soc工藝課件 ch9光刻工藝

1、P1 微電子制造工藝概論 第9章 光刻工藝 P2 9.1 概述 9.2 基本光刻工藝流程 9.3 光刻技術(shù)中的常見問題 本章主要內(nèi)容 P3 IC產(chǎn)品的發(fā)展趨勢：產(chǎn)品的發(fā)展趨勢： 大尺寸、細(xì)線寬、高精度、高效率、低成本； 光刻技術(shù)在每一代集成電路中扮演技術(shù)先導(dǎo)的角色，光刻 成本占據(jù)整個(gè)技術(shù)成本的35%； IC對光刻技術(shù)的要求對光刻技術(shù)的要求 高分辨率：加工線條越精細(xì)，要求光刻圖形分辨率越高； 高靈敏度的光刻膠：曝光時(shí)間越短，需要靈敏度越高； 低缺陷：光刻中引入缺陷，影響成品率； 精密的套刻精度：套刻精度小于線寬的 10%； 對大尺寸硅片的加工：大尺寸硅片同時(shí)制作很多芯片，滿 足前述要求難度很大；

2、 P4 9.1概述 光刻光刻(photo lithography)就是將掩模版（光刻版）上 的幾何圖形轉(zhuǎn)移到覆蓋在半導(dǎo)體襯底表面的對光輻 照敏感薄膜材料（光刻膠）上去的工藝過程 。 光刻系統(tǒng)的主要指標(biāo)包括：分辨率R（resolution）、 焦深DOF（Depth of Focus）、對比度（CON）、特 征線寬控制CD（Critical Dimension）、對準(zhǔn)和套刻 精度（Alignment and Overlay）、產(chǎn)率（Throughout） 以及價(jià)格。 P5 9.1概述分辨率 分辨率分辨率是指一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)精確區(qū)分目標(biāo)的能力。最小分 辨率指光刻系統(tǒng)所能分辨和加工的最小線條尺寸。 分辨

3、率是決定光刻系統(tǒng)最重要的指標(biāo)，能分辨的線寬越 小，分辨率越高。其由瑞利定律決定： k1是分辨率系數(shù)，一般為0.60.8；為光刻的波長；NA為 光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑（Numerical Aperature），一般為 0.160.9。 提高分辨率：NA，k1，優(yōu)化設(shè)計(jì)（分辨率增強(qiáng)技 術(shù)）； NA kR 1 P6 不同光源對應(yīng)的技術(shù)參數(shù)不同光源對應(yīng)的技術(shù)參數(shù) 光源波長術(shù)語k1NA技術(shù)節(jié)點(diǎn) 汞燈436g線0.80.150.450.5mm 汞燈365i線0.60.350.600.5/0.35mm KrF(激光)248DUV0.30.40.350.820.25/0.13mm ArF (激光)193193DU

4、V0.30.40.600.9390/6532nm F2 (激光)157VUV0.20.40.850.93 等離子體13.5EUV0.740.250.722/18nm 9.1概述分辨率 P7 (0.3um) (0.25um) (0.4um) (0.5um) 最常用的兩種光源最常用的兩種光源 汞燈:高亮度、高可靠性；但在深紫外及 以下波長發(fā)射效率較低。 G線436nm（0.5um）； H線405nm（0.4um）； I線365nm（0.35um）； 深紫外線DUV248nm（0.25um）。 準(zhǔn)分子激光：一種激光光源，準(zhǔn)分子是 不穩(wěn)定分子，由惰性氣體原子和鹵素構(gòu) 成。 KrF（氟化氪 ）準(zhǔn)分子激光

5、器 248nm(0.25um)； ArF（氟化氬）準(zhǔn)分子激光器 193nm(0.18um)； F2（氟）準(zhǔn)分子激光器157nm(0.15um)。 9.1概述分辨率 P8 9.1概述分辨率 P9 Pattern dependent k1 can be reduced by up to 30 % 9.1概述分辨率 P10 Mask design and resist process nmk1 4360.8 3650.6 2480.3-0.4 1930.3-0.4 Contrast 436,365nm: =2-3, (Qf/Q02.5) 248,193nm: =5-10 (Qf/Q01.3) 9.1

6、概述分辨率 P11 3、增加、增加 NA（浸入式技術(shù)）（浸入式技術(shù)） Lens fabrication nmNA 4360.15-0.45 3650.35-0.60 2480.35-0.82 1930.60-0.93 a an H2O 浸入式光刻浸入式光刻 NA=nsina nH2O=1.44 NA1.36 9.1概述分辨率 N為透鏡周圍介質(zhì)的折射率，是透鏡的半接收角。 去離子水折射率為1.44。 P12 9.1概述光刻分辨率 光刻分辨率：光刻分辨率：光刻工藝得到的光刻膠圖形能分辨線 條的最小線寬L，也可用單位尺寸能分辨的線條數(shù) 表示，即R=1/2L (mm-1)； 存在物理極限，由衍射決定：

7、 L/2, Rmax 1/ L L P13 由量子理論的海森堡不確定關(guān)系式可得出離子的束光刻 極限：Lph； h為普朗克常數(shù)； p為離子動量不確定值；動量最大變 化值從-p到+p，則有： L h/2p； L為就是線寬，最高分辨率： Rmax=1/2Lp/h； 對于光子，p=h/，則L /2； 理論最高分辨率：Rmax 1/ ； 根據(jù)粒子的波動性，p=mv；E=mv2/2，則p=h/=2mE Lh/22mE 粒子質(zhì)量越大，L越小，分辨率越高； 動能越大，L越小，分辨率越高。 9.1概述光刻分辨率 P14 9.1概述焦深(DOF) 焦深焦深是一定工藝條件下，能刻出最小線寬時(shí)像面偏離理想焦 面的范圍

8、。焦深越大，對光刻圖形制作越有利。 焦深與特征尺寸的變化范圍，曝光劑量變化范圍，以及要求 最后光刻膠傾斜角度、光刻膠損失等技術(shù)參數(shù)有關(guān)。 在IC技術(shù)中，焦深只有1mm，甚至更小。 2 2 )/(NAkDOF 焦深焦深焦平面焦平面 光刻膠光刻膠 P15 minmax minmax CON II II 9.1概述對比度 對比度對比度是評價(jià)成像質(zhì)量的重要指標(biāo)。一般要求CON0.5與尺寸 有關(guān)。 P16 9.2基本光刻工藝流程 一般的光刻工藝要經(jīng)歷：底膜處理、涂膠、前烘、曝 光、顯影、堅(jiān)膜、刻蝕、去膠、檢驗(yàn)工序。 P17 9.2.1底膜處理 光刻膠絕大多數(shù)是疏水的，而晶片表面的羥基和殘留的 水分子是親

9、水的，若直接涂膠的話，會造成光刻膠和晶 片的粘合性較差。底膜處理是其主要目的是對硅襯底表 面進(jìn)行處理，以增強(qiáng)襯底與光刻膠之間的黏附性。 底膜處理包括以下過程： 清洗：使硅片表面潔凈、干燥，襯底表面與光刻膠才能形成良 好接觸； 烘干：襯底表面烘烤干燥，增強(qiáng)光刻膠的黏附性； 增黏處理：在襯底和光刻膠之間涂一層增黏劑（如六甲基乙硅 氮烷HDMS。HDMS可以去掉SiO2表面的OH基。通過加溫反應(yīng) 生成以硅氧烷為主的化合物(表面活性劑)，能夠?qū)⒐杵砻嬗?親水變?yōu)槭杷涫杷珊芎玫嘏c光刻膠結(jié)合，起到耦合的 作用。顯影過程中，由于增強(qiáng)了光刻膠與襯底的粘附力，從而 有效地抑制刻蝕液進(jìn)入掩膜與基底的側(cè)向

10、刻蝕。 P18 HMDS與SiO2表面鍵合示意圖 小角度接觸高表面能小角度接觸高表面能 大角度接觸低表面能大角度接觸低表面能 膠 膠 9.2.1底膜處理 P19 9.2.2涂膠 在硅片表面涂敷的光刻膠應(yīng)厚度均勻、附著性 強(qiáng)、沒有缺陷。 涂膠工藝步驟： 將光刻膠溶液噴灑到硅片表面上； 加速旋轉(zhuǎn)托盤，直至達(dá)到需要的旋轉(zhuǎn)速度； 達(dá)到所需的旋轉(zhuǎn)速度后，保持一定時(shí)間的旋轉(zhuǎn)。 去除邊圈:旋轉(zhuǎn)過程中，由于離心力光刻膠向硅片邊緣 流動并流到背面。 衡量涂敷質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)：光刻膠厚度、均勻度。 影響涂敷質(zhì)量的因素：轉(zhuǎn)速、光刻膠粘滯度、光刻膠量、 溫度、濕度等。 P20 涂膠工藝示意圖涂膠工藝示意圖 30006000

11、 rpm，0.51 m mm 9.2.1底膜處理 P21 9.2.3前烘 涂膠完成后，仍有一定量的溶劑殘存在膠膜內(nèi)，通過在較 高溫度下進(jìn)行烘焙（軟烘），可以使溶劑從光刻膠內(nèi)揮發(fā) 出來。 前烘就是在一定溫度下，使光刻膠里面的溶劑充分溢出， 使光刻膠膜干燥，目的是增加光刻膠與襯底間的黏附性， 增強(qiáng)膠膜的光吸收和抗腐蝕能力，以及緩和涂膠過程中膠 膜內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力等。 前烘的方法：熱平板傳導(dǎo)；紅外線輻射；干燥循環(huán)熱風(fēng)。 前烘的條件：80-110烘510分鐘，再在冷板上進(jìn)行降溫。 P22 9.2.4曝光 曝光是使光刻掩模版與涂上光刻膠的襯底對準(zhǔn)，用光源 經(jīng)過光刻掩膜版照射襯底，使接受到光照的光刻膠的 光學(xué)

12、特性發(fā)生變化。 曝光光源的選擇 波長：較短的波長可獲得較小尺寸的分辨率； 兩種紫外光源：汞燈和準(zhǔn)分子激光； 對準(zhǔn) 對準(zhǔn)標(biāo)記：置于投影掩膜版和硅片上用來確定它們 位置和方向的可見圖形標(biāo)記。 套準(zhǔn)精度：測量對準(zhǔn)系統(tǒng)把版圖套準(zhǔn)到硅片上圖形 的能力； 套準(zhǔn)容差：形成圖形層與前層的最大相對位移。 曝光后烘烤曝光后烘烤 目的：利用烘烤產(chǎn)生的熱能，促使原本按不同干涉狀況分布的分 解與未分解感光化合物在光刻膠曝光與非曝光臨界處重新分布， 達(dá)到平衡。消除駐波效應(yīng)。 P23 簡單的光學(xué)系統(tǒng)曝光圖 9.2.4曝光 P24 9.2.5顯影 顯影是用化學(xué)顯影液溶解由曝光造成的光刻膠的可溶解區(qū) 域。正膠的曝光區(qū)和負(fù)膠的非

13、曝光區(qū)的光刻膠在顯影液中 溶解，而正膠的非曝光區(qū)和負(fù)膠的曝光區(qū)的光刻膠則不會 在顯影液中溶解。 影響顯影的主要因素： 曝光時(shí)間； 前烘的溫度和時(shí)間； 光刻膠的厚膜； 顯影液的濃度； 顯影的溫度； 顯影液的攪動情況； 正膠顯影的方法： 浸泡式：成本較低，速度快。但顯影均勻度較差，易受污染。 單片噴灑式：改善污染。但均勻度改善不大，且顯影液用量大。 單片噴灑靜置式：改善污染。均勻度好，且顯影液用量小。 P25 9.2.6堅(jiān)膜 堅(jiān)膜也叫后烘，是為了去除由于顯影液的浸泡引起的膠 膜軟化、溶脹現(xiàn)象，能使膠膜附著能力增強(qiáng)，抗腐蝕能 力提高。 堅(jiān)膜溫度要高于前烘和曝光后烘烤溫度，較高的堅(jiān)膜溫 度可使堅(jiān)膜后光

14、刻膠中的溶劑含量更少，但增加了去膠 時(shí)的困難。且光刻膠內(nèi)部拉伸應(yīng)力的增加會使光刻膠的 附著性下降，因此必須適當(dāng)?shù)目刂茍?jiān)膜溫度 。 堅(jiān)膜條件：100140C下，烘烤1030分鐘。 P26 9.2.7 顯影檢驗(yàn) 顯影檢驗(yàn)的目的是區(qū)分那些有很低可能性通過最終掩膜 檢驗(yàn)的襯底，提供工藝性能和工藝控制數(shù)據(jù)，以及分揀 出需要重新做的襯底。 檢測的內(nèi)容： 掩膜版選用是否正確； 光刻膠質(zhì)量是否滿足要求 （針孔、小島，劃傷等）； 圖形的質(zhì)量（邊界、圖形尺寸、線寬） 套對精度是否滿足要求； 鉆蝕鉆蝕 針孔、小島、劃傷針孔、小島、劃傷 P27 9.2.8刻蝕 刻蝕是將光刻膠上的圖形進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到光刻膠 下層的材料上。

15、 刻蝕是將涂膠前所淀積的薄膜中沒有被光刻膠 覆蓋和保護(hù)的那部分去除掉，達(dá)到將光刻膠上 的圖形轉(zhuǎn)移到材料上的目的。 光刻膠下層薄膜可能是SiO2、Al、poly-Si等薄 膜。 P28 9.2.9去膠 刻蝕完成后，光刻膠已經(jīng)不再有用，需要將其徹底去 除，完成這一步的工序就是去膠。 去膠分別濕法去膠和干法去膠，濕法去膠又分為有機(jī) 溶液去膠和無機(jī)溶液去膠。 濕法去膠，用溶劑、用濃硫酸 98%H2SO4+H2O2+膠 CO+CO2+H2O 氧氣加熱去膠 O2+膠 CO+CO2+H2O 等離子去膠 P29 9.2.10 最終檢驗(yàn) 在基本的光刻工藝過程中，最終步驟是檢驗(yàn)。 襯底在入射白光或紫外光下首先接受

16、表面目檢， 以檢查污點(diǎn)和大的微粒污染。之后是顯微鏡檢 驗(yàn)或自動檢驗(yàn)來檢驗(yàn)缺陷和圖案變形。 檢查手段： 顯微鏡目檢； 線寬控制； 對準(zhǔn)檢查； P30 正膠涂布顯影工藝： 底膜處理底膜處理旋轉(zhuǎn)涂膠旋轉(zhuǎn)涂膠 曝光后烘烤曝光后烘烤顯影顯影堅(jiān)膜堅(jiān)膜曝光曝光 軟烤軟烤( (前烘前烘) ) 增強(qiáng)附著力光刻膠厚度、均勻度 移去膠內(nèi)殘余溶劑。 緩和旋轉(zhuǎn)中帶來的膠膜內(nèi)應(yīng)力。 增強(qiáng)附著力 對準(zhǔn)標(biāo)記 線寬分辨率、 套準(zhǔn)精度、 顆粒和缺陷。 消除駐波效應(yīng) 溫度均勻性、持續(xù)時(shí)間 去除不 需要光 刻膠 使光刻膠變硬 除去剩余的顯影液及水 提高粘附性 9.2基本光刻工藝流程 P31 9.3光刻技術(shù)中的常見問題 半導(dǎo)體器件和集

17、成電路的制造對光刻質(zhì)量有如下要求: 一是刻蝕的圖形完整，尺寸準(zhǔn)確，邊緣整齊陡直； 二是圖形內(nèi)沒有針孔； 三是圖形外沒有殘留的被腐蝕物質(zhì)。 同時(shí)要求圖形套刻準(zhǔn)確，無污染等等。但在光刻過程 中，常出現(xiàn)浮膠、毛刺、鉆蝕、針孔和小島等缺陷。 P32 9.3.1 浮膠 浮膠浮膠就是在顯影和腐蝕過程中，由于化學(xué)試 劑不斷侵入光刻膠膜與SiO2或其它薄膜間的 界面，所引起的光刻膠圖形膠膜皺起或剝落 的現(xiàn)象。 P33 9.3.1 浮膠 顯影時(shí)產(chǎn)生浮膠的原因有：顯影時(shí)產(chǎn)生浮膠的原因有： 涂膠前基片表面沾有油污，水汽，使膠膜與基片表面粘附 不牢。 光刻膠配制有誤或膠液陳舊，不純，膠的光化學(xué)反應(yīng)性能 不好，與基片表

18、面粘附能力差，或者膠膜過厚，收縮膨脹不 均，引起粘附不良。 烘焙時(shí)間不足或過度。 曝光不足。 顯影時(shí)間過長，使膠膜軟化。 腐蝕時(shí)產(chǎn)生浮膠的原因：腐蝕時(shí)產(chǎn)生浮膠的原因： 堅(jiān)膜時(shí)膠膜沒有烘透，膜不堅(jiān)固。 腐蝕液配方不當(dāng)。例如，腐蝕SiO2的氟化氫緩沖腐蝕液中， 氟化銨太少，化學(xué)活潑性太強(qiáng)。 腐蝕溫度太低或太高。 P34 9.3.2 毛刺和鉆蝕 腐蝕時(shí)，如果腐蝕液滲透光刻膠膜的邊緣，會使 圖形邊緣受到腐蝕，從而破壞掩蔽擴(kuò)散的氧化層或 鋁條的完整性。 若滲透腐蝕較輕，圖形邊緣出現(xiàn)針狀的局部破壞， 習(xí)慣上就稱為毛刺； 若腐蝕嚴(yán)重，圖形邊緣出現(xiàn)“鋸齒狀”或“繡花 球”樣的破壞，就稱它為鉆蝕。 當(dāng)SiO2等

19、掩蔽膜窗口存在毛刺和鉆蝕時(shí)，擴(kuò)散后 結(jié)面就很不平整，影響結(jié)特性，甚至造成短路。同 時(shí)，光刻的分辨率和器件的穩(wěn)定性、可靠性也會變 壞。 P35 9.3.2 毛刺和鉆蝕 產(chǎn)生毛刺和鉆蝕的原因有：產(chǎn)生毛刺和鉆蝕的原因有： 基片表面存在污物，油垢，小顆?；蛭剿?，使光刻膠 與氧化層枯附不良，引起毛刺或局部鉆蝕。 氧化層表面存在磷硅玻璃，與光刻膠粘附不好，耐腐蝕性 能差，引起鉆蝕。 光刻膠過濾不好，存在顆粒狀物質(zhì)，造成局部粘附不良。 對于光硬化型光刻膠，曝光不足，顯影時(shí)產(chǎn)生溶鉆，腐蝕 時(shí)造成毛刺或鉆蝕。 顯影時(shí)間過長，圖形邊緣發(fā)生溶鉆，腐蝕時(shí)造成鉆蝕。 掩模圖形的黑區(qū)邊緣有毛刺狀缺陷。 P36 9.3.3 針孔 在氧化層上，除了需要刻蝕的窗口外，在 其它區(qū)域也可能產(chǎn)生大小一般在13微米的細(xì) 小孔洞。這些孔洞，在光刻工藝中稱為針孔。 針孔的存在，將使氧化層不能有效地起到 掩蔽的作用。在器件生產(chǎn)中，尤其在集成電 路和大功率器件生產(chǎn)中，針孔是影響成品率 的主要因素之一。 P37 9.3.3 針孔 針孔產(chǎn)生的原因有：針孔產(chǎn)生的原因有： 氧化硅(或其它)薄膜表面有外來顆粒(如硅渣、石英屑、灰塵等)或 膠膜與基片