林明祥 集成电路制造工艺课件 第五章 光刻

1第五章光刻－Lithography2光刻是IC制造业中最为重要的一道工艺硅片制造工艺中，光刻占所有成本的35%通常可用光刻次数及所需掩模的个数来表示某生产工艺的难易程度。一个典型的硅集成电路工艺包括15－20块掩膜版3集成电路的特征尺寸是否能够进一步减小，也与光刻技术的近一步发展有密切的关系。通常人们用特征尺寸来评价一个集成电路生产线的技术水平。所谓特征尺寸（CD：characteristicdimension）是指设计的多晶硅栅长，它标志了器件工艺的总体水平，是设计规则的主要部分通常我们所说的0.13m,0.09m工艺就是指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。4光刻的定义：光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构,从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。5光刻的要求对光刻的基本要求：（1）高分辨率（2）高灵敏度（3）精密的套刻对准（4）大尺寸硅片上的加工（5）低缺陷61.高分辨率分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力，即对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标志之一。随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越细，对分辨率的要求也越来越高。分辨率表示每mm内能够刻蚀出可分辨的最多线条数。R=1/2L72.高灵敏度灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高产量要求曝光时间越短越好，也就要求高灵敏度。3.精密的套刻对准集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，每次光刻都要相互套准。由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，因此，对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸的10％左右。84.大尺寸硅片的加工随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆片的膨胀和收缩。因此对周围环境的温度控制要求十分严格，否则会影响光刻质量5.低缺陷缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷95.2光刻胶的组成材料及感光原理光刻胶是光刻工艺的核心，光刻过程中的所有操作都会根据特定的光刻胶性质和想达到的预期结果而进行微调。光刻胶的选择和光刻工艺的研发是一个非常漫长的过程。10光刻胶种类正光刻胶(Positiveopticalresist)负光刻胶(Negativeopticalresist)Resistsareorganicpolymersthatarespunontowafersandprebakedtoproduceafilm0.5-1mthick.光刻胶又称光致抗蚀剂(Photo-Resist)，根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，有11正性光刻胶－PositiveOpticalResist正胶的光化学性质是从抗溶解到可溶性。正胶曝光后显影时感光的胶层溶解了。现有VLSI工艺都采用正胶12正胶机制曝光使感光材料(PAC)中分子裂解，被裂解的分子在显影液中很易溶解，从而与未曝光部分形成强烈反差。13负性光刻胶NegativeOpticalresist负胶的光学性能是从可溶解性到不溶解性。负胶在曝光后发生交链作用形成网络结构，在显影液中很少被溶解，而未被曝光的部分充分溶解。14小结：正性和负性光刻胶正性光刻胶受光或紫外线照射后感光的部分发生光分解反应，可溶于显影液，未感光的部分显影后仍然留在晶圆的表面负性光刻胶的未感光部分溶于显影液中，而感光部分显影后仍然留在基片表面。正胶：曝光前不可溶，曝光后可溶负胶：曝光前可溶，曝光后不可溶光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。因此光刻通常在黄光室（YellowRoom））内进行。15正胶和负胶的比较正胶a)分辨率高小于1微米b)抗干法刻蚀能力强c)较好的热稳定性负胶a)对某些衬底表面粘附性好b)曝光时间短，产量高c)工艺宽容度较高（显影液稀释度、温度等）d)价格较低（约正胶的三分之一）16负胶•曝光后变为不可溶•显影时未曝光的部分溶解于显影液•图形与掩模版相反•分辨率较低•含二甲苯，对环境、身体有害。正胶•曝光后变为可溶•显影时曝光的部分溶解于显影液•图形与掩模版相同•更小的聚合物尺寸，有更高的分辨率•大量应用于ICfabs光刻胶种类17分辨率(resolution)敏感度(Sensitivity)对比度(Contrast)粘滞性粘附性抗蚀性光刻胶材料参数181.光刻胶的分辨率（resolution）在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为对光刻胶的分辨率。产生的线条越小，分辨率越高。分辨率不仅与光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定的工艺有关，比如：曝光光源、显影工艺等。正胶的分辨率较负胶好，一般2m以下工艺用正胶192.灵敏度S(Sensitivity)h为比例常数；I为照射光强度，t为曝光时间灵敏度反应了需要多少光来使光刻胶曝光，即光刻胶感光所必须的照射量。曝光时间越短，S越高。波长越短的光源（射线）能量越高。在短波长光曝光，光刻胶有较高的灵敏度。ShIt203.对比度(Contrast)衡量光刻胶辨别亮(light)/暗(dark)区域的能力测量方法：对一定厚度的光刻胶，改变曝光剂量，在固定时间内显影，看显影后留下的光刻胶厚度。对比度高的光刻胶造成更好的分辨率Df:完全溶解光刻胶所需的曝光剂量；D0:溶解光刻胶所需的阈值曝光剂量101logofDD214.粘滞性指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标。与时间有关，因为它会在使用中随着光刻胶中溶剂的挥发增加。5.粘附性描述光刻胶粘附于衬底的强度。光刻胶与衬底膜层（SiO2、Al等）的粘结能力直接影响光刻的质量。不同的衬底表面，光刻胶的粘结能力是不同的。负性胶通常比正性胶有更强的粘结能力。要求光刻胶能够粘附在不同类型的表面，例如硅，多晶硅，氮化硅，二氧化硅和金属等必须能够经受住曝光、显影和后续的刻蚀，离子注入的等工艺226.抗蚀性光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在后续的湿刻和干刻中保护衬底表面。这种性质被称为抗蚀性。23光刻胶由4种成分组成：树脂（聚合物材料）感光剂溶剂添加剂（备选）5.2.1光刻胶的组成材料24树脂树脂是一种惰性的聚合物，包括碳、氢、氧的有机高分子。用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚异戊二烯类型。是一种相互粘结的物质－－抗刻蚀的物质，如图所示。双键未聚合的聚合的能量CHCHCHCH(a)(b)××××××××××25正性胶的基本聚合物是苯酚－甲醛聚合物，也称为苯酚－甲醛树脂。如图所示。在光刻胶中聚合物是相对不可溶的，用适当能量的光照后变成可溶状态。这种反应称为光溶解反应邻位（和）26间位（和）34间甲酚甲醛对位（）426固体有机材料（胶膜的主体）转移图形到硅片上UV曝光后发生光化学反应，溶解性质发生改变正胶从不可溶到可溶负胶从可溶到不可溶树脂27感光剂光刻胶中的感光剂是光刻胶材料中的光敏成分。在紫外区，会发生反应。即对光能发生化学反应。如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光的敏感性差，而且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度，而且限制反应光的光谱范围，或者把反应光限制在某一波长的光。控制和或改变光化学反应决定曝光时间和强度2829溶剂光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶剂的目的是光刻胶处于液态，以便使光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶园表面。绝大多数的溶剂在曝光前挥发，对于光刻胶的光化学性质几乎没有影响。•溶解聚合物•经过旋转涂布可得到薄光刻胶膜30添加剂光刻胶中的添加剂通常是专有化学品，成份由制造商开发，但是由于竞争原因不对外公布。主要在光刻胶薄膜中用来改变光刻胶的特定化学性质或光响应特性。如添加染色剂以减少反射。315.3光刻工艺32为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必须进行表面处理，包括三个阶段：微粒清除、脱水和涂底胶。1气相成底膜处理331第一步:微粒清除目的：清除掉晶圆在存储、装载和卸载到片匣过程中吸附到的一些颗粒状污染物。清除方法：1）高压氮气吹除2）化学湿法清洗：酸清洗和烘干。3）旋转刷刷洗4）高压水流喷洗34第二步:脱水烘焙1目的：干燥晶圆表面，使基底表面由亲水性变为憎水性，增加表面粘附性。经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定的水分（亲水性表面），所以必须脱水烘焙使其达到清洁干燥（憎水性表面），以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。保持憎水性表面通常通过下面两种方法：一是保持室内温度在50℃以下，并且在晶园完成前一步工艺之后尽可能快的进行涂胶。另一种方法是把晶园存储在用干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中。亲水性表面憎水性表面35除此之外，一个加热的操作也可以使晶园表面恢复到憎水表面。有三种温度范围：2脱水烘焙的三个温度范围：150℃-200℃，低温蒸发水分；400℃，中温烘烤；750℃，高温烘干。36第三步晶圆涂底胶1用hexamethyldisilazane（HMDS）进行成膜处理(HMDS:六甲基乙硅烷)2.要求：在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺陷的光刻胶膜3光刻胶的厚度：0.5µm-1.5µm；均匀性：±0.01µm372.旋转涂胶（Spin-onPRCoating）成底膜处理后，硅片要立即涂上液相光刻胶材料。常用方法：旋转涂胶法静态涂胶工艺首先把光刻胶通过管道堆积在晶园的中心，堆积量由晶园大小和光刻胶的类型决定，堆积量非常关键，量少了会导致涂胶不均匀，量大了会导致晶园边缘光刻胶的堆积甚至流到背面涂胶铺展旋转真空高转速38光刻胶覆盖光刻胶浇注不充分覆盖完整光刻胶覆盖过多光刻胶旋转后39动态喷洒随着晶园直径越来越大，静态涂胶已不能满足要求，动态喷洒是晶园以500rpm的速度低速旋转，其目的是帮助光刻胶最初的扩散，用这种方法可以用较少量的光刻胶而达到更均匀的光刻胶膜。待扩散后旋转器加速完成最终要求薄而均匀的光刻胶膜。低转速真空高转速40自动旋转器生产上的涂胶机是一个完整的系统，标准的系统配置就是一条流水线：包括晶圆清洗、脱水、涂底胶、涂光刻胶、晶圆的装载装置，软烘焙箱。41旋转涂胶的四个步骤1.分滴：当硅片静止或者旋转的非常慢时，光刻胶被分滴在硅片上2.旋转铺开：快速加速硅片使光刻胶伸展到整个硅片表面3.旋转甩掉：甩掉多于的光刻胶，在硅片上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层。4.溶剂挥发：以固定转速继续旋转涂胶的硅片，直到溶剂挥发，光刻胶胶膜几乎干燥423.软烘（softbaking）因为光刻胶是一种粘稠体，所以涂胶结束后并不能直接进行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。烘焙后的光刻胶仍然保持“软”状态。但和晶园的粘结更加牢固。目的:去除光刻胶中的溶剂。蒸发溶剂的原因：1）溶剂吸收光，干扰了曝光中聚合物的化学反应。2）蒸发溶剂增强光刻胶和晶圆的粘附力。温度在90－100℃－在热板上加热－时间30秒－然后在冷板上降温43时间和温度是软烘焙的参数，不完全的烘焙在曝光过程中造成图像形成不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移；过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应，影响曝光。444.对准和曝光（Alignment）（Exposure）对准是将掩膜版与涂了胶的硅片上的正确位置对准。曝光是对准以后，将掩膜版和硅片曝光，把掩膜版图形转移到涂胶的硅片上。454647亮场掩膜版：掩膜板的图形是由不透光区域组成的。暗场掩膜版：掩膜板的图形是由透光区域组成的。48对准和曝光包括两个系统：一个是要把图形在晶园表面上准确定位的对准系统（不同的对准机类型的对准系统各不相同）；另一个是曝光系统（包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向到晶园表面上的机械装置）。对准系统：对准机的性能指标分辨率：机器产生特定尺寸的能力，分辨率越高越好，机器的性能越好。套准能力：图形准确定位的能力49曝光系统最初曝光设备是接触式光刻机和接近式光刻机，现在基本上不再使用.而今，光刻机已发展成两大类型，即光学光刻机和非光学光刻机，如图所示。光学光刻机采用紫外线作为光源，而非光学光刻机的光源则来自电磁光谱的其他成分。光刻机的种类光学接触式非光学X线射电子束