第十章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 1－
? 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
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 0.3μm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；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 2001 2006 2012
线宽 (nm） 150 100 50
记忆量 1 Gb 16 Gb 64 Gb
逻辑 Bits/cm2 380 M 2.2 B 17 B
芯片尺寸 DRAM(mm2) 445 790 1580
最大连线水平 7 7~8 9
掩膜层 23 24~26 28
缺陷密度 DRAM(D/m) 875 490 250
芯片连接 I/O 1195 1970 3585
芯片直径 (mm) 300 300 450
第十章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 3－
? 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～ 10.4节 。
? 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 － 5－
? 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 。
? 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 30～ 50％。
第十章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 6－
? 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 － 7－
? 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 － 9－
? 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 － 11－
? 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 。
? 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
第十章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 13－
? 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
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 － 15－
? 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除氧化物的过程,
栅极在源漏区离子注入时作为掩蔽层 （ 注入阻挡
层 ） 。 如图所示, 采用自对准工艺是 MOS的栅极
和源漏区之间没有任何交叠, 从而可有效地提高
MOS的性能 。
第十章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 16－
自对准硅栅极结构
栅
漏源区自对准结构栅
? 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
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 0.3μm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；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 2001 2006 2012
线宽 (nm） 150 100 50
记忆量 1 Gb 16 Gb 64 Gb
逻辑 Bits/cm2 380 M 2.2 B 17 B
芯片尺寸 DRAM(mm2) 445 790 1580
最大连线水平 7 7~8 9
掩膜层 23 24~26 28
缺陷密度 DRAM(D/m) 875 490 250
芯片连接 I/O 1195 1970 3585
芯片直径 (mm) 300 300 450
第十章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 3－
? 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～ 10.4节 。
? 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 － 5－
? 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 。
? 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 30～ 50％。
第十章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 6－
? 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 － 7－
? 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 － 9－
? 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 － 11－
? 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 。
? 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
第十章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 13－
? 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
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 － 15－
? 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除氧化物的过程,
栅极在源漏区离子注入时作为掩蔽层 （ 注入阻挡
层 ） 。 如图所示, 采用自对准工艺是 MOS的栅极
和源漏区之间没有任何交叠, 从而可有效地提高
MOS的性能 。
第十章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 16－
自对准硅栅极结构
栅
漏源区自对准结构栅
