光刻工藝流程及未來發(fā)展方向

1、 集成電路制造工藝 光刻工藝流程 張少軍 陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院 電子 * 班 24 號 710300 摘要： 摘要：光刻 (photoetching) 是通過一系列生產(chǎn)步驟將晶圓外表 薄膜的特定局部除去 的工藝，在此之后，晶圓外表會留下帶有微圖形結(jié)構(gòu)的薄膜。被除去的 局部可能形狀是薄膜 內(nèi)的孔或是殘留的島狀局部。 關(guān)鍵詞：光刻膠；曝光；烘焙；顯影；前景 Abstract: photoetching lithography (is) through a series of steps will produce wafer surface film of certain part

2、s of the process, remove after this, wafer surface will stay with the film structure. The part can be eliminated within the aperture shape is thin film or residual island. Keywords: the photoresist, Exposure; Bake; Enhancement; prospects 根本光刻工藝流程 1 根本光刻工藝流程從外表準(zhǔn)備到曝光 1.1 光刻十步法 外表準(zhǔn)備涂光刻膠軟烘焙對準(zhǔn)和曝光顯影硬烘焙顯影目

3、 測刻蝕光刻膠去 除最終目檢。 1.2 根本的光刻膠化學(xué)物理屬性 1.2.1 組成 聚合物 +溶劑 +感光劑 +添加劑 , 普通應(yīng)用的光刻膠被設(shè)計成 與紫外線和激光反響， 它們稱為光 學(xué)光刻膠( optical resist )，還 有其它光刻膠可以與 X 射線或者電子束反響。 負(fù)膠：聚合物曝光后 會由非聚合態(tài)變?yōu)榫酆蠣顟B(tài)， 形成一種互相粘結(jié)的物質(zhì)， 抗刻蝕的， 大 多數(shù)負(fù)膠里面的聚合物是聚異戊二烯類型的， 早期是基于橡膠型的聚合 物。 正膠：其根本聚合物是苯酚 - 甲醛聚合物，也稱為苯酚 - 甲醛 Novolak 樹脂，聚合物是相對 不可溶的，在用適當(dāng)?shù)墓饽芰科毓夂螅?光刻膠轉(zhuǎn)變成可溶狀態(tài)。

4、 第 1 頁 /共 9 頁 集成電路制造工藝 1.2.2 光刻膠的表現(xiàn)要素 分辨率： resolution capability 、縱橫比 -aspect ratio 光刻膠厚度與圖形翻開尺寸的比值、 正膠一般比負(fù)膠 有更高的縱橫比。 粘結(jié)能力：負(fù)膠的粘結(jié)能力通常比正膠強一些。 曝光速度、靈敏性和曝光源：反響速度越快，在光刻蝕區(qū)域晶圓的加工 速度越快；靈敏性是 與導(dǎo)致聚合或者光溶解發(fā)生所需要的能量總和相 關(guān)的；波長越短的射線能量越高。 工藝寬容度：工藝維度越寬，在 晶圓外表到達(dá)所需要尺寸的可能性就越大。 針孔：針孔是光刻膠層 尺寸非常小的空穴，光刻膠層越薄，針孔越多，典型的權(quán)衡之一； 微 粒和

5、污染水平、階梯覆蓋度和熱流程。 1.2.3 正膠和負(fù)膠的比擬 直到 20 世紀(jì) 70 年代中期，負(fù)膠一直在光刻工藝中占主導(dǎo)地位，到 20 世 紀(jì) 80 年代，正膠逐 漸被接受。兩者相比優(yōu)缺點如下：正膠的縱橫比 更高、負(fù)膠的粘結(jié)力更強曝光速度更快、正 膠的針孔數(shù)量更好階梯覆 蓋度更好，但本錢更高、正膠使用水溶性溶劑顯影而負(fù)膠使用有機 溶 劑顯影。 光刻膠的物理屬性 1.2.4 光刻膠的物理屬性 固體含量： solid content 一般在 20%-40%。 粘度：測試方法有落球粘度計量 器、 Ostwalk-Cannon-Fenske 方法、轉(zhuǎn)動風(fēng)向標(biāo)法、粘度 單位是厘泊 centipoise

6、 ， 另一種單位稱為 kinematic 粘度， 它是 centistoke ， 由 粘度厘 泊除以光刻膠密度而得到，默認(rèn)溫度為 25 度。 折 射系數(shù)：index of refraction ，對于光刻膠其折射率和玻璃接近約為 1.45 。儲存與控制： 光熱敏感度、粘性敏感度、清潔度 1.46 光刻工藝剖析 1.46.1 1.3.1 外表準(zhǔn)備 微粒去除：高壓氮氣吹除、化學(xué)濕法清洗、 旋轉(zhuǎn)刷刷洗、高壓水流。 脫水烘焙：低溫烘焙 150200，憎水 性-hydrophobic 親水性-hydrophilic 晶圓涂底膠：HMD S六甲基乙 硅烷 沉浸式涂底膠、旋轉(zhuǎn)式涂底膠、蒸氣式涂底膠。 第 2

7、 頁 /共 9 頁 集成電路制造工藝 1.46.2 涂光刻膠 普通的光刻膠涂膠方法有三種：刷法、滾轉(zhuǎn)方法和浸 泡法， IC 封裝用光刻膠的涂布方法如 下：靜態(tài)涂膠工藝、動態(tài)噴灑、 移動手臂噴灑、 手動旋轉(zhuǎn)器、 自動旋轉(zhuǎn)器、 反面涂膠。 1.3.3 軟烘焙 熱 傳遞的三種方式：傳導(dǎo)、對流和輻射；常用的軟烘焙加熱方式如下：對 流烘箱、手工熱板、 內(nèi)置式單片晶圓加熱板、移動帶式熱板、 移動帶 式紅外烘箱、微波烘焙、真空烘焙。 對準(zhǔn)和曝光 1.3.4 對準(zhǔn)和曝光 A&E 對準(zhǔn)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)：對準(zhǔn)系統(tǒng)包含兩個主要子系統(tǒng)、 一個是要把圖形在晶圓外表上準(zhǔn)備 定位，另一個是曝光子系統(tǒng)，包括 一個曝光光

8、源和一個將輻射光線導(dǎo)向晶圓外表上的機械裝 置； 對準(zhǔn) 與曝光系統(tǒng)： 光學(xué) 接觸式、 接近式、 投影式、 步進(jìn)式 ， 非光學(xué) X 射 線、電子束； 曝光光源：高壓汞燈、準(zhǔn)分子激光器、 X 射線及電 子束。 對準(zhǔn)法那么：第一個掩膜版的對準(zhǔn)是把掩膜版上的 Y 軸與晶圓 上的平邊成 90放置，接下 來的掩膜都用對準(zhǔn)標(biāo)記又稱靶與上一 層帶有圖形的掩膜對準(zhǔn)。對準(zhǔn)誤差稱為未對準(zhǔn) misalignment 。 曝光后烘焙PEB :駐波是使用光學(xué)曝光和正性光刻膠時出現(xiàn)的問題， 一種減少駐波效 應(yīng)的方法是在曝光后烘焙晶圓， PEB 的時間和溫度的 規(guī)格是烘焙方法、曝光條件以及光刻膠 化學(xué)所決定的。 2 根本光刻工

9、藝流程從曝光到最終檢驗 根本光刻工藝流程 2.1 顯影 通過對未聚合光刻膠的化學(xué)分解來使圖案顯影， 顯影技術(shù)被設(shè)計成使 之把完全一樣的掩膜版 圖案復(fù)制到光刻膠上。 2.1.1 負(fù)光刻膠顯影 二甲苯或stoddart 溶劑顯影，n-丁基醋酸鹽沖洗。 第 3 頁 /共 9 頁 集成電路制造工藝 2.1.2 正光刻膠顯影 堿氫氧化鈉或氫氧化鉀 +水溶液、或疊氮化四 甲基銨氫氧化物的溶液 T MAH 。 2.1.3 濕法顯影 沉浸 -增加附屬方法提高顯影工藝， 機械攪動、 超聲波或磁聲波等；噴射 -對負(fù)膠而言是標(biāo)準(zhǔn) 工藝，對溫度敏感的正膠 卻不是很有效， 隔熱冷卻 adiabatic cooling

10、； 混凝 -是用以獲得 正膠噴 射顯影工藝優(yōu)點的一種工藝變化；等離子去除浮渣 -不完全顯影造成的 一個特俗困難 叫做浮渣 scumming ，用氧等離子去除。 干法或等 離子 2.1.4 干法或等離子顯影 干法光刻膠顯影要求光刻膠化學(xué) 物的曝光或未曝光的局部二者之一易于被氧等離子體去除， 換言之圖 案的局部從晶圓外表上氧化掉， 一種 DESIRE 的干法顯影工藝會使用 甲基硅烷和氧 等離子體。 2.2 硬烘焙 與軟烘焙一樣通過溶液的蒸發(fā)來固化光刻膠，常見工藝流程如下 :顯影 檢驗 硬烘焙 刻 蝕； 顯影 /烘焙 檢驗 刻蝕； 顯影 /烘焙 檢驗 重新烘焙 刻蝕；硬烘焙溫度的上限是以 光刻膠流動

11、點而定，高溫烘 焙會產(chǎn)生邊緣線等不良現(xiàn)象。 顯影檢驗 2.3 顯影檢驗 develop inspect DI 目的是區(qū)分那些有很低可能性通過最終掩膜檢驗的晶圓、 提供工藝性能 和工藝控制數(shù)據(jù)、 以 及分揀出需要重做的晶圓。 晶圓被返回掩膜工藝 稱為重新工藝處理 rework 或 redo 10% 比擬理想。 2.3.1 2.3.1 檢 驗方法 人工檢驗 倍檢驗顯微鏡檢驗 1 、 隨機抽樣 random sampling關(guān)鍵尺寸、 Critical Dimension, CD、自動檢驗。 5% 第 4 頁 /共 9 頁 集成電路制造工藝 2.3.2 2.3.2 顯影檢驗拒收的原因 檢驗遵循 “首

12、先 -缺乏 first-fail basis 原理，碎晶圓、劃傷、污染、小孔、 MA、橋接、不完全顯影、光刻膠 翹起、曝光缺乏、無光刻膠、光刻膠流動、不正確的掩膜版、 CD 2.4 2.4 刻蝕 主要有濕法和干法刻蝕， 兩種方法的主要目標(biāo)是將光刻掩膜版上的圖 案精確地轉(zhuǎn)移到晶圓的 外表，其他刻蝕工藝的目標(biāo)包括一致性、邊緣 輪廓控制、選擇性、潔凈度和所有權(quán)本錢最低 化。 2.4.1 濕法刻蝕 歷 史上的刻蝕方法一直是使用液體刻蝕劑沉浸的技術(shù)， 對于晶圓被刻蝕 劑污染的擔(dān)憂由增加 出口過濾器(point-of-use filter)來解決；不安完 全刻蝕、過刻蝕( overetch) 、各向異性刻

13、 蝕( anisotropic) 、各向同性 刻蝕( isotropic) 、底切( undercutting) 、選擇性( selectivity) 。 硅濕 法刻蝕：硝酸加氫氟酸的混合水溶液，醋酸等可用來控制放熱反響。 二氧化硅濕法刻蝕：根本的刻蝕劑是氫氟酸 (HF),實際中用49%的氫 氟酸與水或氟化胺與 水混合。氟化胺NH 來緩沖會加速刻蝕 速率的氫離子的產(chǎn)生，這種刻蝕溶液稱為緩 沖氧化物刻蝕( buffered oxide etche) 或 BOE。 鋁膜濕法刻蝕： 對于鋁和鋁合金有選擇性的刻 蝕溶液是基于磷酸的(含有磷酸、硝酸、醋 酸、水和濕化代理物 16 ： 1： 1： 2)，可

14、有效消除雪球( snow ball )等氣泡現(xiàn)象。 淀積氧化 物濕法刻蝕：(鋁膜上的二氧化硅鈍化膜)，一般用 BOE 溶液刻蝕， 但容易造成 Brown 或 stain ， 受青睞的刻蝕劑是氟化胺和醋酸 1 ： 2 的 混合水溶液。 氮化硅濕法刻蝕： 180熱磷酸溶液，一般光刻膠承受 不了此溫度和刻蝕速率，改用干法。 濕法噴射刻蝕：其主要優(yōu)點是 噴射的機械壓力而增加了精確度、減小污染、可控性更強、 工藝一致 性更好， 缺點在于本錢以及壓力系統(tǒng)中有毒刻蝕劑的平安性和對機器老 化性的考 驗。 蒸氣刻蝕：用 HF 蒸氣在密封的系統(tǒng)中進(jìn)行(一種新 的技術(shù))。 小尺寸濕法刻蝕的局限：濕法刻蝕局限于 3

15、微米以上的 圖案尺寸；濕法刻蝕為各向同性刻 蝕導(dǎo)致邊側(cè)形成斜坡；濕法刻蝕工 藝要求沖洗和枯燥步驟；液體化學(xué)品有毒害；濕法工藝具 有潛在的污 染； 光刻膠粘結(jié)力的失效導(dǎo)致底切。 干法刻蝕 ( 2.4.2 干法刻蝕 ( dry etching ) ) 等離子體、離子束打磨(刻蝕)和反響離子刻蝕( RIE) 第 5 頁 /共 9 頁 集成電路制造工藝 等離子體刻蝕： 桶形刻蝕機 ( barrel etcher ) 平面等離子刻蝕機、 、 電子盤旋加速器共振 (ECR)、 高密度反射電子、 Helicon 波、感應(yīng)耦合 等離子(ICP)、變壓器耦合等離子體(TCP)等；等離子體系統(tǒng)的刻蝕 率由系統(tǒng)設(shè)計

16、和化學(xué)品兩個主要因素決定， 其它因素是離子濃度和系 統(tǒng)壓 力；輻射損傷(對晶圓的輻射 radiation 或?qū)Φ入x子體 plasma 的損傷、非導(dǎo)體損耗 dielectric wearout、下游等離子體downstream plasma)；選擇性是等離子體刻蝕工藝的一個主要的考 慮事項，用于 控制選擇性的 4 種方法是刻蝕氣體配比的選擇、刻蝕率、接近工藝結(jié) 束時的氣 體稀釋來減緩對下層的刻蝕、在系統(tǒng)中使用結(jié)束點探測器， 其他關(guān)注的問題還有：污染、殘 余物、腐蝕以及所有權(quán)本錢。 離子 束刻蝕： 離子束刻蝕是一個物理工藝， 動力傳輸 ( momentumtransfer ) 噴濺刻蝕 、 ( s

17、putter etching )或離子打磨( ion milling )；材料 的去除是非常有方向性(各向異性)，導(dǎo)致良好 的小開口區(qū)域的精密 度， 因為是物理工藝， 離子打磨的選擇性差。 反響離子刻蝕 ( RIE) ： 結(jié)合了前二者的優(yōu)點，一個主要優(yōu)點是在刻蝕硅層上的二氧化硅 層， RIE 系統(tǒng)已成為用于最先進(jìn)生產(chǎn)線中的刻蝕系統(tǒng)。 2.5 光刻膠的去除 光刻膠去除劑被分成綜合去除劑和專用于正膠及負(fù)膠的去除劑， 也根據(jù)晶圓表層類型被 分成有金屬的和無金屬的。 無金屬外表的濕 法去除： 硫酸和氧化劑溶液 (過氧化氫或過硫酸鹽胺) 、 硝酸做氧化劑。 有金屬 外表的濕法化學(xué)去除：酚有機去除劑、溶液

18、 / 胺去除劑、 特殊濕法去除 劑。 干法去膠：等離子場把氧氣激發(fā)到高能狀態(tài)，因而將光刻膠成 分氧化為氣體由真空泵從反 應(yīng)室吸走 Ashing 。 離子注入后和等離 子去膠：一般地用干法工藝來去除或減少光刻膠，然后加以濕法工藝。 它們 2.6 最終目檢 與顯影檢測是一樣的規(guī)程，只是大多數(shù)的拒收是無法挽回的， 在顯影目 檢中應(yīng)已被區(qū)分并從 批料中拿出的晶圓叫做“顯影目檢漏掉 ( develop inspect escapes )。 3 高級光刻工藝 3.1 ULSI/VLSI 集成電路圖形處理過程中存在的問題 3.1ULSI/VLSI 集 成電路圖形處理過程中存在的問題 光學(xué)曝光設(shè)備的物理局限、

19、光刻膠分辨率的限制、 許多與晶片外表有關(guān) 的問題；使用光學(xué)光 刻技術(shù)解析 0.5 微米和 0.3 微米的圖形需要對 虛像( aerial images )有很好的控制，控制方 第 6 頁 /共 9 頁 集成電路制造工藝 法主要從三個方面入手： 光學(xué)系統(tǒng)分辨率、光刻膠分辨率和晶片外表問 題，第四個方面是刻 蝕圖形定義問題。 3.2 光學(xué)系統(tǒng)分辨率控制 光刻分辨率工藝路線圖 線-1線+AR2I線+OAI/深紫外光/深紫 外光+OAI或PSMI線I + OAI 或PSM/深紫外光+ARI或 OAIf I線 +PSM深紫外光+OAI或PSM深紫外光+PSM最小 分辨率減小，ARI環(huán) 形燈光源、OAI偏

20、軸光源、PSM相位偏移掩膜。 改良的曝光源： 紫外光UV和深紫外光DUV,汞燈I線365nm紫外線313nm、深紫 外線 245nm。 受激準(zhǔn)分子激光器： XeF351nmXeCl 308nmRF248nm AF193nm。 聚焦離子束：系統(tǒng)穩(wěn)定性非常差。 X 射線：需要特制 掩膜版金做阻擋層、本錢非常高。 電子束：電子束光刻是一門 成熟的技術(shù)，無需掩膜版，直接書寫 direct writing ，光刻 膠曝 光順序分為光柵式和矢量式；本錢也比擬高。 H 線 405nm G 線 436nm 中 3.3 其他曝光問題 鏡頭的數(shù)值孔徑NQ、可變數(shù)值孔徑透鏡景深 DOF和視野、離 軸光線；比照效應(yīng)、

21、景 物反差；周相移動掩膜版PSM、交互狹縫 AAPSM亞分辨率及鑲邊周向移動掩膜版； 光學(xué)臨近糾偏掩膜版 OPC ；環(huán)孔照射 annular ring illumination 。 掩膜版薄膜 3.4 掩膜版薄膜 pellicle 是一層在框架上拉伸平鋪的無色有機聚合物薄膜， 用硝化纖維 NC 或醋 酸纖維 AC 制成。 3.5 晶圓外表問題 外表地形差異、 多層刻蝕等等 光刻膠的光散射現(xiàn)象； 光刻膠里面的光反 射現(xiàn)象； 防反射涂層 ARC /上涂防反射層 TAR ； 駐波問題，用 PEB 曝光后烘焙、染色 劑、防反射涂層等方式改善；平 整化解決景深問題， 解決階梯處由光反射造成的金屬圖形凹 口等問題。 3.6 先進(jìn)的光刻膠工藝 復(fù)層光刻膠 / 3.6.1 復(fù)層光刻膠 /外表成像 雙層或三層光刻膠工藝，便攜式共形層 portable conformal layer 。 第 7 頁 /共 9 頁 集成電路制造工藝 硅烷化作用 /DESIRE 3.6.2 硅烷化作用 /DESIRE 工藝 、 TSI, top surface image 。 擴散加強硅烷