光刻工艺

光刻工艺和刻蚀工艺未来几代硅技术对光刻的要求DRAM供货的首年199719992003200620092012DRAM位/片256M1G4G16G64G256G最小特征尺寸nm-孤立线条MPU200140100705035最小特征尺寸nm-密集线条DRAM2501801301007050接触孔2802001401108060栅CD控制3σnm201410754对准（均值＋3σnm）856545352520聚焦深度μm0.80.70.60.50.50.5缺陷密度（每层/m2）1008060504030未来几代硅技术对光刻的要求DRAM供货的首年199719992003200620092012@缺陷大小nm@80@60@40@30@20@15DRAM芯片尺寸mm228040056079011201580MPU芯片尺寸mm2300360430520620750视场nm22×2225×3225×3625×4025×4425×52曝光技术248nm248nm248nm193nm193nmDUVDUVorDUVDUV193nmororDUV??最少光刻版数2222/242424/2626/2828CAD设计系统►系统一般具有各种库，库中容纳了已知蚀可行的一些以前的设计，可以从库中将基本功能块或电路剪切下来，并粘贴到新的设计中►使用软件工具来辅助布线►另一些工具检查设计，以确保没有违反设计规则的情形►有电路级和系统级的模拟工具，可预言新设计的性能未感光的光刻胶溶于显影溶液，称为负性光刻胶感光的光刻胶溶于显影溶液的称为正性光刻胶光刻胶光刻胶由三部分组成：1，感光剂；2，增感激；3，溶剂。负性光刻胶依曝光时抗蚀剂结构变化的方式，又有两种典型类型。一种是利用抗蚀剂分子本身的感光性官能团，如双健等进行交链反应形成三维的网状结构另一种是利用交链剂(又称架桥剂)进行交联形成三维的网状结构。聚烃类—双叠氮系光致抗烛剂就是属于这一类聚乙烯醇肉桂酸酯利用抗蚀剂分子本身的感光性官能团发生的光聚合反应如式：遇光照射时发生分解反应，放出氮气，变成氮游离基，然后再与树脂上的双健发生反应，而成为网状结构的不溶性物质交链剂双叠氮化合物正型光致抗蚀剂邻叠氮萘醌类化合物在紫外光照射下发生分解反应，放出氮气，同时分子的结构经过重排形成五元环烯酮化合物，遇水经水解生成茚基羧酸衍生物抗蚀剂名称PMMAPMMAAZ2400HuntWX159厚度nm21.81.5分辨率μm1.50.51.51-1.5远紫外光抗蚀剂电子束抗蚀剂名称PMMACOPPBSCMSOEBR100OEBR1000OEBR1030极型+-+--++灵敏度/μCcm-2(电子能量20kV)40-800.2-0.40.8-1.60.3-0.60.8-1503对比度2-30.9-1.21.3-21.41.61.60.4分辨率μm0.110.50.50.50.30.3通常的厚度μm10.30.40.30.30.3衡量光刻胶好坏的标准►1，感光度►2，分辨率►3，粘度及固态含有率►4，稳定性►5，抗蚀性►6，黏附能力►7，针孔密度光源►现代曝光系统所产生的像是受衍射限制的，而衍射效应又与曝光辐射的波长有很强的联系►从历史看，多数的光刻系统都使用弧光灯作为主要光源，内含有汞蒸汽，用光刻的灯消耗大约1千瓦功率►常用的汞二种特征波长：436nm（g线）和365nm（i线）►20世纪90年代早期，多数的光刻机使用g线，►在0.35μm这一代中，i线步进光刻机是主宰►在深紫外光这一段，最亮的光源要数准分子激光，最有兴趣的二种源:KrF（248nm）和ArF（193nm），一般有二种元素，一种是惰性气体，一种是含卤化合物准分子激光的主要问题►激光的可靠性和寿命►镜头系统中光学元件对曝光波长的透明度►寻找合适的光刻胶248nm（KrF）,这些问题已解决，这种源已用于0.25μm和0.18μm的商品生产ArF极有可能成为0.13μm和0.1μm技术的光源0.1μm以后的景象还不明朗深紫外光刻胶►标准DNQ胶的量子效率达到约0.3，这类胶最多只能提高大约3倍的灵敏度►化学增强胶使用不同的曝光过程，入射光子与感光酸生成剂分子反应，产生酸分子，酸分子在后续的光刻胶烘烤过程中起到催化剂作用，使得曝光区域光刻胶的特性改变►化学增强胶的总量子效率，是起始的光和感光酸生成剂反应效率，乘以后续催化反应的次数，所得到的乘积DNQ灵敏度100mJcm-2化学增强胶灵敏度-20-40mJcm-2晶片上形成抗蚀膜图形是供形成晶片表面图形之用的，形成方法有二：其一是直接扫描法，就是按照图形设计数据直接在晶片的抗蚀膜上扫描曝光图形其二是复印法，就是将掩摸图形复印到晶片上的抗蚀膜上。首先制作掩模图形，然后通过涂抗蚀剂、预烘、曝光、显影等步骤完成复印任务曝光技术直接影响到微细图形加工的精度与质量图形的形成光学曝光a,接触式b,接近式c,投影式三种方法的比较接触曝光：光的衍射效应较小，因而分辨率高；但易损坏掩模图形，同时由于尘埃和基片表面不平等，常常存在不同程度的曝光缝隙而影响成品率。接近式曝光：延长了掩模版的使用寿命，但光的衍射效应更为严重，因而分辨率只能达到2—4um左右。投影式曝光：掩模不受损伤，不存在景深问题提高了对准精度，也减弱了灰尘微粒的影响，已成为LSI和VLSI中加工小于3um线条的主要方法。缺点是投影系统光路复杂，对物镜成像能力要求高。电子束曝光优点：分辨率比光学曝光高，能扫描最小线宽0.1um的微细图形；扫描电子束曝光不需要掩模版，可缩短加工周期；能大大提高加工精度。÷缺点：设备复杂，成本昂贵；完成全部图形曝光需较长时间。掩模制备困难。电子束曝光方法主要有扫描式和投影式（分为摄像管式和透射电子成像式二种）两种其它曝光方法X射线曝光方法离子束曝光方法光刻工艺过程光刻过程涂胶，前烘，曝光，显影，坚膜，腐蚀和去胶等七个步骤。光刻工艺过程示意图曝光时影响分辨率的因素1．掩模版与光刻胶膜的接触情况2．曝光光线的平行度3．光的衍射和反射4．光刻胶膜的质量和厚度5．曝光时间6．掩模版的分辨率和质量腐蚀方法有两种类型：湿式化学腐蚀干式等离子体腐蚀湿式化学腐蚀SiO2的腐蚀242426422()SiOHFSiFHOSiFHFHSiF氟化铵在SiO2腐蚀液中起缓冲剂的作用。这种加有氟化铵的氢氟酸溶液，习惯上称为HF缓冲液。常用的配方为：HF:NH4F:H2O=3ml:6g:10ml二氧化硅的腐蚀速率与温度的关系氮化硅腐蚀►对于厚度为10-2μm的较薄氮化硅膜，可以用HF缓冲液进行腐蚀。►对于厚度较厚的氮化硅膜，再放入180℃的热磷酸中继续刻蚀图形窗口内的Si3N4膜。铝的腐蚀目前常用的腐蚀液有磷酸及高锰酸钾腐蚀液342432262()3AlHPOAlHPOH磷酸与铝的反应式高锰酸钾腐蚀液的配方为：42::6:10:90KMnONaOHHOggml高锰酸钾与铝的反应式422NaOHKMnOAlKAlOMnO干式等离子体刻蚀等离子体刻蚀利用气体分子在强电场作用下，产生辉光放电。在放电过程中气体分子被激励并产生活性基，这些活性基可与被腐蚀物质反应，生成挥发性气体而被带走。等离子体刻蚀常用的工作气体是四氟化碳CF4——→CF3*+CF2*+CF*+F*F*与硅、SiO2或Si3N4作用时，则反应生成可挥发的SiF4等气体铝是活泼金属，和氯很容易起化学反应，可用氯等离子体腐蚀去胶►溶剂去胶，去胶剂常用含氯的烃化物，并含有表面湿润剂►氧化去胶，常用的氧化剂有浓硫酸，H2SO4:H2O2(3:1)混合液，也可用Ⅰ号洗液(NH4OH:H2O2:H2O=1:2:5)煮沸，使胶层碳化脱落而除去；还有氧气去胶。►等离子体去胶，氧气在强电场作用下电离产生的活性氧，使光刻胶氧化而成为可挥发的CO2、H2O及其他气体而被带走。光刻质量分析浮胶►1，操作环境的湿度过大；►2，二氧化硅表面不净；►3，前烘不足或过度；►4，曝光或显影不合适；►5，腐蚀不当造成浮胶。钻蚀1，光刻掩膜版质量不好，版上图形边缘不齐并有毛刺等。2，光刻胶过滤不好，颗粒密度大。3，硅片有突出的颗粒，使掩膜版与硅片接触不好，图形出现发虚现象。4，氧化层的厚度差别太大。针孔►①氧化硅薄膜表面有外来颗粒，使得涂胶时胶膜与基片表面未充分沾润，留有未覆盖的小区域，腐蚀时产生针孔。►②光刻胶中含有固体颗粒，影响曝光效果，显影时剥落，腐蚀时产生针孔。►③光刻胶膜本身抗蚀能力差，或胶膜太薄，腐蚀液局部穿透胶膜，造成针孔。►④前烘不足，残存溶剂阻碍抗蚀剂交联，或前烘时骤热，引起溶剂挥发过快而鼓泡，腐蚀时产生针孔。►⑤曝光不足，交联不充分，或曝光时间过长，胶层发生皱皮，腐蚀液穿透胶膜而产生腐蚀斑点。►⑥腐蚀液配方不当，腐蚀能力太强。►⑦掩模版透光区存在灰尘或黑斑，曝光时局部胶膜末曝光，显影时被溶解，腐蚀后产生针孔。小岛►1，在光刻版上不透光的区域中存在着小孔或透光点。►2，光刻胶中的大颗粒不溶物质残存于二氧化硅的表面。►3，曝光过度，使的局部区域显影不干净或显影不充分，残留光刻胶底膜。制版技术制版技术:根据器件的参数要求，按照选定的方法制备出生产上所要求的掩模图形，并以一定间距和布局，将图形重复排列于掩模基板上，进而复制批量生产用的掩模版，供光刻工艺使用。掩模是光刻工艺加工的基准，掩模质量的好坏直接影响光刻质量的优劣，从而影响晶体管或集成电路的性能和成品率。在硅平面器件生产中，掩模制造是关键性工艺之一。研磨制作工艺流程制版技术的发展过程►1、人工绘图和刻图►2、计算机控制大型刻图机刻图►3、光学图形发生器制造初缩版（中间掩模版）►4、电子束图形发生器（扫描电子束曝光）直接制作精缩版掩模材料►掩模材料大致可分为两大类：在玻璃基板表面涂布卤化银乳剂的高分辨率干板在玻璃上附着金属或金属氧化物膜的硬面板►超分辨率干版就是在玻璃基片表面上涂布一层含颗粒极细的卤化银乳胶►乳胶的成分：乳化剂、分散介质和辅助剂等►乳化剂：硝酸银和卤化物(溴化钾，碘化钾、氯化钠等)►分散介质：明胶。它易溶于热水，冷凝后成固体状态，其分子链的连接是通过链上某些氨基(＞NH)中的氢和相邻分子链上羰基(=C=O)中的氧所形成的氢健。►辅助剂：增感剂、防灰雾剂、稳定剂以及坚膜剂等增感剂的作用是使卤化银的感光范围展宽防灰雾剂的作用是抑制乳胶中灰雾中心的形成，常用的防灰雾剂有苯酚三氮唑、溴化钾等分散介质(或载体)在乳胶中起分散介质和支撑体的作用。显影和定影►显影：感光底版在曝光后，用显影液将潜影银质点继续长大成较大的金属银粒，使之能成为可见的图像。►定影：选择一种既能溶解残存在乳胶层内的卤化银，又不对乳胶层的明胶和构成影像的银质点发生侵蚀作用的定影液，除去显影后残存在乳胶层内的卤化银，使显影所得的影响固定下来。►硬面板：在玻璃基板上蒸发或溅射一层几十到几百纳米厚的金属或金属氧化物，再在其上用光刻胶作为感光层。一般使用铬、氧化铬和氧化铁等。制铬版的工艺一是在玻璃板上真空蒸铬，获得铬膜；二是光刻铬膜，得出版图，其过程和光刻硅片上的氧化层相同，只是腐蚀对象不是二氧化硅，而是金属铬。彩色版：一种透明或半透明的掩膜彩色版：氧化铁版、硅版、氧化铬版、氧化亚铜版氧化铁板：既解决了乳胶板的不耐用问题，又解决了铬板的不透明和针孔多的问题，而且氧化铁板在光学特牲、致密度等多方面都优于铬板。几种掩膜材料的特性比较特性种类组成材料膜厚表面反射率表面强度分辨率乳胶干板AgBr4-6μm低弱2-3μm铬板Cr80-200nm50-60%强1-2μm氧化铁板Fe2O3150-250nm15-20%强1μm特性种类抗化学性耐磨性透明性光密度成像锐度光刻对准乳胶干板弱差不透明1.5-3有散乱边纹困难铬板耐强酸较好不透明2-3锐困难氧化铁板耐强酸不耐碱好选择透明2锐容易玻璃衬底的要求►平面度好，机械强度高，在白炽灯下观察，无肉眼看得见的气泡、杂质、霉点和划痕►热膨胀系数小►透射率高►化学稳定性好。掩模版的质量检测►掩模版外观及版面图形一般质量检查►小尺寸检查►间距测定►套准