半导体制造技术深紫外DUV光刻胶

电信学院微电子学系1半导体制造技术微电子制造技术第13章光刻:气相成底膜到软烘电信学院微电子学系2半导体制造技术学习目标1.了解光刻的基本概念，包括工艺概述、关键尺寸划分、光谱、分辨率、工艺宽容度等；2.讨论正性胶和负性胶的区别；3.了解光刻的8个基本步骤；4.讨论光刻胶的物理特性；5.解释软烘的目的，并说明它在生产中如何完成；电信学院微电子学系3半导体制造技术光刻的基本概念光刻就是利用光刻胶的感光性和耐蚀性，在各种薄膜上复印并刻蚀出与掩摸版完全对应的几何图形。以实现选择性掺杂和金属布线的目的。是一种非常精细的表面加工技术，在芯片生产过程中广泛应用。光刻精度和质量将直接影响器件的性能指标，同时也是影响制造成品率和可靠性的重要因素。光刻过程如图所示有薄膜的晶圆光刻制程正胶工艺开孔-或负胶工艺留岛-电信学院微电子学系4半导体制造技术光刻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，不能溶解的光刻胶就构成了一个图形（硅片上的器件、隔离槽、接触孔、金属互联线等），而这些图形正好和掩膜版上的图形相对应。形成的光刻胶图形是三维的，具有长、宽、高物理特征（见下图）。电信学院微电子学系5半导体制造技术线宽间距厚度Substrate光刻胶Figure13.2光刻胶的三维图形电信学院微电子学系6半导体制造技术掩膜版掩膜版有投影掩膜版和光掩膜版之分。投影掩膜版(reticle)是一块包含了要在硅片上重复生成图形的石英版，这种图形可能只有一个管芯，或者是几个。光掩膜版（photomask）通常也称为掩膜版（mask），是包含了对于整个芯片来说确定一层工艺所需的完整管芯阵列的石英板。由于在图形转移到光刻胶中光是最关键的因素之一，所以光刻有时被称为光学光刻。对于复杂的集成电路，可能需要30块以上的掩膜版用于在硅片上形成多层图形。每一个掩膜版都有独一无二的图形特征，它被置于硅片表面并步进通过整个硅片来完成每一层。电信学院微电子学系7半导体制造技术4:1Reticle1:1MaskPhoto13.1光刻掩膜版和投影掩膜版电信学院微电子学系8半导体制造技术光谱掩膜版上的图形转移到光刻胶上，是通过光能激活光刻胶完成的。典型光能来自是紫外(UV)光源，能量的传递是通过光辐射完成的。为了使光刻胶在光刻中发挥作用，必须将光刻胶制成与特定的紫外线波长有化学反应光刻胶。紫外线一直是形成光刻图形常用的能量源，并会在接下来的一段时间内继续沿用（包括0.1µm或者更小的工艺节点的器件制造中）。电磁光谱用来为光刻引入最合适的紫外光谱，如图13.3所示。对于光刻中重要的几种紫外光波长在表13.1中列出。大体上说，深紫外光（DUV）指的是波长在300nm以下的光。电信学院微电子学系9半导体制造技术可见无线电波微波红外线γ射线UVX-射线f(Hz)1010101010101010101046810121416221820(m)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUV(nm)在光学光刻中常用的UV波长Figure13.3电磁光谱的片段电信学院微电子学系10半导体制造技术表13.1光刻曝光的重要UV波长UV波长(nm)波长名UV发射源436g-line汞灯405h-line汞灯365i-line汞灯248DeepUV(DUV)汞灯或氟化氪（KrF）准分子激光193DeepUV(DUV)氟化氩(ArF)准分子激光157VacuumUV(VUV)氟(F2)准分之激光电信学院微电子学系11半导体制造技术套准精度光刻要求硅片表面上存在的图形与掩膜版上的图形准确对准，这种特征指标就是套准精度。对准十分关键是因为掩膜版上的图形要层对层准确地转移到硅片上（见图13.4）。因为每一次光刻都是将掩膜版上的图形转移到硅片上，而光刻次数之多，任何一次的套准误差都会影响硅片表面上不同图案间总的布局宽容度。这种情况就是套准容差。大的套准容差会减小集成密度，即限制了器件的特征尺寸，从而降低IC性能。除了对图形对准的控制，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。电信学院微电子学系12半导体制造技术Figure13.4#2栅掩膜#1阱掩膜#3接触掩膜#4金属掩膜#5PAD掩膜PMOSFETNMOSFETCrosssectionofCMOSinverterTopviewofCMOSinverter电信学院微电子学系13半导体制造技术CMOS掩模版分解图电信学院微电子学系14半导体制造技术氧化P-SUBSiO2N阱光刻及注入P-SUBN隔离氧化及光刻P-SUBN栅氧化、多晶硅生长及光刻P-SUBNP型注入区掩模及注入P-SUBNPN型注入区掩模及注入P-SUBNN氧化及引线孔光刻P-SUBN金属化及光刻P-SUBN电信学院微电子学系15半导体制造技术工艺宽容度光刻工艺中有许多工艺是可变量。例如，设备设定、材料种类、人为操作、机器性能，还有材料随时间的稳定性等诸多内容都存在可变因素。工艺宽容度表示的是光刻始终如一地处理符合特定要求产品的能力。目标是获得最大的工艺宽容度，以达到最大的工艺成品率。为了获得最大的工艺宽容度，设计工程师在版图设计时要充分考虑工艺过程所存在的可变因素，在制造过程中，工艺工程师也可通过调整工艺参量以实现最高的制造成品率。对于光刻，高的工艺宽容度意味着在生产过程中，即使遇到所有的工艺发生变化，但只要还在规定的范围内，也就能达到关键尺寸的要求。电信学院微电子学系16半导体制造技术光刻工艺光刻包括两种基本类型：负性光刻和正性光刻。负性光刻负性光刻的基本特征是经过曝光的光刻胶，由原来的可溶解变为不可容解，并随之硬化。一旦硬化，被曝光的光刻胶就不能在溶剂中被洗掉。光刻胶上留下的图形与掩膜版上的图形相反（见图13.5）。所以这种光刻胶被称为负性光刻胶。电信学院微电子学系17半导体制造技术Ultravioletlight岛被曝光的区域光刻胶发生交联变成阻止显影的化学物质光刻胶显影后的最终图形窗口光刻胶的曝光区光刻胶上的阴影在掩膜版上的铬岛SiliconsubstratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSiliconsubstrateFigure13.5负性光刻电信学院微电子学系18半导体制造技术正性光刻正性光刻的基本特征是，经过曝光的光刻胶由原来不可溶解变为可溶解，即经过曝光的光刻胶在显影液中软化并可溶解。光刻胶上留下的图形与掩膜版上的图形相同（见图13.6）。所以这种光刻胶被称为正性光刻胶。电信学院微电子学系19半导体制造技术Figure13.6正性光刻photoresistsiliconsubstrateoxideoxidesiliconsubstratephotoresistUltravioletlight岛光刻胶显影后的最终图形光刻胶上的阴影光刻胶的曝光区在掩膜版上的铬岛窗口SiliconsubstratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSiliconsubstrate电信学院微电子学系20半导体制造技术期望印在硅片上的光刻胶结构窗口衬底光刻胶岛石英铬岛使用负性胶时要求掩膜版上的图形(与想要的结构相反)使用正性胶时要求掩膜版上的图形(与想要的结构相同)Figure13.7掩膜版与光刻胶之间的关系电信学院微电子学系21半导体制造技术接触孔的模拟(正胶光刻)金属互连线的模拟(正胶光刻)亮场掩膜版暗场掩膜版Figure13.8亮场与暗场掩膜版电信学院微电子学系22半导体制造技术8)显影检查5)曝光后的烘焙6)显影7)坚膜烘焙UV光掩膜版4)对准和曝光光刻胶2)旋转涂胶3)软烘1)气相成底膜HMDS光刻工艺的8个基本步骤电信学院微电子学系23半导体制造技术气相成底膜气相成底膜主要是为涂胶工艺作前期准备，包含硅片清洗、脱水烘焙及成底膜等内容。硅片清洗光刻的第一步首先是硅片表面清洗，因为不清洁的表面通常存在表面颗粒、金属杂质、有机沾污和自然氧化层等。这些沾污物的一个主要影响是造成光刻胶与硅片的黏附性变差。这种情况会在显影和刻蚀中引起光刻胶的“脱胶”，从而导致光刻胶下的底层薄膜的钻蚀（见图13.3）。通常进入光刻工艺的硅片刚完成氧化或淀积操作，并处于洁净状态，为这些洁净硅片涂胶的最佳条件是尽可能地快。电信学院微电子学系24半导体制造技术脱胶Figure13.13由于表面沾污引起的黏附性差的效果电信学院微电子学系25半导体制造技术脱水烘焙脱水烘焙的目的是清除硅片表面的残余潮气，以便使光刻胶和硅片表面有很好的黏附性能。实际的烘焙温度是可变的，一般为200～250℃，不超过400℃。典型的烘焙是在传统的充满惰性气体的烘箱或真空烘箱中完成，现在几乎所有的硅片加工厂都使用自动化硅片轨道系统完成脱水烘焙工艺。硅片成底膜脱水烘焙后的硅片立即用六甲基二硅胺烷(HMDS)成底膜，作用是提高光刻胶的黏附性能。HMDS的作用是影响硅片表面使之疏离水分子，同时形成对光刻胶的结合力。HMDS可以用浸泡、喷雾和气相方法来涂。硅片上成底膜的方法一般被集成在硅片轨道系统上。电信学院微电子学系26半导体制造技术滴浸润形成旋转硅片除去多余的液体Figure13.14HMDS滴浸润液和旋转电信学院微电子学系27半导体制造技术旋转涂胶成底膜处理后，硅片要立即用旋转涂胶的方法涂上液相光刻胶材料。通常硅片被固定在一个真空载片台上，一定数量的液体光刻胶滴在硅片上，然后旋转硅片得到一层厚度均匀的光刻胶涂层（见图13.10）。不同的光刻胶要求不同的旋转涂胶条件，例如最初慢速旋转（约500rpm），接下来跃变到最大转速3000rpm或者更高。依靠旋转离心力和光刻胶的表面张力使硅片表面得到一层厚度均匀的光刻胶。涂胶应用的重要质量指标是：时间、速度、厚度、均匀性、颗粒沾污及光刻胶缺陷，如针孔等。电信学院微电子学系28半导体制造技术3)甩掉多余的胶4)溶剂挥发1)滴胶2)加速旋转Figure13.14旋转涂布光刻胶的4个步骤电信学院微电子学系29半导体制造技术工艺小结:•硅片置于真空吸盘上•滴约5ml的光刻胶•以约500rpm慢速旋转•加速到约3000to5000rpm•质量指标–时间–速度–厚度–均匀性–颗粒和缺陷真空吸盘与转动机连接的转杆至真空泵滴胶头Figure13.10旋转涂胶电信学院微电子学系30半导体制造技术硅片上涂胶的目的光刻胶是一种有机化合物，经紫外线曝光后，在显影溶液中的溶解度会发生明显变化。芯片制造所用的光刻胶以液态形式涂在硅片表面。然后被干燥成胶膜。硅片制造中使用光刻胶的目的是：将掩膜版图案转移到硅片表面顶层的光刻胶上。在刻蚀工艺中，保护光刻胶下面的材料（各种绝缘介质薄膜、金属薄膜等）完好无损、不被刻蚀。电信学院微电子学系31半导体制造技术随着电路密度和关键尺寸的不断缩小，为了将亚微米线宽的图形转移到硅片表面，光刻胶必须具备如下特性：更好的图形清晰度(分辨率)对硅片表面更好的黏附性更好的均匀性工艺宽容度高(对工艺可变量敏感度降低)电信学院微电子学系32半导体制造技术光刻胶的类型普通光刻胶可分为正性光刻胶和负性光刻胶。这种分类是基于光刻胶材料对紫外光的响应特性。对于负性光刻胶，经紫外光曝光后发生交联反应并会硬化，使原来可以被显影液溶解的成分变得不可溶解。显影后与掩膜版相反的图形留在光刻胶上。对于正性光刻胶，经紫外光曝光后的区域经历了一种光化学反应，使原来难以被显影液溶解的特性变得可溶解。显影后与掩膜版相同的图形留在光刻胶上。也可以依据光刻胶所形成的最小关键尺寸来给光刻胶分类。一类是能形成线宽尺寸在0.35µm及其以上的传统光刻胶