电子科大《集成电路工艺》第十三章

1第十三章光刻-气相成底膜到软烘微固学院张金平[e-mail]213.1引言本章主要内容：光刻工艺的制造流程光刻胶的性质及分类软烘步骤本章知识要点：掌握光刻的基本概念；掌握光刻胶的特性；掌握光刻工艺的基本流程；了解软烘工艺的意义。3亚微米CMOSIC制造厂典型的硅片流程模型测试/拣选t注入扩散刻蚀抛光光刻完成的硅片无图形的硅片硅片起始薄膜硅片制造前端13.1引言413.1引言5SiO2淀积+光刻胶曝光显影刻蚀去除光刻胶光刻简单过程13.1引言6光刻技术的特点1、光刻是将电路/器件图形转移到半导体的表面形成光刻胶图形；2、光刻是复印图象和化学作用相结合的综合性技术；3、器件的尺寸越小，集成电路的集成度越高，对光刻精度的要求就越高，难度就越大。4、光刻与芯片的价格和性能密切相关。光刻成本占芯片制造成本的近1/3。5、光刻系统主要由对准、曝光、光刻胶和光源组成。13.1引言7•图形工艺–掩膜版–投影掩膜版•关键尺寸•分辨率•套准精度13.1.1光刻的概念84:1投影掩膜版1:1掩膜版投影掩膜版：图形可能仅包含一个管芯，也可能是几个。掩膜版：包含了对于整个硅片来说确定一工艺层所需的完整管芯阵列。13.1.1光刻的概念9光刻胶的三维图形线宽间距ThicknessSubstrate光刻胶13.1.1光刻的概念对光刻的基本要求高分辨率：高灵敏度；低缺陷；精密的套刻对准。关键尺寸（CD）：最小的特征尺寸。CD常用作描述工艺技术节点或称某一代。10分辨率：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。13.1.1光刻的概念UVWavelength(nm)WavelengthNameUVEmissionSource436g-line汞灯405h-line汞灯365i-line汞灯248DeepUV(DUV)汞灯(KrF)准分子激光193DeepUV(DUV)(ArF)准分子激光157VacuumUV(VUV)氟(F2)准分子激光11VisibleRadiowavesMicro-wavesInfraredGammaraysUVX-raysf(Hz)1010101010101010101046810121416221820(m)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUV(nm)CommonUVwavelengthsusedinopticallithography.13.1.1电磁光谱1213.1.1特征尺寸的发展13PMOSFETNMOSFETCrosssectionofCMOSinverterTopviewofCMOSinverter掩膜层决定接下来能进行的工艺精度；光刻胶掩蔽图形为要刻蚀或注入合适的位置、方向和结构尺寸；小尺寸和低容差没有为误差通过很大的空间。13.1.1套准精度光刻要求硅片表面上存在的图案与掩膜版上的图形准确对准，这种特性指标就是套准精度。1413.2光刻工艺1513.2光刻工艺负性光刻－负胶–晶片上图形与掩膜相反–曝光部分发生交联反应，不可溶解，变硬–没有曝光的部分去除正性光刻－正胶–晶片上图形与掩膜相同–曝光部分发生降解反应，可溶解–曝光的部分去除16Ultravioletlight光刻胶的曝光区光刻胶上的阴影在玻璃掩膜版上的铬岛岛被曝光的区域发生交联并变成阻止显影的化学物质光刻胶显影后的最终图形窗口SiliconsubstratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSiliconsubstrate13.2.1负性光刻负性光刻:曝光后的光刻胶因发生交联反应而硬化，留在硅片表面，未曝光的被显影液溶解而去除，留下光刻胶的图形与掩膜版图形相反。17photoresistsiliconsubstrateoxideUltravioletlight光刻胶上的阴影光刻胶的曝光区在玻璃掩膜版上的铬岛SiliconsubstratePhotoresistOxide使光衰弱的被曝光区光刻胶显影后的最终图形窗口Siliconsubstrate岛PhotoresistOxide正性光刻:曝光后的光刻胶被显影液溶解而去除，留下光刻胶的图形与掩膜版图形一致。13.2.2正性光刻18期望印在硅片上的光刻胶结构.窗口Substrate光刻胶岛石英铬岛当使用负胶时，要求掩膜版上图形与想要的结构相反当使用正胶时，要求掩膜版上图形与想要的结构相同13.2.3掩膜版与光刻胶的关系1913.3光刻工艺的步骤20快门版图转换到光刻胶上光源光学系统掩膜板对准系统涂好光刻胶的硅片14.1引言218)显影后检查5)曝光后烘焙6)显影7)坚膜UVLightMask4)对准和曝光Resist2)涂胶3)软烘1)气相成底膜HMDS13.3光刻工艺的８个步骤2213.3光刻工艺的８个步骤1、气相成底膜处理：包括清洁、烘干、气相成底膜(采用六甲基二硅胺烷，HMDS)。增强表面与光刻胶的粘附性；2、涂胶：在待光刻的硅片表面均匀地涂上一层光刻胶。要求粘附良好，均匀；3、软烘(90-100℃)：去除光刻胶中的溶剂，以增强胶膜与硅片表面的粘附性和胶膜的均匀性、耐磨性，更好的线条控制，并使曝光时能进行充分的光化学反应；4、对准和曝光：使掩膜版和硅片对准、聚焦，将掩膜版图形转移到光刻胶。5、曝光后烘焙：进一步去除光刻胶中的溶剂，减小曝光后的驻波效应，引起酸催化的去保护反应(CA)。6、显影：通过显影剂溶解光刻胶中可溶部分。7、坚膜(120-140℃)：使胶膜与硅片间紧密粘附，防止胶层脱落，并增强胶膜本身的抗蚀能力；8、显影后检查：发现错误一定纠正。23光刻轨道系统13.3光刻工艺的８个步骤24硅片传送系统装片台传送台气相成底膜涂胶显影和清洗去边软烘冷板冷板坚膜硅片步进光刻机(对准/曝光系统)自动硅片轨道系统13.3光刻工艺的８个步骤2513.4气相成底膜－VaporPrime26硅片清洗脱水烘焙成底膜成底膜技术浸润液分滴和旋转喷雾分滴和旋转气相成底膜和脱水烘焙(汽化蒸镀）13.4气相成底膜TheFirstStepofPhotolithography:•目的：增强光刻胶与硅片的粘附性•使用材料：六甲基二硅胺烷，HMDS－作为硅片和光刻胶的连接剂27由于表面沾污引起粘附性差掉胶13.4.1硅片清洗沾污会在显影和刻蚀中引起光刻胶的漂移沾污会导致不平坦的光刻胶涂布或在光刻胶中产生针孔2813.4.2脱水烘焙硅片容易吸附潮气到它的表面，亲水性(也称水合作用)；在成底膜和光刻胶旋转涂胶前要进行脱水烘焙，干燥硅片表面；烘焙是充满惰性气体(例如氮气)的烘箱或真空烘箱中完成；脱水烘焙过程被集成在硅片传送系统中。29HMDS的浸润和旋转滴浸润形成旋转硅片去除多余的液体13.4.3硅片成底膜脱水烘焙后，硅片马上要用六甲基二硅胺烷(HMDS)成底膜，它起到提高粘附力的作用HMDS可以用浸泡、喷雾、气相方法来涂。30HMDS的热板脱水和气相成底膜Wafer抽气热板腔盖ProcessSummary:在带有抽气的密闭腔内去湿烘焙Hexamethyldisilazane(HMDS)清洗并干燥硅片表面(hydrophobic)温度~200to250℃时间~30sec.13.4.3硅片成底膜HMDS313213.5旋转涂胶33光刻胶的作用•将掩膜上的图形转移到光刻胶；•在后续工艺中，保护下面的材料（如刻蚀和离子注入）。13.5.1旋转涂胶－光刻胶光刻胶的类型及感光机理光刻胶由树脂、感光剂和溶剂组成；感光剂经过光照会发生光化学反应。按光化学反应的不同，可分为两类：正性光刻胶和负性光刻胶。34负胶晶片上图形与掩膜相反曝光部分发生交联反应，不可溶解，变硬没有曝光的部分去除13.5.1旋转涂胶－负胶与正胶负性光刻胶－负胶原始光刻胶膜可被某些溶剂溶解；适当波长的光照射后发生聚合或交联反应，聚合为不可溶物质；显影过程不包括化学反应，显影后负相的掩膜图形形成于光刻胶上。35正胶晶片上图形与掩膜相同曝光部分发生降解反应，可溶解曝光的部分去除正性光刻胶－正胶原始光刻胶膜不能被某些溶剂溶解；受适当波长的光照射后，发生光分解反应，分解为可溶性物质；显影后，正相的掩膜图形形成于光刻胶上；显影过程包括化学反应，未经感光的光刻胶仍然保持它在紫外光照射下发生光分解反应的活性，因此此类光刻胶在光刻工艺中能够多次曝光。13.5.1旋转涂胶－负胶与正胶36Figure2负胶显影后的图形负胶(显影液渗透到光刻胶中引起膨胀)正胶13.5.1旋转涂胶－负胶与正胶37分辨率－Resolution对比度－Contrast敏感度－Sensitivity粘滞性－Viscosity粘附性－Adhesion抗蚀性－Etchresistance13.5.2光刻胶的物理特性38分辨率是区分Si片表面上两个或更多邻近图形的能力。分辨率是表征光刻精度的标志之一，不仅与光刻胶本身有关，也与光刻工艺条件和操作技术有关。分辨率通常以每毫米最多可容纳的线条对数来表示（线宽+线条间距），若线宽和线条间距均为L，则分辨率R为：线条越细，分辨率R越高。衍射现象将限制分辨率R。11()2RmmL13.5.2分辨率39差的光刻胶的对比度Slopedwalls（斜坡墙）Swelling（膨胀）Poorcontrast（差的对比度）ResistFilm好的光刻胶的对比度Sharpwalls（陡直墙）Noswelling（无膨胀）Goodcontrast（好的对比度）ResistFilm13.5.2对比度对比度指的是光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度。40灵敏度是表征光刻胶对光的敏感度的性能指标，可用曝光时产生一个良好图形使光刻胶发生充分光化学反应所需的最小曝光量的倒数表示：其中，I为照射光的强度，t为曝光时间，k为比例常数。对于不同波长的光，光刻胶的敏感程度不同，在某一波长下，其灵敏度最大；每种光刻胶都有一定的光谱吸收范围。因此灵敏度与光刻胶的光谱响应及所用光源的光谱成分密切相关。确定使用的光刻胶类型后，应寻找合适的光源进行曝光。kSIt13.5.2敏感度（灵敏度）41影响灵敏度的因素（a）光刻胶的成分感光性官能团种类与含量、增感剂浓度等。（b）工艺条件光刻胶干燥程度、光刻胶膜厚度等。13.5.2灵敏度42粘滞性对于液体光刻胶来说，描述其流动特性的定量指标。粘附性光刻胶膜与衬底的粘附的牢固程度直接影响到光刻精度（如显影时几何尺寸是否发生变化、腐蚀时是否会发生浮胶和钻蚀现象等）。光刻胶与衬底间粘附性与光刻胶本身的性质、衬底的性质和表面状况等均有关。抗蚀性指光刻胶耐酸碱化学腐蚀液及等离子腐蚀的能力。对于负性胶，橡胶系光刻胶性能较优，而正性胶抗湿法腐蚀能力较差；干法等离子腐蚀中，正性胶的性能较优，如AZ1350j胶有较高的选择比，而包括OMR-83胶等在内的负胶性能不如前者。13.5.2其他特性43可见光无线电波微波红外线GammaraysUVX-raysf(Hz)1010101010101010101046810121416221820(m)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUV(nm)在光学光刻中常用的UV波长高的分辨率需要将曝光波长减小到与CD几乎一样大小UVWavelength(nm)WavelengthNameUVEmissionSource436g-line汞灯405h-line汞灯365i-line汞灯248DeepUV(DUV)汞灯(KrF)准分子激光193DeepUV(DUV)(ArF)准分子激光157VacuumUV(VUV)氟(F2)准分子激光13.5.3传统I线光刻胶44I线（波长356nm）光刻胶适用于0.35μm及以上技术（I线光刻胶