第八章 光刻,工艺

第八章光刻8.1简介•定义：光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面层上所规定的特定区域的基本操作。•本质是把电路结构复制到以后要进行刻蚀和离子注入的硅片上。这些结构以图形形式制作在掩膜版上，紫外光透过掩膜版把图形转移到硅片表面的光敏薄膜上然后用一种刻蚀的工艺把薄膜图形成像在下面的硅片上。•转移到硅片表面的光刻图形的形状完全取决于硅片层面的结构。图形可能是硅片上的半导体器件，隔离槽，接触孔，金属互连以及互连金属层的通孔。•光刻掩膜版衬底材料是石英，这种材料始终用在紫外光刻中。用做掩膜版的石英是最贵的材料并且有非常低的温度膨胀。低膨胀意味着掩膜版在温度改变时尺寸是相对稳定的。淀积在掩膜版上的不透明的材料是一薄层铬，厚度一般小于1000埃并且是溅射淀积的。•目标：1.在晶圆表面建立尽可能接近设计规则中所要求的尺寸的图形。这个目标称为晶圆的分辨率，也就是区分Si片上两个邻近图形的能力。高的分辨率需要将曝光波长减小到与CD几乎一样大小。2.在晶圆表面正确定位图形。8.2光刻工艺光刻包括两种基本的工艺类型：负性光刻和正性光刻8.2.1负性光刻负性光刻的基本特征是当曝光后，光刻胶被曝光的部分由可溶性物质变为非溶性物质。8.2.2正性光刻在正性光刻工艺中，复制到硅片表面的图形与掩膜版上的一样。光刻胶被曝光的部分从不可溶到可溶。正性光刻负性光刻6.3光刻10步法1.表面准备清洁和干燥晶圆表面2.涂光刻胶在晶圆表面均匀涂抹一薄层光刻胶3.软烘焙加热，部分蒸发光刻胶4.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。5.显影非聚合光刻胶的去除6.硬烘焙对溶剂的继续蒸发7.显影目检检查表面的对准情况和缺陷8.刻蚀将晶圆顶层透过光刻胶的开口去除9.光刻胶去除将晶圆上的光刻胶层去除10.最终目检表面的检查以发现刻蚀的不规则和其他问题8.4光刻胶8.4.1光刻胶的组成四种基本的成分：聚合物、溶剂、感光剂和添加剂。•聚合物：对光和能量敏感，由大而重的分子组成，包括碳、氢、氧。普通的光刻胶被设计成与紫外线和激光反应，也有与X射线和电子束反应的。在负胶里，聚合物是聚异戊二烯。曝光后，由非聚合状态变为聚合状态，抗刻蚀。为防止曝光，负胶生产在黄光下进行。正胶的基本聚合物是苯酚-甲醛聚合物。曝光后，聚合物变为可溶状态，发生了光溶解反应。光刻胶可以和许多形式的能量（光能和热能）或电磁光谱中的具体某一部分光反应。传统的正胶可以用在I-Line曝光源上，经化学放大的光刻胶可用DUV曝光。用X射线和电子束上的光刻胶不同于传统的正负胶。•溶剂：光刻胶中容量最大的成分。使光刻胶处于液态，并可以使光刻胶通过旋转的方法涂在晶圆表面。负胶的溶剂是芬芳的二甲苯，正胶的溶剂是乙氧基乙醛醋酸盐或二甲氧基乙醛。•光敏剂：添加到光刻胶中来产生或控制聚合物的特定反应。光敏剂被加到光刻胶中用来限制反应光的波普范围或者把反应光限制到某一特定波长。•添加剂：不同类型的添加剂和光刻胶混合达到特定的效果。可以阻止光刻胶没有曝光的部分在显影过程中被溶解。负胶含有染色剂，在光刻胶薄膜中吸收和控制光线。正胶会有化学的抗溶解系统。8.4.2光刻胶的表现要素及物理特性光刻胶的选择的主要决定因素是晶圆表面对尺寸的要求。1.具有产生那些所要求尺寸的能力2.在刻蚀过程中阻隔刻蚀的功能，必须保证一定的厚度，且不能有针孔3.必须能和晶圆表面很好地黏合，否则刻蚀后图形会发生扭曲•分辨率：在光刻胶层能产生的最小图形通常作为对光刻胶的分辨力的参考。产生的线条越小，分辨力越强。它是表征光刻精度的标志之一，与光刻本身和光刻工艺条件及操作技术有关。越细的线宽需要越薄的光刻胶膜来产生。然而光刻胶膜需要足够厚度来实现阻隔刻蚀的作用，并且保证不能有针孔，所以选择需要权衡。改变工艺参数可以改变固有的分辨力。纵横比用来衡量光刻胶的分辨力和光刻胶厚度之间的关系。是光刻胶厚度与图形打开尺寸的比值。纵横比=T/W正胶比负胶有更高的纵横比，对于一个给定的图形尺寸开口，正胶的光刻胶层可以更厚。•黏结性：为了实现刻蚀阻隔作用，光刻胶层必须与晶圆表面有很好的黏结性，才能够保证把光刻图形很好的转移到晶圆表面。负胶比正胶的黏结能力好。•粘滞性：对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标。随着粘滞性增加，光刻胶流动的趋势变小，在硅片上的厚度增加。低粘滞性光刻胶流动的倾向性更大，在硅片表面产生更薄的覆盖层。•曝光速度、灵敏度和曝光源一个主要的工艺参数就是反应发生的速度，速度越快，在光刻蚀区域晶圆的加工速度就越快。负胶需要5到15秒的曝光时间，正胶需要它的3到4倍的时间。灵敏度是与导致聚合或者光溶解发生所需能量相关的。这种能量又和曝光源特定的波长有关。光刻胶的灵敏度是通过能够使基本的反应开始所需的能量总和来衡量的。单位是mJ/cm2。曝光光源紫外光用于光刻胶的曝光时因为光刻胶材料与这个特定波长的光反应。波长也很重要，因为较短的波长可以获得光刻胶上较小尺寸的分辨率。现今常用于光学光刻的两种紫外光源是：汞灯和准分子激光。除这些常用的光源外，还有X射线、电子束和离子束。汞灯高压汞灯作为紫外光源被使用在所用的常规I线步进光刻机上。在这种灯里，电流通过装有氙汞气体的管子产生电弧放电。这个电弧发射出一个特征光谱，包括240nm到500nm之间有用的紫外辐射。•汞灯强度峰UV光波长描述符CD分辨率436G线0.5405H线0.4365I线0.35248深紫外DUV0.25曝光时常规的光刻胶与特定UV波长有相应的特定光谱响应。例如，用于CD特征尺寸0.35微米的酚醛树脂I线光刻胶就与365nm的I线紫外光反应。考虑汞灯的发射光谱，248nm的深紫外发射是365nm的I线发射强度的五分之一。由于汞灯在深紫外波长的强度低，I线光刻胶在248nm下曝光要得到相同的效果，就需要五倍的曝光时间。I线光刻胶对深紫外光有过度的吸收，光不能渗透光刻胶，曝光图形差。准分子激光使用它们的主要优点是可以在248nm深紫外及以下波长提供较大的光强，因为汞灯在这些波长发射效率很低。迄今惟一用于光学曝光的激光光源是准分子激光。准分子是不稳定分子，由惰性气体原子和卤素构成，例如氟化氩（ArF），这里分子只存在于准稳定激发态。通常用于深紫外光刻胶的准分子激光器是波长248nm氟化氪（KrF）激光器。半导体光刻中使用的准分子激光器材料波长（nm）最大输出(毫焦每脉冲）频率（脉冲每秒）脉冲长度（ns)CD分辨率（um）KrF248300-150050025≤0.25ArF193175-30040015≤0.18F215761020≤0.15•工艺宽容度：对于光刻，高的工艺宽容度意味着即使遇到所有工艺发生变化，在规定范围内也能达到关键尺寸。工艺宽容度越宽，在晶圆表面达到所需尺寸的可能性就越大。•针孔：是光刻胶层尺寸非常小的空穴，是有害的。可能是在涂胶工艺中由于环境中的微粒污染物造成的，也可以是由光刻胶层结构上的空穴造成。层越薄，针孔越多。厚膜针孔小，却降低了光刻胶的分辨力。因此需要权衡。•沾污和颗粒：必须严格控制微粒含量、钠和微量金属杂质以及水含量。为控制沾污和颗粒，光刻胶供应商需严密地过滤和封装程序，在涂光刻胶前，用带有薄膜的过滤器，在使用之前就把光刻胶的污染控制在最小。•阶梯覆盖度：随着晶圆生产工艺的进行，在晶圆表面得到了很多层，对于光刻胶的阻隔刻蚀的作用，必须在以前层上面保持足够的厚度。光刻胶用足够厚的膜覆盖晶圆表面层的能力是一个重要的参数。•热流程：在光刻工艺工程中有两个加热的过程，第一个称为软烘焙，用来把光刻胶里的溶剂蒸发掉。第二个称为硬烘焙，发生在光刻胶层被显影之后，为了增加光刻胶对晶圆表面的黏结能力。然而，在硬烘焙过程中光刻胶可能会变软和流动。流动的量对最终的图形尺寸有重要影响。工艺工程中必须考虑热流程带来的尺寸变化。光刻胶热流程越稳定，对工艺流程越有利。•表面张力：指的是液体中将表面分子拉向液体主体内部的分子间吸引力。光刻胶具有产生相对大的表面张力的分子间力，所以在不同的光刻工艺步骤中光刻胶分子会聚在一起，同时光刻胶的表面张力必须足够小，从而在应用时提供良好的流动性和硅的覆盖性。•存储和传送：能量会激活光刻胶的化学性质，无论是光能还是热能，这就要求小心控制存储和使用条件。光刻胶使用褐色的瓶子来存储，彩色的玻璃瓶也可以保护光刻胶，以免受杂散光的照射。在超过存储期或较高的温度时，负胶会发生交联，正胶会发生感光剂延迟。如果因为容器开口而使光刻胶中的溶剂挥发，那么其粘度会改变。8.4.3正胶和负胶的比较•直到20世纪70年代中期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位。•到了20世纪80年代，正胶才逐渐被接受。这个转变需要改变掩模板的极性。•正胶和暗场掩模板组合可以减少晶圆表面附加的针孔。•负胶的另一个问题是氧化。可使光刻胶膜变薄20%。•正胶比负胶的成本高。•两种光刻胶的显影属性不同，负胶所用的显影液非常容易得到，聚合和非聚合区域的可溶性有很大不同。图形尺寸相对保持恒定。正胶来说，聚合和非聚合区域的可溶性区别较小，显影液需要仔细调制，并且在显影过程中需要进行温度的控制，加入溶解阻止系统，控制显影过程中的图形尺寸。•光刻胶的去除，正胶比负胶容易，可以用受环境影响小的化学品去除。•生产先进的工艺会选择正胶，对于图形尺寸大于2微米的工艺还在用负胶。8.5表面准备为确保光刻胶能和晶圆表面很好黏贴，必须进行表面准备。由三个阶段来完成：8.5.1微粒清除清洗方法：高压氮气吹除化学湿法清洗旋转刷刷洗高压水流8.5.2脱水烘焙•保持憎水性表面的两种方法1.把室内湿度保持在50%以下，并且在晶圆完成前一步工艺之后尽可能快地对晶圆进行涂胶2.把晶圆存储在用干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中。为了使晶圆表面达到可接受的粘贴属性，一些附加的步骤被加入进来，包括脱水烘焙和涂底胶。•脱水烘焙的三种温度范围1.在150℃~200℃温度范围内（低温），晶圆表面会被蒸发；2.400℃（中温）时，与晶圆表面结合比较松的水分子会离开；3.超过750℃（高温）时，晶圆表面从化学性质上讲恢复到了憎水性条件。•低温烘焙好处1.可通过热板、箱式对流传导或者真空烤箱达到；2.进行旋转工艺前不用花很长时间等待晶圆冷却，容易和旋转烘焙结合起来，形成脱水-旋转-烘焙系统。•高温烘焙缺点1.必须和炉管反应炉结合，不利于旋转工艺。2.高温会使晶圆内部掺杂结合处能够移动并且晶圆表面的可移动离子污染物可以移入晶圆内部，造成器件可靠性和功能问题。8.5.3晶圆涂底胶（涂漆）底胶的选择：有很好的吸附能力并且要为正式涂漆提供一个平滑的表面。广泛应用的是六甲基乙硅烷（HMDS）方法有：1、沉浸式涂底胶2、旋转式涂底胶3、蒸气式涂底胶•前两种方法的缺点1.HMDS与晶圆表面直接接触，增加了晶圆被污染的危险。2.涂完HMDS要充分干燥，否则会溶解光刻胶层底部，干涉曝光、显影和刻蚀。3.HMDS比较贵，旋转涂胶过程中会造成大量的HMDS损失。•以上问题可以通过蒸气式涂底胶来解决。两种常压，一个真空。8.6涂光刻胶目的：在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺陷的光刻胶膜。普遍应用的涂胶方法是：旋转涂胶四个基本步骤•分滴•旋转铺开•旋转甩掉•溶剂挥发光刻胶厚度与旋转速度对照•胶层的厚度与涂胶时的旋转速度有关，显然转速大胶层薄．另一方面胶层厚度与液态胶的粘度有关，在给定的转速下粘度大则胶层厚．对于不同的光刻胶，即使在同样的转速和相同的粘度下所得的胶层厚度也有所不同．8.6.1背面涂胶为了保持晶圆背面的氧化物的存在。在正面涂胶完成之后，通过一个滚动机在晶圆背面进行涂胶。要求：足够厚的光刻胶膜来阻隔刻蚀。8.7软烘焙软烘焙是一种以蒸发掉光刻胶中一部分溶剂为目的的加热过程。完成后，光刻胶还保持“软”状态。•蒸发溶剂的原因1、溶剂会吸光，干扰对光敏感的聚合物的正常化学反应2、帮助更好的和晶圆黏结参数：时间和温度1.不完全烘焙会造成在曝光过程中图像成形不完全和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移。2.过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，不与曝光光线反应。软烘焙的时间和温度由光刻胶供应商提供。