現代集成電路工廠中的先進光刻工藝研發方法與流程（簡體書）

本書基於作者團隊多年的光刻工藝（包括先進光刻工藝）研發經驗，從集成電路工廠的基本結構、半導體芯片製造中常用的控制系統、圖表等基本內容出發，依次介紹光刻基礎知識，一個6晶體管靜態隨機存儲器的電路結構與3個關鍵技術節點中SRAM 製造的基本工藝流程，光刻機的發展歷史、光刻工藝8步流程、光刻膠以及掩模版類型，光刻工藝標準化與光刻工藝仿真舉例，光刻技術的發展、應用以及先進光刻工藝的研發流程，光刻工藝試流片和流片的基本過程，光刻工藝試流片和流片中出現的常見問題和解決方法，光刻工藝中採用的關鍵技術舉例以及其他兩種與光刻相關的技術等內容。本書不僅介紹光刻工藝相關基礎知識，還介紹了一種符合工業標準的標準化研發方法，通過理論與仿真相結合，力求更加清楚地展示研發過程。本書可供光刻技術領域科研院所的研究人員、高等院校的學生、集成電路工程的技術人員等作為學習光刻技術的參考書。

李艷麗，復旦大學微電子學院青年研究員、碩士生導師。2010年於山東大學獲學士學位，2015年於復旦大學獲博士學位。博士期間主要從事硅納米晶體和硅納米線的制備以及研究其發光特性的工作，在國內外期刊上發表多篇論文。2015-2021年，先後在中芯國際研發部、上海集成電路研發中心，負責28 nm、14 nm和5 nm基於EUV的光刻工藝技術研發工作。2021年6月加入復旦大學微電子學院，主要研究方向是“集成電路先進光刻工藝及光刻相關設備、光刻材料、光刻相關算法軟件”。自2019年起，在中國國際半導體技術大會（ CSTIC）、固態和集成電路技術國際會議（ICSICT）、國際先進光刻技術研討會（IWAPS）、 國際專用集成電路會議（ASICON）以及其他期刊上以一作或通訊作者發表EUV、DUV相關光刻技術論文20余篇，並憑借極紫外光刻膠隨機效應模型獲得2020年CSTIC優秀年輕工程師二等獎。還獲得2022年 ICSICT “杰出青年學者論文獎”。申報專利54項，授權16項（其中申報一作16項，授權6項），專利涉及深紫外、極紫外工藝、材料以及相關設備。 伍強，復旦大學研究員、博士生導師。1993年於復旦大學獲物理學學士學位，1999年於耶魯大學獲物理學博士學位。畢業後就職於IBM公司，擔任半導體集成電路光刻工藝研發工程師，在研發65nm邏輯光刻工藝時，在世界上首次通過建模精確地測量了光刻工藝的重要參數：等效光酸擴散長度。2004年回國，先後擔任光刻工藝研發主管、光刻設備應用部主管，就職於上海華虹NEC電子有限公司、荷蘭阿斯麥（ASML）光刻設備製造（中國）有限公司、中芯國際集成電路製造（上海）有限公司、中芯國際集成電路新技術研發（上海）有限公司、上海集成電路研發中心和復旦大學。先後研發或帶領團隊研發0.18um、0.13μm、90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、14nm、10nm、7nm等邏輯光刻工藝技術和0.11μm 動態隨機存儲器（DRAM）光刻工藝技術，帶領設備應用部團隊將193nm浸沒式光刻機成功引入中國。截至2023年12月，個人共獲得112項專利授權，其中40項美國專利，發表光刻技術論文83篇。擔任國家“02”重大專項光刻機工程指揮部專家，入選“2018年度上海市優秀技術帶頭人”計劃。2007-2009年擔任ISTC（國際半導體技術大會）光刻分會主席，2010-2024年擔任CSTIC（中國國際半導體技術大會）光刻分會副主席。

（1）總結了作者團隊多年來在光刻工藝研發與製造上的工作經驗，結合自研的、基於物理模型的光刻工藝仿真軟件，直觀地再現已經量產的各技術節點的光刻工藝性能參數，並且結合實際光刻工藝操作來創建全新的光刻工藝學習思路。
（2）提出了一種符合工業標準的標準化研發方法，通過理論仿真與實際曝光數據相結合，力求更清楚地展示研發過程，是經受住實際量產考驗的規律總結。
（3）內容具有理論性、系統性與全面性，由淺入深，循序提升，可以讓光刻從業者在短時間內掌握基本原理和實操技能，從而快速投入工作，高效且準確地完成工作。
（4）包含基礎理論與工程實踐，可供光刻技術領域科研院所的研究人員、大專院校的學生、集成電路工程的工程技術人員等學習和參考。

眾所周知，大規模集成電路芯片製造工藝中，光刻工藝是最重要的組成部分之一，也是最為昂貴的部分。幾十年來，集成電路技術通過光刻工藝中投影成像分辨率的不斷提高使得製造線寬不斷縮小，加上離子注入、刻蝕、金屬填充、化學機械平坦化等其他工藝模塊的同步改進，推動著集成電路芯片的性能持續飛躍。光刻模塊中涉及光刻設備、材料與軟件，因此涉及多種學科，如精密光學，工程數學，精密機械、精細化學等。光刻模塊也是比較難的模塊之一。多年的工作經驗表明，雖然各企業與大專院校有一些培訓資料，但是這些資料有的比較陳舊，有的不夠系統，有的屬於難度較高的專業書籍，難以滿足培訓各級集成電路專業人才的需求。

由於光刻涉及的內容較多，作者在編寫本書時，結合多年的工作經驗和光刻工藝學習歷程，力求內容上由淺入深，循序提升，使得初學者能夠較快地掌握光刻及相關的工藝集成基礎知識。除了基礎知識之外，本書的一大特點是提出標準化的光刻工藝，這一標準化的工藝窗口源於十多萬光刻人在幾十年間研發生產的經驗積累，是一種經受住實際量產考驗的規律總結，可以作為研發人員的重要參考。另外，本書還詳細講解了光刻工藝研發的一般流程，試流片和流片的一般流程以及光刻工藝發展過程中不斷引進的多種新技術。本書可作為高等院校、科研院所學生進行光刻學習的教材，還可作為工程技術人員進行光刻工藝研發的參考書。鑒於現今光刻技術被國外某些發達國家對我國出口管制（俗稱“卡脖子”），期望本書可以為解決日益嚴重的“卡脖子”問題貢獻力量。閱讀本書之前，讀者最好具備大學物理、大學化學、高等數學、光學等相關的背景知識。

本書的主要內容如下。

第1章集成電路工廠引論，主要介紹工廠布局，工廠中的基本知識，常用的系統以及需要定期檢查的圖表等基本內容，這些內容是進入半導體芯片製造行業的基礎。

第2章光刻基礎知識簡介，主要介紹光學成像原理，光刻機投影物鏡類型，光學系統分辨率，鏡頭主要像差，傅裡葉光學基礎，照明方式對光刻工藝窗口的影響以及禁止周期等與光刻相關的基礎知識。

第3章6T SRAM電路結構與關鍵技術節點中的工藝流程簡述，主要介紹平面高介電常數（柵極介質層 金屬柵極）晶體管，鰭型場效應晶體管以及互補場效應晶體管的一般工藝流程，熟悉光刻工藝在整個工藝流程中所處的位置和重要作用。

第4章光刻工藝簡介，主要介紹光刻工藝8步工藝流程及其中涉及的主要設備（如光刻機、軌道機、掃描電子顯微鏡、套刻顯微鏡等）和材料（如光刻膠和掩模版等）。

第5章光刻工藝標準化與光刻工藝仿真舉例，主要以先進技術節點為例，說明研發過程中可能碰到的問題以及解決的方法，以提高光刻工藝窗口。另外，本章涉及很多工藝仿真，注重理論與實踐相結合，使得讀者可以了解各技術節點的基本工藝性能，可以根據實際遇到的具體問題找出提高工藝窗口的方案。

第6章光刻技術的發展和應用、工藝的研發流程，著重講解先進光刻工藝研發過程中的主要工作內容，包括確定各關鍵光刻層次的設計規則、基本的光刻工藝模型； 選擇合適的光刻膠、抗反射層材料種類、厚度； 完成各關鍵光刻層次的線寬均勻性、套刻以及焦深的分配； 從而選擇符合要求的掩模版種類、規格等。以先進光刻工藝的研發為例，詳細講解其主要的工作流程和重要的時間節點。通過本章內容，力求能讓初學者了解與光刻研發相關的基本工作內容。

第7章光刻工藝試流片和流片簡述，主要介紹試流片/流片的基本工作內容，重點介紹按照標準操作流程處理硅片批次的方法，防止誤操作。

第8章光刻工藝試流片和流片中出現的常見問題和解決方法，主要介紹光刻工藝中常見的批次暫停原因以及解決方法。

第9章光刻工藝中採用的關鍵技術，主要介紹支持光刻技術持續發展的部分新技術： 化學放大型光刻膠，極紫外光刻工藝，偏振照明，負顯影工藝，透射衰減相移掩模以及不透明的硅化鉬玻璃掩模版。

第10章與光刻相關的其他技術，主要介紹可能應用於先進技術節點中縮孔的導向自主裝技術以及通過探測散射光譜得到周期性結構精確尺寸的非成像測量技術： 光學關鍵尺寸測量技術。

在本書撰寫過程中，得到了肖長永、陳潔老師對工藝流程的諸多指導和幫助，還得到了朱小娜、岳力挽、唐步高、解為梅、李瑩老師對本書諸多知識點的指導。感謝課題組劉顯和、王啟老師對本書的大力支持。同時，本書在出版過程中獲得了清華大學出版社文怡編輯及其團隊的專業支持。另外，本書在撰寫過程中，也得到了諸多同事、前同事、朋友以及家人的大力幫助和支持，在此也向他們表示由衷的感謝。

限於作者的水平，本書仍有不足之處，望各位同行、朋友多多批評指正，謝謝大家。

作者2024年6月

第1章集成電路工廠引論

1．1現代集成電路工廠的布局

1．2工廠結構

1．3工廠中的基本知識

1．3．1產品

1．3．2前表面可開放的統一硅片盒

1．3．3批次

1．3．4分片機

1．4工廠中的系統簡介

1．4．1製造執行系統

1．4．2機臺自動化程序

1．4．3先進過程控制

1．5工廠中光刻相關參數的控制

1．5．1光刻顯影後線寬的SPC圖表舉例

1．5．2光刻顯影後套刻的SPC圖表舉例

本章小結

參考文獻

第2章光刻基礎知識簡介

2．1光的特性

2．2光學成像的類型

2．2．1古代光學成像類型的描述

2．2．2小孔成像的原理

2．2．3鏡頭(透鏡)成像的原理

2．3鏡頭成像過程中不同方向(X、Y、Z方向)成像倍率之間的關係

2．4投影物鏡雙遠心結構成像的原理和必要性

2．5光學系統的分辨率

2．5．1光學系統的衍射極限分辨率

2．5．2光學系統的k1因子

2．6鏡頭中的主要像差以及像差表征方法

2．6．1澤尼克像差

2．6．2常見像差產生原理與消除方法討論

2．7傅裡葉光學基礎

2．8照明方式類型及其對光刻工藝窗口的影響

2．8．1相干照明的分辨率與對比度

2．8．2非相干照明的分辨率與對比度

2．8．3部分相干照明的分辨率與對比度

2．8．4部分相干照明與非相干照明對比度的關係

2．8．5照明條件演變過程

2．9表征光刻工藝窗口的三個重要參數

2．9．1曝光能量寬裕度的定義與影響因素

2．9．2掩模誤差因子的定義與影響因素

2．9．3焦深的定義、影響因素以及計算方式

2．10禁止周期產生的原因以及改善方法

2．10．1光學鄰近效應重要表現形式之一——禁止周期

2．10．2禁止周期線寬減小的原因

2．10．3禁止周期線寬“波谷”現象與照明光瞳的關係

2．10．4光學鄰近效應修正之後的禁止周期

本章小結

參考文獻

第3章6T SRAM電路結構與關鍵技術節點中的工藝流程簡述

3．1光刻工藝處於工藝流程中的位置

3．26T SRAM的電路結構和基本工作原理

3．2．1一個6T SRAM的電路結構和基本原理

3．2．2對SRAM單元進行“讀”的操作

3．2．3對SRAM單元進行“寫”的操作

3．3晶體管結構的發展趨勢及關鍵技術節點中的工藝流程

3．3．1晶體管結構的發展趨勢

3．3．2某接近193nm水浸沒式光刻極限的設計規則及HKMG平面晶體管的
工藝流程簡述

3．3．314nm技術節點關鍵層次設計規則以及FinFET的工藝流程簡述

3．3．43nm關鍵層次設計規則以及CFET的工藝流程簡述

本章小結

參考文獻

第4章光刻工藝簡介

4．1光刻機及其重要子系統的發展歷史和最先進光刻機的工作原理

4．1．1光刻機發展歷史和重要的時間節點

4．1．2光刻機中曝光光源的發展歷史

4．1．3光刻機中照明系統的發展歷史

4．1．4光刻機中投影物鏡鏡頭的發展歷史

4．1．5光刻機中雙工件臺的基本工作原理

4．2軌道機光刻機一體機簡介

4．3光刻工藝8步工藝流程

4．4線寬和套刻的測量設備與原理

4．4．1線寬測量的原理

4．4．2套刻測量的原理

4．5先進光刻工藝中不同顯影類型的光刻膠

4．6掩模版類型與製作流程簡介

4．6．1掩模版類型簡介

4．6．2掩模版製作流程簡介

本章小結

參考文獻

第5章光刻工藝發展歷程與工藝標準

5．1主要技術節點中關鍵層次的工藝細節

5．1．1250~65nm技術節點的工藝細節

5．1．245~7nm技術節點的工藝細節

5．1．35~1．5nm技術節點的工藝細節

5．1．4250~1nm技術節點的光刻工藝實現方式

5．2符合工業標準的光刻工藝探討

5．3照明光瞳的選擇

5．3．1照明光瞳選擇的理論基礎

5．3．2通過簡單的仿真結果判斷如何選擇合適的照明光瞳

5．3．3仿真舉例照明光瞳對線端線端的影響

本章小結

參考文獻

第6章光刻技術的發展和應用、工藝的研發流程

6．1確定設計規則

6．1．1設計規則中圖形類型

6．1．2設計規則形狀與排布方向

6．2確立基本光刻工藝模型

6．3對光刻機中像差的要求

6．3．1彗差(Z7，Z8)對光刻工藝的影響

6．3．2球差(Z9)對光刻工藝的影響

6．4選擇合適的光刻材料

6．4．1選擇合適的光刻膠

6．4．2選擇合適的抗反射層

6．5線寬均勻性、套刻以及焦深的分配方式

6．5．1線寬均勻性的分配方式

6．5．2套刻的分配方式

6．5．3焦深的分配方式

6．6對掩模版的類型與規格的要求

6．7先進光刻工藝的研發流程

6．7．1先進芯片工藝研發的重要時間節點

6．7．2光刻工藝研發的一般流程

6．7．3製作測試掩模版

6．7．4光刻工藝仿真條件的確定

6．7．5光刻材料的選擇和評估

6．8光學鄰近效應修正簡介

6．8．1OPC修正的必要性

6．8．2OPC修正的一般研發流程

本章小結

參考文獻

第7章光刻工藝試流片和流片簡述

7．1簡要介紹各部門、各工程師的分工

7．2流片的產品類型

7．3試流片和流片的具體過程

7．3．1芯片製造工藝流程與硅片批次的部分處理方法

7．3．2簡述試流片和流片的準備工作

7．3．3硅片的種類

7．3．4光刻工藝模塊的具體工作內容舉例

7．3．5批次試跑的一般流程

7．3．6FEM硅片數據處理

7．3．7工藝窗口驗證

7．4硅片批次進行常規流片時曝光以及數據的反饋流程

本章小結

參考文獻

第8章光刻工藝試流片和流片中出現的常見問題和解決方法

8．1光刻中常見的批次暫停舉例

8．1．1調焦調平圖像異常

8．1．2APC中某些條目缺失

8．1．3長時間沒有批次經過時APC系統的狀態變化(一種APC設置
方式)

8．1．4套刻精度超過規格

8．2一些誤操作舉例

8．2．1多次塗膠

8．2．2套刻補償錯誤，包括越補越大

8．2．3帶有光刻膠硅片進入爐管工藝

8．2．4SRC中的一些誤操作

8．2．5軌道機宕機時剝膠返工誤操作

8．2．6批次被錯誤釋放

8．2．7後段硅片進入前段機臺

8．3其他的誤操作舉例

本章小結

參考文獻

第9章光刻工藝中採用的關鍵技術

9．1化學放大型光刻膠

9．1．1簡述光刻膠發展歷史

9．1．2等效光酸擴散長度

9．2極紫外光刻工藝

9．2．1極紫外光刻工藝中的隨機效應和線寬粗糙度

9．2．2極紫外光刻工藝仿真

9．3偏振照明

9．3．1採用偏振照明的原因及偏振照明與光瞳的選擇

9．3．2有無偏振照明時的仿真結果

9．4負顯影工藝

9．4．1正負顯影工藝的原理對比

9．4．2負顯影工藝的特點

9．4．3正負顯影工藝的仿真結果舉例

9．5PSM與OMOG掩模版

9．5．1兩種掩模版在單周期的仿真結果對比

9．5．2兩種掩模版在整個周期的仿真結果對比

本章小結

參考文獻

第10章與光刻相關的其他技術

10．1導向自組裝技術

10．1．1導向自組裝技術的基本原理

10．1．2導向自組裝技術的兩種方式

10．1．3國內外導向自組裝技術的現狀和導向自組裝存在的挑戰

10．1．4導向自組裝技術在芯片製造中的應用前景

10．2光學散射測量技術

本章小結

參考文獻

索引

中英文對照表