半導(dǎo)體制造技術(shù)-光刻

1、半導(dǎo)體制造技術(shù)半導(dǎo)體制造技術(shù) 光刻 3 4 5 光刻：使用光敏光刻膠材料和可控制的曝光 在硅片表面形成三維圖形，包括：照相、制 版、掩膜、圖形生成。也就是將圖形轉(zhuǎn)移到 一個(gè)平面的復(fù)制過程。 光刻是IC制造中最關(guān)鍵的步驟，處于中心地 位，占成本約1/3。 6 7 掩膜版（投影）：包含要在硅片上重復(fù)生成 的圖形。 光譜：光譜能量要能夠激活光刻膠 9 10 光刻（lithography）技術(shù)的特點(diǎn) 1、光刻是一種表面加工技術(shù)； 2、光刻是復(fù)印圖象和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的綜合性 技術(shù)； 3、器件的尺寸越小，集成電路的集成度越高， 對(duì)光刻精度的要求就越高，難度就越大。 對(duì)光刻的基本要求 高的圖形分辨率（res

2、olution) 分辨率：將硅片上兩個(gè)鄰近特征圖形區(qū)分開的能力特 征尺寸、關(guān)鍵尺寸（曝光的波長減小到CD同樣大?。?高靈敏度(sensitivity)； 低缺陷(defect)； 精密的套刻對(duì)準(zhǔn)（alignment and overlay) 套準(zhǔn)精度：硅片上的圖案與掩膜版上的圖案精確對(duì)準(zhǔn) 高工藝寬容度 工藝寬容度：光刻始終如一處理特定要求產(chǎn)品的能力 12 13 光刻膠 負(fù)膠： 晶片上圖形與掩膜相反 曝光部分發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，不可溶解，變硬 沒有曝光的部分去除 正膠: 晶片上圖形與掩膜相同 曝光部分發(fā)生降解反應(yīng)，可溶解 曝光的部分去除 負(fù)膠負(fù)膠 Negative Optical resist 負(fù)膠的

3、光學(xué)性能是從可負(fù)膠的光學(xué)性能是從可 溶解性到不溶解性。溶解性到不溶解性。 負(fù)膠在曝光后發(fā)生負(fù)膠在曝光后發(fā)生交鏈交鏈 作用作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在 顯影液中很少被溶解，顯影液中很少被溶解， 而未被曝光的部分充分而未被曝光的部分充分 溶解。溶解。 正膠正膠Positive Optical Resist v正膠的光化學(xué)性質(zhì)是從正膠的光化學(xué)性質(zhì)是從 抗溶解到可溶性。抗溶解到可溶性。 v正膠曝光后顯影時(shí)感光正膠曝光后顯影時(shí)感光 的膠層溶解了。的膠層溶解了。 v現(xiàn)有現(xiàn)有VLSI工藝都采用正工藝都采用正 膠膠 16 負(fù)膠 正膠 （a）亮場掩膜版和負(fù) 膠組合 圖形尺寸變小 （b）暗場掩膜版和正 膠

4、組合 圖形尺寸變大 晶圓 晶圓 非聚合光刻膠 聚合光刻膠 (a) (b) 18 正膠和負(fù)膠的比較 在工藝發(fā)展的早期，負(fù)膠一直在光刻工藝 中占主導(dǎo)地位，隨著VLSI IC和25微米圖形 尺寸的出現(xiàn)，負(fù)膠已不能滿足要求。隨后出現(xiàn) 了正膠，但正膠的缺點(diǎn)是粘結(jié)能力差。 用正膠需要改變掩膜版的極性，這并不是 簡單的圖形翻轉(zhuǎn)。因?yàn)橛醚谀ぐ婧蛢煞N不同光 刻膠結(jié)合，在晶園表面光刻得到的尺寸是不一 樣的（見下圖）由于光在圖形周圍的衍射效應(yīng)， 使得用負(fù)膠和亮場掩膜版組合在光刻膠層上得 到的圖形尺寸要比掩膜版上的圖形尺寸小。用 正膠和暗場掩膜版組合會(huì)使光刻膠層上的圖形 尺寸變大。 正膠成本比負(fù)膠高，但良品率高； 負(fù)

5、膠所用的顯影劑容易得到，顯影過程中圖形 尺寸相對(duì)穩(wěn)定。 對(duì)于要求高的制作工藝選擇正膠，而對(duì)于那些 圖形尺寸大于2微米的工藝還是選擇負(fù)膠。圖 8.21顯示了兩種類型光刻膠屬性的比較。 參數(shù) 負(fù)膠 正膠 縱橫比（分辨力）更高 黏結(jié)力更好 曝光速度更快 針孔數(shù)量更少 階梯覆蓋度更好 成本更高 顯影液有機(jī)溶劑水溶性溶劑 光刻膠去除劑 氧化工步 酸酸 金屬工步氯化溶劑化合物普通酸溶劑 21 光刻工藝8步驟 22 23 24 1、氣相成底膜 目的：增強(qiáng)光刻膠與硅片的粘附性 步驟： 清洗， 脫水， 硅片表面成底膜處理。 1.分滴：當(dāng)硅片靜止或者旋轉(zhuǎn)的非常慢時(shí)，光刻膠 被分滴在硅片上 2.旋轉(zhuǎn)鋪開：快速加速硅

6、片使光刻膠伸展到整個(gè)硅 片表面 3.旋轉(zhuǎn)甩掉：甩掉多于的光刻膠，在硅片上得到均 勻的光刻膠膠膜覆蓋層。 4.溶劑揮發(fā)：以固定轉(zhuǎn)速繼續(xù)旋轉(zhuǎn)涂膠的硅片，直 到溶劑揮發(fā)，光刻膠膠膜幾乎干燥 2.旋轉(zhuǎn)涂膠（Spin-on PR Coating） 26 3. 軟烘（soft baking） 因?yàn)楣饪棠z是一種粘稠體，所以涂膠結(jié)束后并不能 直接進(jìn)行曝光，必須經(jīng)過烘焙，使光刻膠中的溶劑 蒸發(fā)。烘焙后的光刻膠仍然保持“軟”狀態(tài)。但和 晶圓的粘結(jié)更加牢固。 目的:去除光刻膠中的溶劑。 蒸發(fā)溶劑的原因： 1）溶劑吸收光，干擾了曝光中聚合物的化學(xué)反應(yīng)。 2）蒸發(fā)溶劑增強(qiáng)光刻膠和晶圓的粘附力。 時(shí)間和溫度是軟烘的參數(shù)。

7、 不完全的烘焙在曝光過程中造成圖像形成不完整和 在刻蝕過程中造成多余的光刻膠漂移； 過分烘焙會(huì)造成光刻膠中的聚合物產(chǎn)生聚合反應(yīng)， 并且不與曝光射線反應(yīng)，影響曝光。 29 軟烘特點(diǎn): 增強(qiáng)光刻膠與硅片的粘附性 促進(jìn)光刻膠的均勻性 提高線寬控制 典型烘焙溫度 90 to 100C For About 30 Seconds 在熱板上 隨后在冷板上降溫 4.對(duì)準(zhǔn)和曝光（Alignment） （Exposure ） 對(duì)準(zhǔn)是將掩膜版與與前道工序中已刻在硅片上 的圖形對(duì)準(zhǔn) 曝光是對(duì)準(zhǔn)以后，將掩膜版和硅片曝光，把掩 膜版圖形轉(zhuǎn)移到涂膠的硅片上,實(shí)現(xiàn)圖形復(fù)制。 對(duì)準(zhǔn)和曝光對(duì)準(zhǔn)和曝光 對(duì)準(zhǔn)是把所需圖形在晶園表面上

8、定位或?qū)?準(zhǔn)。而曝光是通過曝光燈或其他輻射源將圖形 轉(zhuǎn)移到光刻膠涂層上。如果說光刻膠是光刻工 藝的“材料”核心，那么對(duì)準(zhǔn)和曝光則是該工 藝的“設(shè)備”核心。圖形的準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)是保證器 件和電路正常工作的決定性因素之一。 對(duì)準(zhǔn)和曝光包括兩個(gè)系統(tǒng)：一個(gè)是要把圖 形在晶園表面上準(zhǔn)確定位（不同的對(duì)準(zhǔn)機(jī)類型 的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)各不相同）；另一個(gè)是曝光系統(tǒng) （包括一個(gè)曝光光源和一個(gè)將輻射光線導(dǎo)向到 晶園表面上的機(jī)械裝置）。 對(duì)準(zhǔn) 對(duì)準(zhǔn)就是確定硅片上圖形的位置、方向和圖形轉(zhuǎn) 換的過程。 對(duì)準(zhǔn)過程的結(jié)果，或者每個(gè)連續(xù)的圖形與先前層 匹配的精度，被稱做套準(zhǔn)。 套準(zhǔn)精度是測量對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)把版圖套準(zhǔn)到硅片上圖 形的能力。套準(zhǔn)容差描述

9、要形成的圖形層和前層 的最大相對(duì)位移。一般套準(zhǔn)容差是關(guān)鍵尺寸的三 分之一。 衍射給光刻帶來的問題 投影掩膜板上有小的清晰圖形并且間距很窄。曝 光時(shí)，光必須通過這些圖形。衍射圖樣奪走了曝 光能量，并使光發(fā)散，導(dǎo)致光刻膠上不需要曝光 的地方被曝光。 由衍射引起的干涉圖樣使小接觸孔和小線條很難 被光刻。 分辨率 光刻中，分辨率被定義為清晰分辨出硅片上間隔 很近的特征圖形對(duì)的能力。分辨率對(duì)于任何光學(xué) 系統(tǒng)都是一個(gè)重要的參數(shù)。 分辨率 光刻中，分辨率被定義為清晰分辨出硅片上間隔 很近的特征圖形對(duì)的能力。分辨率對(duì)于任何光學(xué) 系統(tǒng)都是一個(gè)重要的參數(shù)。 37 5、曝光后烘焙 對(duì)深紫外線曝光是必須的 典型溫度

10、100 to 110C (熱板) 曝光后馬上進(jìn)行 現(xiàn)在成為實(shí)際標(biāo)準(zhǔn) 顯影液溶解部分光刻膠 將掩膜上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上 6. 顯影（Development） 三個(gè)基本步驟: 顯影清洗干燥 39 7、堅(jiān)膜烘焙 顯影后熱烘 揮發(fā)殘留溶劑 提高膠和硅片粘附性 比軟烘溫度高些 (120 to 140C) 40 8、顯影后檢查 確定圖形質(zhì)量 確定質(zhì)量問題 (缺陷) 描述光刻工藝能滿足要求 防止缺陷傳遞下去 Etch Implant 有缺陷可以去除光刻膠或返工 典型的方法：自動(dòng)檢查，“檢查工作站” 41 光刻膠的物理特性： 1、分辨率區(qū)別硅片表面兩個(gè)或更多鄰近特征圖 形的能力 2、對(duì)比度光刻膠上從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過渡的 陡度 3、敏感度光刻膠產(chǎn)生一個(gè)良好圖形所需一定波 長光的最小能量值 4、粘滯性描述液體光刻膠的流動(dòng)特性 5、粘附性光刻膠粘附于襯底的強(qiáng)度 42 光刻膠的物理特性： 6、抗蝕性保持粘附性，并在后續(xù)刻蝕工藝中保 護(hù)襯底表面 7、表面張力液體中將表面分子拉向液體主體內(nèi) 的分子間吸引力 8、存儲(chǔ)和傳送保存期限和溫度環(huán)境，傳送時(shí)避 免沾污、揮發(fā)和暴露在大氣中 9、沾污和顆粒光刻膠純度（可動(dòng)離子沾污和顆 粒）-過濾 43 44 光刻膠質(zhì)量測量 1、光刻膠粘附性：光刻膠去濕