所用膠的響應(yīng)波長是紫光，400-550nm；氙-汞燈作為光源采用近紫外膠，響應(yīng)波長在360nm附近；190nm的極紫外光刻膠正在研究之中。電子束光刻膠對電子束有響應(yīng)。靈敏度光刻膠的靈敏度是指單位面積上入射的使光刻膠全部發(fā)生反應(yīng)的最小光能量或最小電荷量（對電子束膠）。靈敏度以毫焦每平方厘米或mJ/cm2為單位。提供給光刻膠的光能量值通常稱為曝光量。靈敏度越高，需要的光（或射線）能量越小，曝光時間越短。靈敏度太低會影響生產(chǎn)效率，所以通常希望光刻膠有較高的靈敏度。但靈敏度太高會影響分辨率。通常負膠的靈敏度高于正膠?？刮g性光刻膠膠膜必須保持它的粘附性，并在后續(xù)的濕刻和干刻中保護襯底表面。這種性質(zhì)被稱為抗蝕性。一些干法刻蝕工藝要在高溫（如150粘滯性對于液體光刻膠來說，粘滯性是評價其流動特性的定量指標。粘滯性與時間相關(guān)，因為它會在使用中隨著光刻膠中溶劑的揮發(fā)而增加。粘滯性非常重要，因為硅片表面具有各種形貌，例如臺階和狹縫，在這些地方，它會影響光刻膠的厚度和均勻性。隨著粘滯性增加，光刻膠流動的趨勢變小，它在硅片上的厚度增加，分辨率下降，但是抗蝕能力增強。因此，選擇膠的粘度時應(yīng)根據(jù)需要來確定。粘附性光刻膠的粘附性描述了光刻膠粘著于襯底的強度。光刻膠必須粘附于許多不同類型的表面，包括硅、多晶硅、二氧化硅（摻雜的和未摻雜的）、氮化硅和不同的金屬。光刻膠粘附性的不足會導(dǎo)致硅片表面上的圖形變形。光刻膠的粘附性必須保證光刻膠經(jīng)受住曝光、顯影和后續(xù)的工藝（例如刻蝕和離子注入）條件。6、光刻膠的膨脹在顯影過程中，如果顯影液滲透到光刻膠中，光刻膠的體積就會膨脹，這將導(dǎo)致圖形尺寸發(fā)生變化。這種膨脹現(xiàn)象主要發(fā)生在負膠中。由于負膠存在膨脹現(xiàn)象，對于光刻小于3μm圖形的情況，基本使用正膠來代替負膠。正膠的分子量通常都比較低，在顯影液中的溶解機制與負膠不同，所以正膠幾乎不會發(fā)生膨脹。因為正膠不膨脹，分辨率就高于負膠。另外，減小光刻膠的厚度有助于提高分辨率。因此使用較厚的正膠可以得到與使用較薄的負膠相同的分辨率。在相同的分辨率下，與負膠相比可以使用較厚的正膠，從而得到更好的平臺覆蓋并能降低缺陷的產(chǎn)生，同時抗干法刻蝕的能力也更強。7、微粒數(shù)量和金屬含量光刻膠的純凈度與光刻膠中的微粒數(shù)量和金屬含量有關(guān)。為了滿足對光刻膠中微粒數(shù)量的控制，光刻膠在生產(chǎn)的過程中需要經(jīng)過嚴格的過濾和超凈的包裝。通過嚴格的過濾和超凈包裝，可以得到高純度的光刻膠。此外，即便得到了高純度的光刻膠，在使用前仍然需要進行過濾。因為即便在生產(chǎn)的過程中光刻膠已經(jīng)經(jīng)過了過濾和密封包裝，隨著存儲時間的增加，光刻膠中的微粒數(shù)量還會繼續(xù)增加。過濾的精度越高，相應(yīng)的成本也越高。光刻膠的過濾通常是在干燥的惰性氣體(如氮氣)中進行的。根據(jù)需要選擇過濾的級別，一般直徑在0.1μm以上的微粒都需要除去。光刻膠的金屬含量主要是指鈉和鉀在光刻膠中的含量。因為光刻膠中的鈉和鉀會帶來污染，降低器件的性能。通常要求光刻膠的金屬含量越低越好，特別是鈉需要達到50萬分之一原子。這種低濃度的鈉和鉀可以通過原子吸收光譜分光光度計來測量。8、儲存壽命光刻膠中的成份會隨時間和溫度而發(fā)生變化。通常負膠的儲存壽命比正膠短(負膠易于自動聚合成膠化團)。從熱敏性和老化情況來看，DQN正膠在封閉條件下儲存是比較穩(wěn)定的。如果儲存得當(dāng)，DQN正膠可以保存六個月至一年。在存儲期間，由于交叉鏈接的作用，DQN正膠中的高分子成份會增加，這時DQN感光劑不再可溶，而是結(jié)晶成沉淀物。另一方面，如果保存在高溫的條件下，光刻膠也會發(fā)生交叉鏈接。這兩種因素都增加了光刻膠中微粒的濃度，所以光刻膠在使用前需要經(jīng)過過濾。采用適當(dāng)?shù)倪\輸和存儲手段，在特定的條件下保存以及使用前對光刻膠進行過濾，這都有利于解決光刻膠的老化問題。試簡述負性光致抗蝕劑曝光前和曝光后在其顯影溶劑中的溶解特性差異，并敘述正性光致杭蝕劑曝光前和曝光后在其顯影溶劑中的溶解特性差異。答：當(dāng)前常用的正膠由以下物質(zhì)組成：堿溶性的酚醛樹脂，光敏劑鄰重氮醌和溶劑二甲苯等。響應(yīng)波長330-430nm，膠膜厚1-3μm，顯影液是氫氧化鈉等堿性物質(zhì)。曝光的鄰重氮醌退化，與樹脂一同易溶于顯影液，未曝光的鄰重氮醌和樹脂構(gòu)成的膠膜難溶于堿性顯影液。但是，如果顯影時間過長，膠膜均溶于顯影液，所以，用正膠光刻要控制好工藝條件。正膠，曝光部分發(fā)生了光化學(xué)反應(yīng)，未曝光部分無變化，因此顯影容易，且圖形邊緣齊整，無溶漲現(xiàn)象，光刻的分辨率高。目前這種膠的分辨率在0.25μm以上。光刻最后的去膠也較容易。簡述光刻膠的成分特征。答：光學(xué)光刻膠通常包含有三種成份：①聚合物材料(也稱為樹脂)：聚合物材料在光的輻照下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其主要作用是保證光刻膠薄膜的附著性和抗腐蝕性，同時也決定了光刻膠薄膜的其它一些持性(如光刻膠的膜厚、彈性和熱穩(wěn)定性)。②感光材料：感光材料一般為復(fù)合物(簡稱PAC或感光劑)。感光劑在受光輻照之后會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。正膠的感光劑在未曝光區(qū)域起抑制溶解的作用，可以減慢光刻膠在顯影液中的溶解速度。在正性光刻膠暴露于光線時有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，使抑制劑變成了感光劑，從而增加了膠的溶解速率。③溶劑(如丙二醇一甲基乙醚，簡稱PGME)：溶劑的作用是可以控制光刻膠機械性能(例如基體黏滯性)，并使其在被涂到硅片表面之前保持為液態(tài)。光學(xué)分辨率增強技術(shù)主要包括那些？答：從廣義上講，分辨率增強技術(shù)包括移相掩模技術(shù)（phaseshiftmask）、離軸照明技術(shù)(off-axisillumination)、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù)(opticalproximitycorrection)、光瞳濾波技術(shù)（pupilfilteringtechnology）以及其它一切在不增大數(shù)值孔徑和不縮短曝光波長的前提下，通過改變光波波前，來提高光刻分辨率，增大焦深和提高光刻圖形質(zhì)量的技術(shù)和方法。紫外光的常見曝光方法有那些？答：紫外（UV）的曝光方法主要有接觸式曝光、接近式曝光和投影式曝光。后光刻時代有那些光刻新技術(shù)？答：浸入式光刻、納米壓印光刻、極紫外光刻（EUV）和無掩模(ML2)一起成為后光刻技術(shù)時代的候選技術(shù)。光刻設(shè)備主要有那些？答：接觸式光刻機；接近式光刻機；掃描投影光刻機；分步重復(fù)投影光刻機；步進掃描光刻機。理想的刻蝕工藝具有的特點？答：理想的刻蝕工藝必須具有以下特點：①各向異性刻蝕，即只有垂直刻蝕，沒有橫向鉆蝕。這樣才能保證精確地在被刻蝕的薄膜上復(fù)制出與抗蝕劑上完全一致的幾何圖形；②良好的刻蝕選擇性，即對作為掩模的抗蝕劑和處于其下的另一層薄膜或材料的刻蝕速率都比被刻蝕薄膜的刻蝕速率小得多，以保證刻蝕過程中抗蝕劑掩蔽的有效性，不致發(fā)生因為過刻蝕而損壞薄膜下面的其他材料；③加工批量大，控制容易，成本低，對環(huán)境污染少，適用于工業(yè)生產(chǎn)。影響刻蝕工藝的因素有那些？答：影響刻蝕工藝的因素分為外部因素和內(nèi)部因素。外部因素主要包括設(shè)備硬件的配置以及環(huán)境的溫度、濕度影響，對于操作人員來說，外部因素只能記錄，很難改變，要做好的就是優(yōu)化工藝參數(shù)，實現(xiàn)比較理想的實驗結(jié)果。內(nèi)部因素就是在設(shè)備穩(wěn)定的情況下對工藝結(jié)果起到?jīng)Q定性作用，以下所列因素對于刻蝕速率、形貌等均起到重要作用。

=1\*GB3①工作壓力的選擇：對于不同的要求，工作壓力的選擇很重要，壓力取決于通氣量和泵的抽速，合理的壓力設(shè)定值可以增加對反應(yīng)速率的控制、增加反應(yīng)氣體的有效利用率等。=2\*GB3②RF功率的選擇：RF功率的選擇可以決定刻蝕過程中物理轟擊所占的比重，對于刻蝕速率和選擇比起到關(guān)鍵作用。RF功率、反應(yīng)氣體的選擇和氣體通入的方式可以控制刻蝕過程為同步刻蝕亦或是BOSCH工藝。=3\*GB3③ICP功率：ICP功率對于氣體離化率起到關(guān)鍵作用，保證反應(yīng)氣體的充分利用，我們的設(shè)備ICP功率最大值為2500W。在氣體流量一定的情況下，隨著ICP功率的增加氣體離化率也相應(yīng)增加，可增加到一定程度時，離化率趨向于飽和，此時再增加ICP功率就會造成浪費。=4\*GB3④襯底溫度和反應(yīng)室溫度：溫度控制對于襯底本身和掩膜（特別是膠掩膜）的意義重大，目前大多數(shù)設(shè)備采用的是氦氣冷卻襯底背面的方式，背面控制在20℃左右。=5\*GB3⑤反應(yīng)氣體的選擇和配比：以硅的刻蝕為例，刻蝕設(shè)備通了四路氣體SF6、C4F8、O2和CF4。其中SF6和C4F8作為反應(yīng)氣體參與刻蝕過程，O2和CF4作為清洗氣體負責(zé)設(shè)備的CLEAN過程。選擇合適的流量和氣體通入的時間比會很大程度上影響刻蝕面的側(cè)壁形貌、反應(yīng)速率等。濕法刻蝕的步驟？答：濕法刻蝕大概可分為三個步驟：=1\*GB3①反應(yīng)物質(zhì)擴散到被刻蝕薄膜的表面。=2