5光刻与刻蚀工艺

集成电路工艺基础微电子学院戴显英2017年9月5、光刻与刻蚀工艺（曝光、刻蚀）JinchengZhang掌握光刻胶的组成+PR和–PR的区别描述光刻工艺的步骤四种对准和曝光系统Explainrelationshipsofresolutionanddepthoffocustowavelengthandnumericalaperture.JinchengZhang光刻概述Photolithography临时性地涂覆光刻胶到硅片上把设计图形最终转移到硅片上IC制造中最重要的工艺占用40to50%芯片制造时间决定着芯片的最小特征尺寸JinchengZhangICProcessingFlowJinchengZhang光刻需要高分辨率HighResolution光刻胶高光敏性HighPRSensitivity精确对准PrecisionAlignmentJinchengZhangPhotoresist(PR)－光刻胶光敏性材料临时性地涂覆在硅片表面通过曝光转移设计图形到光刻胶上类似于照相机胶片上涂覆的光敏材料JinchengZhangPhotoresistNegativePhotoresist负性光刻胶－负胶PositivePhotoresist正性光刻胶－正胶曝光后不可溶解曝光后可溶解显影时未曝光的被溶解显影时曝光的被溶解便宜高分辨率JinchengZhangNegativeandPositivePhotoresistsJinchengZhang正胶的曝光机理：重氮萘醌光分解反应JinchengZhang负胶的曝光机理：聚乙烯醇肉桂酸脂光聚合反应JinchengZhangPhotoresistComposition光刻胶基本组成聚合物材料(基体）感光材料溶剂添加剂JinchengZhang例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（负胶）①基体、感光剂－聚乙烯醇肉桂酸脂浓度：5-10%②溶剂－环己酮浓度：90－95％③增感剂－5-硝基苊浓度：0.5-1%JinchengZhang负胶的缺点聚合物吸收显影液中的溶剂由于光刻胶膨胀而使分辨率降低其主溶剂，如二甲苯等会引起环境和安全问题JinchengZhangComparisonofPhotoresistsJinchengZhang正胶PositivePhotoresist曝光部分可以溶解在显影液中正影（光刻胶图形与掩膜图形相同）更高分辨率（无膨胀现象）在IC制造应用更为普遍JinchengZhang问题正胶比负胶具有更好的分辨率，为什么十九世纪八十年代以前人们普遍使用负胶？JinchengZhang答案因为正胶比负胶贵得多，直到器件特征尺寸减小到3um以下时人们才用正胶代替负胶。JinchengZhang对光刻胶的要求高分辨率–ThinnerPRfilmhashighertheresolution–ThinnerPRfilm,thelowertheetchingandionimplantationresistance高抗蚀性好黏附性思考题：为什么光刻胶越薄，分辨率越高？JinchengZhang光刻工艺PhotolithographyProcess光刻基本步骤•涂胶Photoresistcoating•对准和曝光Alignmentandexposure•显影DevelopmentJinchengZhang光刻工序JinchengZhang1、清洗硅片WaferCleanJinchengZhang2、预烘和底膜涂覆Pre-bakeandPrimerVaporJinchengZhang3、光刻胶涂覆PhotoresistCoatingJinchengZhang4、前烘SoftBakeJinchengZhang5、对准AlignmentJinchengZhang6、曝光ExposureJinchengZhang7、后烘PostExposureBakeJinchengZhang8、显影DevelopmentJinchengZhang9、坚膜HardBakeJinchengZhang10、图形检测PatternInspectionJinchengZhang光刻1－硅片清洗（WaferClean）目的--去除污染物、颗粒--减少针孔和其它缺陷--提高光刻胶黏附性基本步骤–化学清洗–漂洗–烘干JinchengZhang光刻2－预烘和打底膜（Pre-bakeandPrimerVapor）脱水烘焙--去除圆片表面的潮气增强光刻胶与表面的黏附性通常大约100°C与底胶涂覆合并进行底胶广泛使用:Hexamethyldisilazane(HMDS，六甲基乙硅氮烷)HMDS的作用：去除SiO2表面的-OH基。JinchengZhang预烘和底胶蒸气涂覆JinchengZhang光刻3－涂胶（SpinCoating）硅圆片放置在真空卡盘上高速旋转液态光刻胶滴在圆片中心光刻胶以离心力向外扩展均匀涂覆在圆片表面设备--光刻胶旋涂机JinchengZhang光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系JinchengZhangPhotoresistSpinCoaterEBR:Edgebeadremoval边缘修复JinchengZhang滴胶JinchengZhang光刻胶吸回JinchengZhangPhotoresistSpinCoatingJinchengZhang光刻4－前烘（SoftBake）①作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；增加胶膜与SiO2（Al膜等）的粘附性及耐磨性。②影响因素：温度，时间。烘焙不足（温度太低或时间太短）－显影时易浮胶，图形易变形。烘焙时间过长－增感剂挥发，导致曝光时间增长，甚至显不出图形。烘焙温度过高－感光剂反应（胶膜硬化），不易溶于显影液，导致显影不干净。JinchengZhangBakingSystemsJinchengZhang5&6、对准与曝光（AlignmentandExposure）MostcriticalprocessforICfabricationMostexpensivetool(stepper)inanICfab.MostchallengingtechnologyDeterminestheminimumfeaturesizeCurrently0.13μmandpushingto0.09or0.065μmJinchengZhang对准和曝光设备接触式曝光机接近式曝光机投影式曝光机步进式曝光机（Stepper）JinchengZhang接触式曝光机设备简单分辨率：可达亚微米掩膜与圆片直接接触，掩膜寿命有限微粒污染JinchengZhang接近式曝光机掩膜与圆片表面有5－50μm间距优点：较长的掩膜寿命缺点：分辨率低（线宽3um）JinchengZhang投影式曝光机类似于投影仪掩膜与晶圆图形1:1分辨率：～1umJinchengZhang步进式曝光机现代IC制造中最常用的曝光工具通过曝光缩小掩膜图形以提高分辨率分辨率：0.25μm或更小设备很昂贵步进-&-重复JinchengZhang曝光光源短波长高亮度（高光强）稳定高压汞灯受激准分子激光器JinchengZhang汞灯的光谱JinchengZhang曝光机光源JinchengZhang驻波效应入射光与反射光干涉周期性过曝光和欠曝光影响光刻分辨率光刻胶中的驻波效应JinchengZhang光刻7－曝光后烘焙（后烘，PEB）机理：光刻胶分子发生热运动，过曝光和欠曝光的光刻胶分子发生重分布；作用：平衡驻波效应，提高分辨率。PEB减小驻波效应JinchengZhang光刻8－显影(Development)显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分从掩膜版转移图形到光刻胶上三个基本步骤:–显影–漂洗–干燥JinchengZhang显影:沉浸显影漂洗旋转干燥JinchengZhang显影JinchengZhang显影后剖面正常显影过显影不完全显影欠显影JinchengZhang光刻9－坚膜（HardBake）蒸发PR中所有有机溶剂提高刻蚀和注入的抵抗力提高光刻胶和表面的黏附性聚合和使得PR更加稳定PR流动填充针孔JinchengZhang光刻胶热流动填充针孔JinchengZhang坚膜（HardBake）热板最为常用检测后可在烘箱中坚膜坚膜温度:100到130°C坚膜时间：1到2分钟坚膜温度通常高于前烘温度JinchengZhang坚膜的控制坚膜不足－光刻胶不能充分聚合－造成较高的光刻胶刻蚀速率－黏附性变差过坚膜－光刻胶流动造成分辨率变差JinchengZhang光刻胶流动过坚膜会引起太多的光刻胶流动，影响光刻的分辨率正常坚膜过坚膜JinchengZhang问题如果涂胶时用错光刻胶，会发生什么问题？每种光刻胶都有不同的敏感性和粘性，都需要不同的旋转速率、斜坡速率、旋转时间、烘干时间和温度、曝光强度和时间、显影液和显影条件，因此图形转移将失败。JinchengZhang光刻10－图形检测（PatternInspection）•检查发现问题，剥去光刻胶，重新开始–光刻胶图形是暂时的–刻蚀和离子注入图形是永久的•光刻工艺是可以返工的，刻蚀和注入以后就不能再返工•检测手段：SEM（扫描电子显微镜）、光学显微镜JinchengZhang问题为什么不能用光学显微镜检查0.25um尺寸的图形?因为特征尺寸(0.25µm=250nm)小于可见光的波长，可见光波长为390nm(紫光)to750nm(红光)JinchengZhang图形检测未对准问题：重叠和错位-Run-out,Run-in,掩膜旋转，晶圆旋转，X方向错位，Y方向错位临界尺寸Criticaldimension(CD)（条宽）表面不规则：划痕、针孔、瑕疵和污染物JinchengZhang未对准问题JinchengZhang图形检测通过图形检测，即可进入下一步工艺刻蚀或离子注入JinchengZhang光刻间全部流程JinchengZhang未来趋势FutureTrends更小特征尺寸Smallerfeaturesize更高分辨率Higherresolution减小波长Reducingwavelength采用相移掩膜Phase-shiftmaskJinchengZhang光衍射光衍射影响分辨率衍射光投射光强度JinchengZhang衍射光的减小波长越短，衍射越弱光学凸镜能够收集衍射光并增强图像偏离的折射光被凸镜收集的衍射光JinchengZhang数值孔径（NumericalAperture：NA）NA：表示凸镜收集衍射光的能力NA=2r0/D–r0:凸镜的半径–D：目标（掩膜）与凸镜的距离NA越大，凸镜收集更多的衍射光，产生更尖锐的图形JinchengZhang分辨率Resolution表征光刻精度；定义－光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。表示方法：每mm最多可容纳的线条数。若可分辨的最小线宽为L（线条间隔也L），则R＝1/(2L)(mm-1)R由曝光系统的光波长λ和数值孔径NA决定，R=K1λ/NA注：这里的R就是最小线宽L。K1为系统常数,λ光波长,NA=2r0/D；NA:凸镜收集衍射光的能力JinchengZhang举例1K1=0.6，R=K1λ/NAJinchengZhang提高分辨率提高NA–更大的凸镜,可能很昂贵而不实际–减小DOF（焦深），会引起制造困难减小光波长–开发新光源,PR和设备–波长减小的极限：UV到DUV,到EUV,到X-Ray减小K1–相移掩膜（Phaseshiftmask）JinchengZhang波长与电磁波频率RF:Radiofrequency;MW:Microwave;IR:infrared;UV:ultravioletJinchengZhang焦深(Depthoffocus，DOF)光焦点周围能获得