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第五章光刻5.1引言光刻的概念光刻是把掩膜版上的电路图形精确地转移到硅片表面光刻胶膜上的过程。光刻是集成电路制造的关键工艺光刻胶掩膜版不透光图形（铬膜）光刻示意图光刻是产生特征尺寸的工序微芯片上的特征尺寸，是指MOS器件的沟道长度即多晶硅栅条的宽度；或指双极器件引线孔的大小。现代集成电路技术都以特征尺寸命名如0.18μm技术、90nm技术等。目前光刻的成本很高，已占整个芯片制造总成本的1/3。现代IC对光刻的要求越来越高△IC的性能↑→→IC特征尺寸↓（即光刻线宽↓）→对光刻的要求↑△现代光刻技术已发展到纳米时代（如22nm技术）IC集成度↑器件尺寸↓掩膜版（Reticle或Mask）掩膜版的材质有玻璃和石英之分，亚微米及以下技术都用石英版，石英版的透光性好、热膨胀系数低。版上不透光的图形是金属铬膜。掩膜版的制造用设计软件例如Cadence生成版图文件（.gds）。制版机根据版图文件用激光或者电子束将图形写到掩膜版上，小尺寸图形需要用电子束，花费也相对更高。制版时需说明为亮版还是暗版。版图文件亮版暗版5.2光刻工艺原理光刻工艺的8个基本步骤1.气相成底膜2.旋转涂胶3.软烘4.对准和曝光5.曝光后烘培（PEB）6.显影7.坚膜烘培8.显影检查光刻工艺的8个基本步骤1.气相成底膜（HMDSpriming)工艺目的：增加光刻胶（共价键）与硅片表面层的粘附性，在表面为二氧化硅等（离子键、亲水）时尤其重要。工艺步骤：1、硅片清洗：污染物会导致光刻胶起层和针孔2、脱水烘焙：光刻胶与水分子的粘附性差3、HMDS成底膜：防止硅片吸潮、增强光刻胶粘附气相HMDS成底模技术最常用的HMDS成底模技术原理：HMDS是液态具有很高的蒸汽压，使HMDS气流通过加热的硅片表面即可形成底膜。优点：HMDS消耗量小工艺时间短沾污风险小气相成底模工艺方法：硅片放在成底膜真空腔中的热板上，热板温度控制在200℃～250℃，用N2携带六甲基二硅胺烷（HMDS）进入真空腔，处理时间60秒。这样在硅片上形成了底膜。自动涂胶/显影系统－气相成底膜模块2.旋转涂胶（SpinCoating）光刻胶是一种有机化合物，它受紫外线曝光后在显影液中的溶解度发生显著变化。光刻胶的目的1.做硅片上的图形模版（从掩膜版转移到硅片上的图形）2.在后续工艺中，保护下面的材料（例如刻蚀或离子注入）光刻对光刻胶的要求：1.分辨率高（区分硅片上两个相邻特征尺寸图形的能力强）2.对比度好（指曝光区和非曝光区过渡的陡度）（a）对比度差（b）对比度好3.敏感度好（是指硅片表面光刻胶中产生良好图形所需要的一定波长光的最小能量值，以mJ/cm2为单位）4.粘滞性好（表征液体光刻胶流动性的一个指标，即粘度，单位用cps表示）5.粘附性好（指光刻胶与衬底表面的粘附性好）6.抗蚀性好（在后续刻蚀工艺中，光刻胶很好地保护衬底表面，胶的这种性质称为抗蚀性）7.颗粒少光刻胶的成分：1.树脂（是一种有机聚合物材料，提供光刻胶的机械和化学特性）2.感光剂（光刻胶材料的光敏成分）3.溶剂（使光刻胶具有流动性）4.添加剂（控制光刻胶特殊方面的化学物质，备选）正胶和负胶正胶：曝光的部分易溶解，占主导地位负胶：曝光的部分不易溶解负胶的粘附性和抗刻蚀性能好，但分辨率低光刻胶正胶负胶光刻胶的种类：根据光刻的要求，光刻胶制成与特定波长的紫外线有显著的光化学响应，一般按照紫外线把胶分类：i线光刻胶、g线光刻胶、DUV线光刻胶等。传统的正性I线光刻胶溶解于显影液的机理1.树脂是悬浮于溶剂中的酚醛甲醛聚合物（线性酚醛树脂）2.感光剂化合物作为强的溶解抑制剂（不溶解于显影液）被加到线性酚醛树脂中3.在曝光过程中，感光剂（通常为DNQ）发生光化学分解产生羧酸4.羧酸提高光刻胶曝光区域的线性酚醛树脂的溶解度化学放大（CA）深紫外光刻胶常规的I线光刻胶体系的光吸收敏感性对于更短的DUV波长较差。化学放大（CA）的原理是采用光吸收敏感性更高的感光剂和专门的溶解抑制剂。化学放大DUV光刻胶溶解于显影液的机理1.具有保护团的酚醛树脂使之不溶于显影液2.光酸产生剂在曝光时产生酸3.曝光区域产生的酸作为催化剂，在曝光后热烘过程中移除树脂保护团4.不含保护团的光刻胶曝光区域溶解于以水为主要成分的显影液涂胶工艺工艺目的：在硅片上沉积一层均匀的光刻胶薄膜。工艺方法：1.滴胶2.匀胶：转速500rpm～700rpm3.旋转：转速3000rpm-5000rpm工艺要求：厚度：1.0μm左右均匀性：3％以内自动涂胶/显影系统－涂胶模块涂胶模块剖面图涂胶模块示意图光刻胶厚度k约等于100p是光刻胶中固体含量百分比（p越大粘度越大）ω是涂胶的旋转转速光刻胶越厚，台阶覆盖和抗刻蚀性能越好，但分辨率越差，一般厚度1微米左右。2pt=k光刻胶旋转速度曲线3.软烘（SoftBake）工艺目的：去除光刻胶中的溶剂改善胶的粘附性优化胶的光吸收特性和显影能力缓解涂胶时产生的应力防止曝光时挥发污染设备。溶剂含量65%~85%10%~20%4%~7%涂胶前涂胶后软烘后工艺方法：热板烘烤温度：85oC到120oC时间：30秒到60秒特点：光刻胶底部溶剂先挥发，避免气泡每次一片，适合自动轨道流水作业自动涂胶/显影系统设备－热板软烘不当的后果温度过高或时间过长：光刻胶光敏感度降低温度过低或时间不够：光刻胶显影选择比下降4.对准和曝光（AlignandExposure）对准曝光系统分为两大类：接触式对准曝光系统和投影式对准曝光系统。接触式对准曝光系统简单、相对便宜，硅片上图形与掩膜版完全相同接触式曝光易损坏掩膜版接近式曝光掩膜版寿命长、分辨率差投影式曝光是集成电路主流工艺可实现4倍到10倍的图形缩小，分辨率高投影式对准曝光系统组成1.紫外光源2.光学系统3.投影掩膜版4.对准系统5.载片台投影式对准曝光系统示意图对准和曝光工艺目的：对准和曝光是将掩膜板上的图形通过镜头由紫外线传递到硅片表面光刻胶膜上,形成光敏感物质在空间的精确分布，最终达到图形精确转移的目的。工艺方法：1.上掩膜版、硅片传送2.掩膜版对准（RA）：掩膜版标记与光刻机基准进行激光自动对准3.硅片粗对准（GA）：掩膜版与硅片两边的标记进行激光自动对准4.硅片精对准（FA）：掩膜版与硅片图形区域的标记进行激光自动对准对准标记1.投影掩膜版的对位标记(RA)：在版的左右两侧，RA与步进光刻机上的基准标记对准2.整场对准标记(GA):第一次曝光时被光刻在硅片左右两边，用于每个硅片的粗对准3.精对准标记(FA)：每个场曝光时被光刻的，用于每个硅片曝光场和投影掩膜版的对准对准标记8张掩膜版及经过8次对准和曝光形成的CMOS器件结构分步重复式光刻机NSR2005i9c型NIKON光刻机5.曝光后烘培（PEB）工艺目的：促进关键化学反应（DUV光刻胶）去除溶剂增强粘附性（I线光刻胶）防止产生驻波效应（I线光刻胶）工艺方法：热板，温度高于软烘6.显影（Develop）工艺目的：溶解硅片上曝光区域的胶膜，形成精密的光刻胶图形。工艺方法：正胶显影液：2.38%的四甲基氢氧化铵（TMAH）特点：碱性、水性显影液、轻度腐蚀硅1.TMAH喷淋显影，转速1000rpm～1500rpm2.去离子水喷淋定影，转速1000rpm～1500rpm3.原位旋转甩干工艺要求：均匀性：3％以内显影及显影后的硅片图形7.坚膜烘培（HardBake）工艺目的：使存留在光刻胶中的溶剂彻底挥发，提高光刻胶的粘附性和抗蚀性。这一步是稳固光刻胶，对下一步的刻蚀或离子注入过程非常重要。工艺方法：热板，温度高于前两次烘焙8.显影检查8.显影检查由于光刻胶和衬底折射率不匹配，抗反射膜（ARC）类型不匹配由于光刻胶和衬底酸碱不平衡由于光刻胶顶部受到过多的显影8.显影检查由于光刻胶受到空气中氨分子（碱性）对其光酸分子在表面的中和由于光刻胶对光的吸收，使得光刻胶底部接收到的光比顶部少由于光刻胶同衬底的粘附性不好，或者HMDS表面处理不良，或底部切入5.3光学光刻光谱光的能量能满足激活光刻胶，成功实现图形转移的要求。光刻典型的曝光光源是紫外（UVultraviolet）光源以及深紫外（DUV）光源、极紫外（EUV）光源。光谱曝光光源1.高压汞灯：365nm（I线）、436nm（G线）2.准分子激光：248nm（KrF）、193nm（ArF）3.等离子体：13.5nm（EUV），开发中高强度汞灯的发射光谱曝光光源的光谱光学光的反射入射光线反射光线θiθrθi=θr光学光的折射入射光线折射光线θ1θ2Snell定律：n1sinθ1=n2sinθ2折射率n1折射率n2光的衍射当光穿过一个小孔或经过一个轮廓分明的边缘时，沿小孔边缘产生了干涉图形，结果得到了一个模糊的图像，这种现象称为衍射。波长越大小孔尺寸越小衍射越明显光的衍射衍射光强度随衍射角的变化由小孔图形的傅里叶变化决定（平行光假设，远场条件）光的衍射方形小孔的衍射图像（接触孔）透镜透镜是一种光学元件，来自物体的光并通过它折射形成物体的像。光通过透镜聚焦相当于做一次傅里叶变换。例如平行光聚焦成一个点。光通过掩膜版小孔图形衍射进行第一次傅里叶变换，再通过透镜聚焦进行第二次傅里叶变换，掩膜版图形在硅片上成像。曝光机光学系统数值孔径（NA）透镜能够把一些衍射光会聚到一点成像，透镜收集衍射光的能力称为透镜的数值孔径。傅里叶高阶分量衍射光的损失会影响成像对比度。n为图像介质的折射率（空气为1）θm为主光轴与透镜边缘光线的最大夹角。透镜半径越大数值孔径越大成像效果越好，但受到镜头成本的限制。分步重复光刻机和步进扫描光刻机的NA都能做到0.60～0.68的水平sinmNAnn透镜半径透镜焦长数值孔径（NA）数值孔径分辨率（R）分辨率是将硅片上两个相邻的关键尺寸图形区分开的能力。分辨率是光刻中一个重要的性能指标。k为工艺因子，范围是0.6～0.8λ为光源的波长NA为曝光系统的数值孔径提高分辨率的方法减小工艺因子k：先进曝光技术减小光源的波长：汞灯准分子激光（等离子体）增大介质折射率：浸入式曝光增大θm：增大透镜半径、减小焦距图中分辨率为0.25μm焦深（DOF）焦深是焦点上下的一个范围，在这个范围内图像连续保持清晰。焦深类似照相的景深，集成电路光刻中的景深很小，一般在1.0μm左右。焦深限制光刻胶厚度，并要求表面平坦化焦深从焦深公式中看出提高分辨率降低了焦深，两个参数互相制约。分辨率和焦深是现代分步重复光刻机或步进扫描光刻机非常重要的参数套准精度套准精度是掩膜版上的图形与硅片上的图形的对准程度。根据光刻的要求，版上的图形与片上图形要精确对准。套准精度也是光刻中一个重要的性能指标。套准精度一般是特征尺寸的1/5~1/4套准精度套准精度与曝光前的对准步骤相关好的套准精度可以有更宽松的版图设计规则，从而减小器件尺寸光刻质量监控图形光刻质量监控图形光刻质量监控图形光刻质量监控图形光刻质量监控图形最大曝光场（步进光刻机）一般来说，曝光视场决定了最大芯片面积。投影缩小越大，制版要求越低，曝光视场越小。光刻中的非理想效应1.光刻胶对比度差引起的梯形剖面（非常普遍）0()exIxI正胶负胶2.表面不平坦：不能同时聚焦引起的线宽变化2.表面不平坦：台阶处不完全曝光可通过增加曝光时间过曝光解决，影响分辨率台阶处光刻胶胶厚3.表面反射：驻波效应入射光和反射光发生干涉并引起光刻胶在厚度方向上的不均匀曝光，这种现象称为驻波效应。深紫外光刻胶由于反射严重驻波效应严重。光刻胶中的驻波效应驻波效应降低了光刻胶成像的分辨率，影响线宽的控制。3.表面反射：底部切入（较少见）4.表面不平坦+表面反射：台阶处光刻胶线宽减小抗反射涂层当光刻胶下面的底层是反光的衬底（如金属和多晶），光线将从衬底反射并造成系列问题。在反光衬底上增加一层抗反射涂层（如Ti