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第八章基本光刻工艺流程（1）光刻的目的和意义第四章已做过简单的描述，这一章主要介绍基本光刻工艺中的表面准备至曝光的工艺步骤及光刻胶的特性。8.1简介光刻工艺首先是在晶园表面建立尽可能接近设计规则中所要求尺寸的图形，其次是在晶园表面正确定位图形。晶圆晶圆晶圆表面层图形层因为最终的图形是用多个掩膜版按照特定的顺序在晶园表面一层一层叠加建立起来的。图形定位的要求就好像是一幢建筑物每一层之间所要求的正确对准。如果每一次的定位不准，将会导致整个电路失效。除了对特征图形尺寸和图形对准的控制，在工艺过程中的缺陷水平的控制也同样是非常重要的。光刻操作步骤的数目之多和光刻工艺层的数量之大，所以光刻工艺是一个主要的缺陷来源。#2栅掩膜#1阱掩膜#3接触掩膜#4金属掩膜#5PAD掩膜8.2光刻蚀工艺概况光刻蚀是一种多步骤的图形转移过程，首先是在掩膜版上形成所需要的图形，之后通过光刻工艺把所需要的图形转移到晶园表面的每一层。图形转移通过两步完成。首先，图形被转移到光刻胶层。光刻胶经过曝光后自身性质和结构发生变化（由原来的可溶性物质变为非可溶性物质，或者相反）。再通过化学溶剂（显影剂）把可以溶解的部分去掉，在光刻层下就会留下一个孔，而这个孔就是和掩膜版不透光的部分相对应。工艺步骤目的在掩膜版和图形在晶圆上的精确对准和光刻胶的曝光。负胶是聚合物对准和曝光显影除非聚合的光刻胶去掩膜图形/光刻胶氧化层晶圆晶圆光刻胶氧化层其次，把图形从光刻胶层转移到晶园上。这一步是通过不同的刻蚀方法把晶园上没有被光刻胶保护的部分的薄膜层去掉。这时图形转移就彻底完成了。如图所示。艺步骤工目的刻蚀将晶圆顶层通过光刻胶的开口去除光刻胶去除从晶圆上去除光刻胶层光刻胶氧化层氧化层晶圆晶圆如果掩膜版的图形是由不透光的区域决定的，称其为亮场掩膜版；而在一个暗场掩膜版中，掩膜版上的图形是用相反的方式编码的，如果按照同样的步骤，就会在晶园表面留下凸起的图形。暗场掩膜版主要用来制作反刻金属互联线。亮场暗场刚才介绍了对光有负效应的光刻胶，称为负性胶。同样还有对光有正效应的光刻胶，称为正胶。用正性胶和亮场掩膜版在晶园表面建立凸起图形的情况如图8.7所示。右图显示了用不同极性的掩膜版和不同极性的光刻胶相结合而产生的结果。通常是根据尺寸控制的要求和缺陷保护的要求来选择光刻胶和掩膜版极性的。掩膜版极性亮场暗场负正空穴凸起凸起空穴光刻胶极性工艺步骤目的对准和曝光掩膜版和图形在晶圆上的精确对准和光刻胶的曝光。正胶被光溶解掩膜版图形/晶圆晶圆晶圆晶圆光刻胶氧化层光刻胶氧化层显影去除非聚合光刻胶刻蚀表层去除光刻胶去除光刻胶去除8.3光刻10步法把图形从掩膜版上转移到晶园表面是由多个步骤完成的（见图8.9），特征图形尺寸、对准精度、晶园表面情况和光刻层数都会影响到特定光刻工艺的难以程度。虽然许多光刻工艺都不尽相同，但大部分都是基于光刻10步法的变异或选项。所以了解和掌握基本的光刻10步法是非常必要的。8.4光刻胶光刻胶是光刻工艺的核心，光刻过程中的所有操作都会根据特定的光刻胶性质和想达到的预期结果而进行微调。光刻胶的选择和光刻工艺的研发是一个非常漫长的过程。8.4.1光刻胶的组成光刻胶由4种成分组成：聚合物溶剂感光剂添加剂成分功能聚合物当被对准机光源曝光时，聚合物结构由可溶变成聚合（或反之）溶剂稀化光刻胶，通过旋转形成薄膜感光剂在曝光过程中控制和或/调节光刻胶的化学反应添加剂各种添加的化学成分实现工艺效果，例如染色•聚合物聚合物是由一组大而且重的分子组成，包括碳、氢和痒。对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚异戊二烯类型。是一种相互粘结的物质－－抗刻蚀的物质，如图所示。双键未聚合的聚合的能量CHCHCHCH(a)(b)××××××××××正性胶的基本聚合物是苯酚－甲醛聚合物，也称为苯酚－甲醛树脂。如图所示。在光刻胶中聚合物是相对不可溶的，用适当能量的光照后变成可溶状态。这种反应称为光溶解反应。邻位（和）26间位（和）34间甲酚甲醛对位（）4下表列出了用在光刻胶产品上的聚合物，正胶和负胶相对的有点。光刻胶聚合物极性感光性(Coul/cm)曝光光源正性酚醛树脂（间甲酚甲醛）紫外负性聚异戊二烯紫外聚甲基丙烯酸酯电子束聚甲基异丙烯基酮电子束/深紫外聚丁烯砜1电子束电子束聚三氟乙烷基氯丙烯酸酯电子束X线射共聚物（氰乙基丙烯酸，aa基乙烷基丙烯酸酯）氨聚甲基戊烯砜1电子束PMMAPMIPKPBSTFECACOP(PCA)PMPS+++++--+3-510×510×110×210×810×510×210ו溶剂光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶剂的目的是光刻胶处于液态，以便是光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶园表面。•感光剂光刻胶中的感光剂是用来产生或者控制聚合物的特定反应。如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光的敏感性差，而且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度，而且限制反应光的光谱范围，或者把反应光限制在某一波长的光。•添加剂光刻胶中的添加剂主要在光刻胶薄膜中用来吸收和控制光线，可以阻止光刻胶没有被曝光的部分在显影过程中被溶解。8.5光刻胶的表现要素对光刻胶的要求包括一下几个方面：•分辨率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。产生的线条越小，分辨率越高。分辨率不仅与光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定的工艺有关，比如：曝光光源、显影工艺等。•粘结能力光刻胶与衬底膜层（SiO2、Al等）的粘结能力直接影响光刻的质量。不同的衬底表面，光刻胶的粘结能力是不同的。负性胶通常比正性胶有更强的粘结能力。•曝光速度灵敏性和曝光源光刻胶的感光灵敏度反应了光刻胶感光所必须的照射量，而照射量正比于光的强度和感光时间。光强度是和光源特定的波长有关系。不同光源（射线）对应的波长如下图所示。波长越短的光源（射线）能量越高。•除了普通光源，经常还根据不同需要选择X射线或者电子束作为曝光光源。那么光刻胶灵敏性作为一个参数，使通过能够使基本的反应开始所需要的能量总和来衡量的，它的单位是mJ/平方厘米•负性胶通常的曝光时间是5～15秒，而正性胶则需要用上3～4倍的时间。名称伽马射线X线射紫外线（VU）可见光红外线（RI）短无线电波广播无线电波波长（mc）10101010101010•工艺宽容度整个光刻过程步骤之多，而且每一步骤都会影响最终的图形尺寸，另外每一工艺步骤都有它的内部变异。不同的光刻胶对工艺变异的容忍性都不一样。那么，容忍性越高，在晶园表面达到所需要尺寸的可能性就越大，或者说工艺的宽容度就越大。•针孔所谓针孔是指光刻胶层中尺寸非常小的空穴。可以是涂胶工艺中由环境中的微粒污染物造成的，也可以由光刻胶层结构上的空穴造成。针孔是有害的，因为它可以允许刻蚀剂渗过光刻胶层进而在晶园表面层刻蚀除小孔。•阶梯覆盖度随着晶园表面上膜层的不断增加，表面不再是完全平坦化的，如图所示。所以要求光刻胶必须具有良好的阶梯覆盖特性。硅晶片台阶硅晶片再氧化之前再氧化之后(a)(b)8.6正胶和负胶的比较在工艺发展的早期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，随着VLSIIC和2～5微米图形尺寸的出现，负胶已不能满足要求。随后出现了正胶，但正胶的缺点是粘结能力差。用正胶需要改变掩膜版的极性，这并不是简单的图形翻转。因为用掩膜版和两种不同光刻胶结合，在晶园表面光刻得到的尺寸是不一样的（见下图）由于光在图形周围的衍射效应，使得用负胶和亮场掩膜版组合在光刻胶层上得到的图形尺寸要比掩膜版上的图形尺寸小。用正胶和暗场掩膜版组合会使光刻胶层上的图形尺寸变大。（a）亮场掩膜版和负胶组合图形尺寸变小（b）暗场掩膜版和正胶组合图形尺寸变大晶圆晶圆非聚合光刻胶聚合光刻胶(a)(b)用正胶和暗场掩膜版组合还可以在晶园表面得到附加的针孔保护。如果是亮场掩膜版，大部分区域是空穴，这样，玻璃上的任何缺陷及污染物微粒都会影响光刻质量，若是暗场掩膜版则可以避免上述缺陷的产生，如图所示。曝光铬污垢玻璃裂纹负胶氧化物晶圆(a)(b)•正胶成本比负胶高，但良品率高；•负胶所用的显影剂容易得到，显影过程中图形尺寸相对稳定。•对于要求高的制作工艺选择正胶，而对于那些图形尺寸大于2微米的工艺还是选择负胶。图8.21显示了两种类型光刻胶属性的比较。参数负胶正胶纵横比（分辨力）更高黏结力更好曝光速度更快针孔数量更少阶梯覆盖度更好成本更高显影液有机溶剂水溶性溶剂光刻胶去除剂氧化工步酸酸金属工步氯化溶剂化合物普通酸溶剂8.8光刻工艺这一节将介绍基本的光刻工艺10步法，包括每一步的目的、技术考虑、选项和工艺控制方法等。8.9表面准备为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必须进行表面处理，包括三个阶段：微粒清除、脱水和涂底胶。•微粒清除虽然光刻前的每一步工艺（氧化、掺杂等）都是在清洁区域完成的，但晶园表面有可能吸附一些颗粒状的污染物，所以必须给以清除。微粒清除方法见下图。•脱水烘焙经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定的水分（亲水性表面），所以必须脱水烘焙使其达到清洁干燥（憎水性表面），以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。保持憎水性表面通常通过下面两种方法：一是保持室内温度在50℃以下，并且在晶园完成前一步工艺之后尽可能快的进行涂胶。高压氮气吹除化学湿法清洗旋转刷刷洗高压水流另一种方法是把晶园存储在用干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中。除此之外，一个加热的操作也可以使晶园表面恢复到憎水表面。有三种温度范围：150～200℃（低温），此时晶园表面会被蒸发亲水性表面憎水性表面到了400℃（中温）时，与晶园表面结合较松的水分子会离开。当超过750℃（高温）时，晶园表面从化学性质上讲恢复到了憎水性条件。通常采用低温烘焙，原因是操作简单。•涂底胶涂底胶的目的是进一步保证光刻胶和晶园表面的粘结能力。底胶的选择必须保证一个很好的黏附和平滑的表面。底胶的作用是从化学上把晶园表面的水分子系在一起，因此增加了表面的黏附能力。方法有：沉浸式旋转式蒸汽式各有优缺点，使用时根据具体情况选择。8.10涂光刻胶目的是在晶园表面建立薄而均匀并且没有缺陷的光刻胶膜。要做到这一点必须用精良的设备和严格的工艺控制才能达到。厚度：0.5～1.5µm，均匀性：±0.01µm常用方法：旋转涂胶法分手动，半自动，全自动•静态涂胶工艺首先把光刻胶通过管道堆积在晶园的中心，堆积量由晶园大小和光刻胶的类型决定，堆积量非常关键，量少了会导致涂胶不均匀，量大了会导致晶园边缘光刻胶的堆积甚至流到背面，如图所示。静态旋转工艺光刻胶膜的最终厚度是由光刻胶的粘度、旋转速度、表面张力和国光刻胶的干燥性来决定的。涂胶铺展旋转真空高转速光刻胶覆盖光刻胶浇注不充分覆盖完整光刻胶覆盖过多光刻胶旋转后•动态喷洒随着晶园直径越来越大，静态涂胶已不能满足要求，动态喷洒是晶园以500rpm的速度低速旋转，其目的是帮助光刻胶最初的扩散，用这种方法可以用较少量的光刻胶而达到更均匀的光刻胶膜。待扩散后旋转器加速完成最终要求薄而均匀的光刻胶膜。低转速真空高转速•自动旋转器自动系统如图所示，包含了晶园表面处理、涂底胶和涂光刻胶的全部过程，标准的系统配置就是一条流水线。自动晶圆装载通向排气NO除吹旋转电机真空捕获杯底胶器光刻胶传送到晶圆盒或软烘焙N8.11软烘焙因为光刻胶是一种粘稠体，所以涂胶结束后并不能直接进行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。烘焙后的光刻胶仍然保持“软”状态。但和晶园的粘结更加牢固。时间和温度是软烘焙的参数，不完全的烘焙在曝光过程中造成图像形成不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移；过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应。负胶必须在氮气中进行烘焙，而正胶可以在空气中烘焙。烘焙方式参见第8.11.1～8.11.6节。下表总结了不同的烘焙方式。方法烘焙时间（分钟）温度控制生产率型类速度Waf/Hr排队热板对流烘箱真空烘箱移动带式红外烘箱导热移动带微波好一般（好）差（一般）差（一般）一般差（一般）单片（小批量）批量批量单片单片单片是是是否否否5~1530305~75~70.2560400200909