集成电路习题解答(第4单元)
复习题
1.ULSI中对光刻技术的基本要求？
答：一般来说，在ULSI中对光刻技术的基本要求包括五方面：①高分辨率。随着集成电路集成度的不断提高，加工的线条越来越精细，要求光刻的图形具有高分辨率。在集成电路工艺中，通常把线宽作为光刻水平的标志，一般也可以用加工图形线宽的能力来代表集成电路的工艺水平。②高灵敏度的光刻胶。光刻胶的灵敏度通常是指光刻胶的感光速度。在集成电路工艺中为了提高产品的产量，希望曝光时间愈短愈好。为了减小曝光所需的时间，需要使用高灵敏度的光刻胶。光刻胶的灵敏度与光刻胶的成份以及光刻工艺条件都有关系，而且伴随着灵敏度的提高往往会使光刻胶的其它属性变差。因此，在确保光刻胶各项属性均为优异的前提下，提高光刻胶的灵敏度已经成为了重要的研究课题。③低缺陷。在集成电路芯片的加工过程中，如果在器件上产生一个缺陷，即使缺陷的尺寸小于图形的线宽，也可能会使整个芯片失效。通常芯片的制作过程需要经过几十步甚至上百步的工序，在整个工艺流程中一般需要经过10~20次左右的光刻，而每次光刻工艺中都有可能引入缺陷。在光刻中引入缺陷所造成的影响比其他工艺更为严重。由于缺陷直接关系到成品率，所以对缺陷的产生原因和对缺陷的控制就成为重要的研究课题。④精密的套刻对准。集成电路芯片的制造需要经过多次光刻，在各次曝光图形之间要相互套准。ULSI中的图形线宽在1μm以下，因此对套刻的要求也就非常高。一般器件结构允许的套刻精度为线宽的±10%左右。这种要求单纯依靠高精度机械加工和人工手动操作已很难实现，通常要采用自动套刻对准技术。⑤对大尺寸硅片的加工。集成电路芯片的面积很小，即便对于ULSI的芯片尺寸也只有1~2cm2左右。为了提高经济效益和硅片利用率，一般采用大尺寸的硅片，也就是在一个硅片上一次同时制作很多完全相同的芯片。采用大尺寸的硅片带来了一系列的技术问题。对于光刻而言，在大尺寸硅片上满足前述的要求难度更大。而且环境温度的变化也会引起硅片的形变（膨胀或收缩），这对于光刻也是一个难题。
2.什么是光刻，光刻系统的主要指标有那些？
答：光刻(photolithography)就是将掩模版（光刻版）上的几何图形转移到覆盖在半导体衬底表面的对光辐照敏感薄膜材料（光刻胶）上去的工艺过程。
光刻系统的主要指标包括分辨率R（resolution）、焦深（depth of focus，DOF）、对比度（CON）、特征线宽（critical dimension，CD）控制、对准和套刻精度（alignment and overlay）、产率（throughout）以及价格。
3.试简述硅集成电路平面制造工艺流程中常规光刻工序正确的工艺步骤。
答：一般的光刻工艺要经历底膜处理、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀、去胶、检验工序。
（1）底膜处理是光刻工艺的第一步，其主要目的是对硅衬底表面进行处理，以增强衬底与光刻胶之间的黏附性。底膜处理包括以下过程：清洗、烘干和增粘处理。
（2）涂胶工艺一般包括三个步骤：①将光刻胶溶液喷洒到硅片表面上；②加速旋转托盘(硅片)，直至达到需要的旋转速度；③达到所需的旋转速度后，保持一定时间的旋转。
（3）前烘就是在一定的温度下，使光刻胶膜里面的溶剂缓慢地、充分地逸出来，使光刻胶膜干燥，其目的是增加光刻胶与衬底间的粘附性，增强胶膜的光吸收和抗腐蚀能力，以及缓和涂胶过程中胶膜内产生的应力等。
（4）曝光是使光刻掩模版与涂上光刻胶的衬底对准，用光源经过光刻掩模版照射衬底，
使接受到光照的光刻胶的光学特性发生变化。曝光中要特别注意曝光光源的选择和对准。
（5）曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形，经过显影便显现出来，形成三维光刻胶图形，这一步骤称为显影。
（6）坚膜也是一个热处理步骤，就是在一定的温度下，对显影后的衬底进行烘焙。坚膜的主要作用是除去光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对硅片表面的附着力，同时提高光刻胶在刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性和保护能力。
（7）在显影和烘焙之后就要完成光刻掩膜工艺的第一次质检，通常叫显影检验。检验的目的是区分那些有很低可能性通过最终掩膜检验的衬底；提供工艺性能和工艺控制数据；以及分拣出需要重做的衬底。
（8）刻蚀就是将涂胶前所淀积的薄膜中没有被光刻胶（经过曝光和显影后的）覆盖和保护的那部分去除掉，达到将光刻胶上的图形转移到其下层材料上的目的。
（9）光刻胶除了在光刻过程中用作从光刻掩模版到衬底的图形转移媒介，还用做刻蚀时不需刻蚀区域的保护膜。当刻蚀完成后，光刻胶已经不再有用，需要将其彻底去除，完成这一过程的工序就是去胶。此外，刻蚀过程中残留的各种试剂也要清除掉（10）基本的光刻工艺过程中，最终步骤是检验。衬底在入射白光或紫外光下首先接受表面目检，以检查污点和大的微粒污染。之后是显微镜检验或自动检验来检验缺陷和图案变形。对于特定的光刻版级别的关键尺寸的测量也是最终检验的一部分。对光刻质量的检测手段主要有：显微镜目检、线宽控制和对准检查。
4.光刻技术中的常见问题有那些？
答：半导体器件和集成电路的制造对光刻质量有如下要求：一是刻蚀的图形完整，尺寸准确，边缘整齐陡直；二是图形内没有针孔；三是图形外没有残留的被腐蚀物质。同时要求图形套刻准确，无污染等等。但在光刻过程中，常出现浮胶、毛刺、钻蚀、针孔和小岛等缺陷。
浮胶就是在显影和腐蚀过程中，由于化学试剂不断侵入光刻胶膜与SiO2或其它薄膜间的界面，所引起的光刻胶图形胶膜皱起或剥落的现象。所以，浮胶现象的产生与胶膜的粘附性有密切关系。
腐蚀时，如果腐蚀液渗透光刻胶膜的边缘，会使图形边缘受到腐蚀，从而破坏掩蔽扩散的氧化层或铝条的完整性。若渗透腐蚀较轻，图形边缘出现针状的局部破坏，习惯上就称为毛刺；若腐蚀严重，图形边缘出现“锯齿状”或“绣花球”样的破坏，就称它为钻蚀。
在氧化层上，除了需要刻蚀的窗口外，在其它区域也可能产生大小一般在l~3微米的细小孔洞。这些孔洞，在光刻工艺中称为针孔。
小岛，是指在应该将氧化层刻蚀干净的扩散窗口内，还留有没有刻蚀干净的氧化层局部区域，它的形状不规则，很象“岛屿”，尺寸一般比针孔大些，习惯上称这些氧化层“岛屿”为小岛。
5.光刻工艺对掩模版有那些质量要求？
答：集成电路生产中，光刻工艺对掩模版的质量要求归纳有如下几点：
①构成图形阵列的每一个微小图形要有高的图像质量，即图形尺寸要准确，尽可能接近设计尺寸的要求，且图形不发生畸变。
②图形边缘清晰、锐利，无毛刺，过渡区要小，即充分光密度区（黑区）应尽可能陡直地过渡到充分透明区（白区）。图形区内应有掩蔽作用，图形区外应完全透过紫外线或对光吸收极小。图形内应无针孔，图形外应无黑点。一些特殊器件对过渡区的要求更加苛刻。
③整套掩模中的各块掩模能很好地套准，对准误差要尽量地小。
④图形与衬底要有足够的反差（光密度差），一般要求达2.5以上，同时透明区应无灰雾。
⑤掩模应尽可能做到无“针孔”、“小岛”和划痕等缺陷。
⑥版面平整、光洁、结实耐用。版子要坚固耐磨，不易变形。图形应不易损坏。由于掩模版在光刻时可能要与硅片接触并发生摩擦，极易损坏，如果掩模版不坚固耐磨，则其使用寿命很短，经常更换新版很不经济。
6.简述集成电路的常规掩模版制备的工艺流程。
答：硅平面晶体管或集成电路掩模版的制作，一般地讲，要经过原图绘制（包括绘总图和刻分图）、初缩、精缩兼分步重复、复印阴版和复印阳版等几步。掩模版制造人员根据图形产生的磁带数据，再加上不同的应用需求及规格，会选用不同的制作流程。
①版图绘制：在版图设计完成后，一般将其放大100~1000倍（通常为500倍），在坐标纸上画出版图总图。
②刻分层图：生产过程中需要几次光刻版，总图上就含有几个层次的图形。为了分层制出各次光刻版，首先分别在表面贴有红色膜的透明聚酯塑料胶片（称为红膜）的红色薄膜层上刻出各个层次的图形，揭掉不要的部分，形成红膜表示的各层次图形。这一步又称为刻红膜。
③初缩：对红膜图形进行第一次缩小，得到大小为最后图形十倍的各层初缩版。其过程与照相完全一样。
④精缩兼分布重复：一个大圆片硅片上包含有成百上千的管芯，所用的光刻版上当然就应重复排列有成百上千个相同的图形。因此本步任务有两个：首先将初缩版的图形进一步缩小为最后的实际大小，并同时进行分布重复。得到可用于光刻的正式掩模版。直接由精缩和分步重复得到的叫做母版。
⑤复印：在集成电路生产的光刻过程中，掩模版会受磨损产生伤痕。使用一定次数后就要换用新掩模版。因此同一掩模工作版的需要数量是很大的，若每次工作版都采用精缩得到的母版是很不经济的。因此在得到母版后要采用复印技术复制多块工作掩模版供光刻用。
7.简述表征光刻胶特性、性能和质量的参数。
答：表征光刻胶性质的量有下面几个：
1、响应波长
响应波长是能使光刻胶结构发生变化的光（或射线）的波长。为了提高光学光刻的分辨率，光刻胶在向短波方向发展。
汞灯作为光源时所用胶的响应波长是紫光，400-550nm ；氙-汞灯作为光源采用近紫外胶，响应波长在360nm附近；190nm的极紫外光刻胶正在研究之中。电子束光刻胶对电子束有响应。
2、灵敏度
光刻胶的灵敏度是指单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或最小电荷量（对电子束胶）。灵敏度以毫焦每平方厘米或mJ/cm2为单位。提供给光刻胶的光能量值通常称为曝光量。灵敏度越高，需要的光（或射线）能量越小，曝光时间越短。灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高的灵敏度。但灵敏度太高会影响分辨率。通常负胶的灵敏度高于正胶。
3、抗蚀性
光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在后续的湿刻和干刻中保护衬底表面。这种性质被称为抗蚀性。一些干法刻蚀工艺要在高温（如150℃）下完成，这需要光刻胶具有热稳定性以保持其形状。抗蚀性越强，光刻胶性能越好。
4、粘滞性
对于液体光刻胶来说，粘滞性是评价其流动特性的定量指标。粘滞性与时间相关，因为它会在使用中随着光刻胶中溶剂的挥发而增加。粘滞性非常重要，因为硅片表面具有各种形
貌，例如台阶和狭缝，在这些地方，它会影响光刻胶的厚度和均匀性。随着粘滞性增加，光刻胶流动的趋势变小，它在硅片上的厚度增加，分辨率下降，但是抗蚀能力增强。因此，选择胶的粘度时应根据需要来确定。
5、粘附性
光刻胶的粘附性描述了光刻胶粘着于衬底的强度。光刻胶必须粘附于许多不同类型的表面，包括硅、多晶硅、二氧化硅（掺杂的和未掺杂的）、氮化硅和不同的金属。光刻胶粘附性的不足会导致硅片表面上的图形变形。光刻胶的粘附性必须保证光刻胶经受住曝光、显影和后续的工艺（例如刻蚀和离子注入）条件。
6、光刻胶的膨胀
在显影过程中，如果显影液渗透到光刻胶中，光刻胶的体积就会膨胀，这将导致图形尺寸发生变化。这种膨胀现象主要发生在负胶中。由于负胶存在膨胀现象，对于光刻小于3μm 图形的情况，基本使用正胶来代替负胶。正胶的分子量通常都比较低，在显影液中的溶解机制与负胶不同，所以正胶几乎不会发生膨胀。
因为正胶不膨胀，分辨率就高于负胶。另外，减小光刻胶的厚度有助于提高分辨率。因此使用较厚的正胶可以得到与使用较薄的负胶相同的分辨率。在相同的分辨率下，与负胶相比可以使用较厚的正胶，从而得到更好的平台覆盖并能降低缺陷的产生，同时抗干法刻蚀的能力也更强。
7、微粒数量和金属含量
光刻胶的纯净度与光刻胶中的微粒数量和金属含量有关。为了满足对光刻胶中微粒数量的控制，光刻胶在生产的过程中需要经过严格的过滤和超净的包装。通过严格的过滤和超净包装，可以得到高纯度的光刻胶。此外，即便得到了高纯度的光刻胶，在使用前仍然需要进行过滤。因为即便在生产的过程中光刻胶已经经过了过滤和密封包装，随着存储时间的增加，光刻胶中的微粒数量还会继续增加。过滤的精度越高，相应的成本也越高。光刻胶的过滤通常是在干燥的惰性气体(如氮气)中进行的。根据需要选择过滤的级别，一般直径在0.1μm以上的微粒都需要除去。
光刻胶的金属含量主要是指钠和钾在光刻胶中的含量。因为光刻胶中的钠和钾会带来污染，降低器件的性能。通常要求光刻胶的金属含量越低越好，特别是钠需要达到50万分之一原子。这种低浓度的钠和钾可以通过原子吸收光谱分光光度计来测量。
8、储存寿命
光刻胶中的成份会随时间和温度而发生变化。通常负胶的储存寿命比正胶短(负胶易于自动聚合成胶化团)。从热敏性和老化情况来看，DQN正胶在封闭条件下储存是比较稳定的。如果储存得当，DQN正胶可以保存六个月至一年。在存储期间，由于交叉链接的作用，DQN 正胶中的高分子成份会增加，这时DQN感光剂不再可溶，而是结晶成沉淀物。另一方面，如果保存在高温的条件下，光刻胶也会发生交叉链接。这两种因素都增加了光刻胶中微粒的浓度，所以光刻胶在使用前需要经过过滤。采用适当的运输和存储手段，在特定的条件下保存以及使用前对光刻胶进行过滤，这都有利于解决光刻胶的老化问题。
8.试简述负性光致抗蚀剂曝光前和曝光后在其显影溶剂中的溶解特性差异，并叙述正性光
致杭蚀剂曝光前和曝光后在其显影溶剂中的溶解特性差异。
答：当前常用的正胶由以下物质组成：碱溶性的酚醛树脂，光敏剂邻重氮醌和溶剂二甲苯等。响应波长330-430nm，胶膜厚1-3μm，显影液是氢氧化钠等碱性物质。曝光的邻重氮醌退化，与树脂一同易溶于显影液，未曝光的邻重氮醌和树脂构成的胶膜难溶于碱性显影液。但是，如果显影时间过长，胶膜均溶于显影液，所以，用正胶光刻要控制好工艺条件。
正胶，曝光部分发生了光化学反应，未曝光部分无变化，因此显影容易，且图形边缘齐整，无溶涨现象，光刻的分辨率高。目前这种胶的分辨率在0.25μm以上。光刻最后的去胶
也较容易。
9.简述光刻胶的成分特征。
答：光学光刻胶通常包含有三种成份：
①聚合物材料(也称为树脂)：聚合物材料在光的辐照下不发生化学反应，其主要作用是保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性，同时也决定了光刻胶薄膜的其它一些持性(如光刻胶的膜厚、弹性和热稳定性)。
②感光材料：感光材料一般为复合物(简称PAC或感光剂)。感光剂在受光辐照之后会发生化学反应。正胶的感光剂在未曝光区域起抑制溶解的作用，可以减慢光刻胶在显影液中的溶解速度。在正性光刻胶暴露于光线时有化学反应发生，使抑制剂变成了感光剂，从而增加了胶的溶解速率。
③溶剂(如丙二醇一甲基乙醚，简称PGME)：溶剂的作用是可以控制光刻胶机械性能(例如基体黏滞性)，并使其在被涂到硅片表面之前保持为液态。
10.光学分辨率增强技术主要包括那些？
答：从广义上讲，分辨率增强技术包括移相掩模技术（phase shift mask）、离轴照明技术(off-axis illumination)、光学邻近效应校正技术(optical proximity correction)、光瞳滤波技术（pupil filtering technology）以及其它一切在不增大数值孔径和不缩短曝光波长的前提下，通过改变光波波前，来提高光刻分辨率，增大焦深和提高光刻图形质量的技术和方法。11.紫外光的常见曝光方法有那些？
答：紫外（UV）的曝光方法主要有接触式曝光、接近式曝光和投影式曝光。
12.后光刻时代有那些光刻新技术？
答：浸入式光刻、纳米压印光刻、极紫外光刻（EUV）和无掩模(ML2)一起成为后光刻技术时代的候选技术。
13.光刻设备主要有那些？
答：接触式光刻机；接近式光刻机；扫描投影光刻机；分步重复投影光刻机；步进扫描光刻机。
14.理想的刻蚀工艺具有的特点？
答：理想的刻蚀工艺必须具有以下特点：①各向异性刻蚀，即只有垂直刻蚀，没有横向钻蚀。这样才能保证精确地在被刻蚀的薄膜上复制出与抗蚀剂上完全一致的几何图形；②良好的刻蚀选择性，即对作为掩模的抗蚀剂和处于其下的另一层薄膜或材料的刻蚀速率都比被刻蚀薄膜的刻蚀速率小得多，以保证刻蚀过程中抗蚀剂掩蔽的有效性，不致发生因为过刻蚀而损坏薄膜下面的其他材料；③加工批量大，控制容易，成本低，对环境污染少，适用于工业生产。
15.影响刻蚀工艺的因素有那些？
答：影响刻蚀工艺的因素分为外部因素和内部因素。
外部因素主要包括设备硬件的配置以及环境的温度、湿度影响，对于操作人员来说，外部因素只能记录，很难改变，要做好的就是优化工艺参数，实现比较理想的实验结果。
内部因素就是在设备稳定的情况下对工艺结果起到决定性作用，以下所列因素对于刻蚀速率、形貌等均起到重要作用。
①工作压力的选择：对于不同的要求，工作压力的选择很重要，压力取决于通气量和泵的抽速，合理的压力设定值可以增加对反应速率的控制、增加反应气体的有效利用率等。
②RF功率的选择：RF功率的选择可以决定刻蚀过程中物理轰击所占的比重，对于刻蚀速率和选择比起到关键作用。RF功率、反应气体的选择和气体通入的方式可以控制刻蚀过程为同步刻蚀亦或是BOSCH工艺。
③ICP功率：ICP功率对于气体离化率起到关键作用，保证反应气体的充分利用，我们
的设备ICP功率最大值为2500W。在气体流量一定的情况下，随着ICP功率的增加气体离化率也相应增加，可增加到一定程度时，离化率趋向于饱和，此时再增加ICP功率就会造成浪费。
④衬底温度和反应室温度：温度控制对于衬底本身和掩膜（特别是胶掩膜）的意义重大，目前大多数设备采用的是氦气冷却衬底背面的方式，背面控制在20℃左右。
⑤反应气体的选择和配比：以硅的刻蚀为例，刻蚀设备通了四路气体SF6、C4F8、O2和CF4。其中SF6和C4F8作为反应气体参与刻蚀过程，O2和CF4作为清洗气体负责设备的CLEAN过程。选择合适的流量和气体通入的时间比会很大程度上影响刻蚀面的侧壁形貌、反应速率等。
16.湿法刻蚀的步骤？
答：湿法刻蚀大概可分为三个步骤：①反应物质扩散到被刻蚀薄膜的表面。②反应物与被刻蚀薄膜反应。③反应后的产物从刻蚀表面扩散到溶液中，并随溶液排出。在这三个步骤中，一般进行最慢的是反应物与被刻蚀薄膜反应的步骤，也就是说，该步骤的进行速率即是刻蚀速率。
17.干法刻蚀是如何分类和定义的？
答：干法刻蚀又分为三种：物理性刻蚀、化学性刻蚀、物理化学性刻蚀。物理性刻蚀是利用辉光放电将气体（如Ar气）电离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，溅击在被刻蚀物的表面而将被刻蚀物的原子击出——溅射，该过程完全是物理上的能量转移，故称物理性刻蚀。
化学性刻蚀，或称等离子体刻蚀（plasma etching），是利用等离子体将刻蚀气体电离并形成带电离子、分子及反应活性很强的原子团，它们扩散到被刻蚀薄膜表面后与被刻蚀薄膜的表面原子反应生成具有挥发性的反应产物，并被真空设备抽离反应腔。因这种反应完全利用化学反应，故称为化学性刻蚀。
最为广泛使用的方法是结合物理性的离子轰击与化学反应的刻蚀，又称为反应离子刻蚀（reactive ion etching，RIE）。这种方式兼具非等向性与高刻蚀选择比的双重优点。刻蚀的进行主要靠化学反应来实现，加入离子轰击的作用有二：①破坏被刻蚀材质表面的化学键以提高反应速率；②将二次沉积在被刻蚀薄膜表面的产物或聚合物打掉，以使被刻蚀表面能充分与刻蚀气体接触。由于在表面的二次沉积物可被离子打掉，而在侧壁上的二次沉积物未受到离子的轰击，可以保留下来阻隔刻蚀表面与反应气体的接触，使得侧壁不受刻蚀，所以采用这种方式可以获得各向异性的刻蚀。
18.常见的终点检测设备有那些？
答：常见的终点检测（End Point Detection）设备有三种：发射光谱分析（Optical Emission Spectroscopy，OES）、激光干涉测量（Laser Interferometry）、质谱分析（Mass Spectroscopy）。