微電子材料與制程：第三章 光刻及光刻材料

1、2018年深圳大學(xué)材料學(xué)院本科生課程微電子材料與制程第三章 光刻及光刻材料23.1 微電子制造流程微電子工業(yè)就是用微米級、納米級的加工技術(shù)，生產(chǎn)出來各種各樣的半導(dǎo)體分立器件和集成電路，微電子材料是微電子工業(yè)重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。3三極管的結(jié)構(gòu)NecNPb二氧化硅發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)3.1 微電子制造流程43.1 微電子制造流程5硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而脫氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25%硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，這也是半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。硅熔煉：通過多步凈化得到可用于半導(dǎo)體制造質(zhì)量的電子級硅 通過硅凈化熔煉得到大晶體硅錠。單晶硅錠：整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度99.

2、9999%。硅錠切割：橫向切割成圓形的單個硅片，也就是我們常說的晶圓(Wafer)。晶圓拋光及氧化：晶圓經(jīng)過拋光后變得幾乎完美無瑕，氧化后可得到介質(zhì)層。光刻膠(Photo Resist)：晶圓旋轉(zhuǎn)可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。3.1 微電子制造流程6光刻：光刻膠層隨后透過掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下，變得可溶，期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)類似按下機(jī)械相機(jī)快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預(yù)先設(shè)計好的電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會形成微處理器的每一層電路圖案。溶解光刻膠：光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致。蝕刻：使用化學(xué)物質(zhì)溶解掉暴露出來的晶

3、圓部分，而剩下的光刻膠保護(hù)著不應(yīng)該蝕刻的部分。清除光刻膠：蝕刻完成后，光刻膠全部清除后就可以看到設(shè)計好的電路圖案。光刻膠：再次澆上光刻膠(藍(lán)色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠用來保護(hù)不會離子注入的那部分材料。3.1 微電子制造流程7離子注入：在真空系統(tǒng)中，用要摻雜的原子的離子照射(注入)固體材料，從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層，并改變這些區(qū)域硅的導(dǎo)電性。清除光刻膠：離子注入完成后，光刻膠也被清除，而注入?yún)^(qū)域(綠色部分)也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時候的綠色和之前已經(jīng)有所不同。晶體管就緒：至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個孔洞，并填充銅，以便和其它

4、晶體管互連。電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上。銅層：電鍍完成后，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個薄薄的銅層。拋光：將多余銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。3.1 微電子制造流程8金屬層：在不同晶體管之間形成復(fù)合互連金屬層，具體布局取決于相應(yīng)處理器所需要的不同功能性。芯片表面看起來異常平滑，但事實上可能含20多層復(fù)雜的電路。晶圓測試：內(nèi)核級別，圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測試，使用參考電路圖案和每一塊芯片進(jìn)行對比。晶圓切片(Slicing)：晶圓級別，將晶圓切割成塊，每一塊就是一個處理器的內(nèi)核(Die)丟棄瑕疵內(nèi)核：晶圓級別，測試過程中發(fā)現(xiàn)的有瑕疵的內(nèi)核被拋棄，留下完好的

5、準(zhǔn)備進(jìn)入下一步。單個內(nèi)核：內(nèi)核級別，從晶圓上切割下來的單個內(nèi)核封裝：封裝級別，20毫米/1英寸。襯底(基片)、內(nèi)核、散熱片堆疊在一起，就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底(綠色)相當(dāng)于一個底座，并為處理器內(nèi)核提供電氣與機(jī)械界面，便于與PC系統(tǒng)的其它部分交互。散熱片(銀色)是負(fù)責(zé)內(nèi)核散熱。3.1 微電子制造流程93.1 微電子制造流程103.2 光刻技術(shù)重要性113.2 光刻技術(shù)重要性123.2 光刻技術(shù)重要性IC制造中最重要的工藝占用40 to 50% 芯片制造時間成本占IC制造成本達(dá)1/3決定著芯片的最小特征尺寸光刻材料：光刻膠、掩膜版133.3 光刻技術(shù)原理光刻：利用照相復(fù)制與化學(xué)腐蝕相結(jié)

6、合的技術(shù)，在工件表面制取精密、微細(xì)和復(fù)雜薄層圖形的化學(xué)加工方法。多用于半導(dǎo)體器件與集成電路的制作。143.3 光刻技術(shù)原理光刻基本原理 利用光刻膠感光后因光化學(xué)反應(yīng)而形成耐蝕性的特點，與化學(xué)腐蝕相結(jié)合，將掩模板上的圖形刻制到被加工表面上。15在集成電路制造中，利用光刻膠圖形作為保護(hù)膜，對選定區(qū)域進(jìn)行刻蝕，或進(jìn)行離子注入，形成器件和電路結(jié)構(gòu)。3.3 光刻技術(shù)原理163.4 光刻膠光學(xué)曝光過程中，為了將掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到圓片上，輻照必須作用在光敏物質(zhì)上，該光敏物質(zhì)必須通過光照，改變材料性質(zhì)，使在完成光刻工藝后，達(dá)到轉(zhuǎn)移圖形的目的。該光敏物質(zhì)稱為光刻膠。 傳統(tǒng)I線光刻膠（I線紫外波長365nm，0.

7、35mCD）深紫外（DUV）光刻膠（248nm，0.25mCD）深紫外光刻膠的化學(xué)放大（193nm，0.18mCD）173.4 光刻膠光刻膠是長鏈聚合物，酚醛樹脂基化合物是IC制造中最常用的光刻膠的主要成分。膠中通常有三種成分，即樹脂或基體材料、感光化合物（PAC）、溶劑、添加劑。PAC是抑制劑，感光前，抑制光刻膠在顯影液中的溶解。感光后，起化學(xué)反應(yīng)，增加了膠的溶解速度。183.4 光刻膠光刻膠的類型顯影后圖形與掩膜版相反。凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以交聯(lián)反應(yīng)為主的光刻膠稱為 負(fù)性光刻膠，簡稱 負(fù)膠。負(fù)膠在曝光后，使聚合物發(fā)生交聯(lián)，在顯影液中溶解變慢。顯影后圖形與掩膜版相

8、同。凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以降解反應(yīng)為主的光刻膠稱為 正性光刻膠，簡稱 正膠。正膠在感光時，曝光對聚合物起斷鏈作用，使長鏈變短，使聚合物更容易在顯影液中溶解。193.4 光刻膠兩種光刻膠的性能顯影液：正膠：典型的正膠顯影液為堿性水溶液，如： 25%的四甲 基氫氧化氨TMAH-NH4（OH）4 水溶液。負(fù)膠：典型的負(fù)膠顯影液為二甲苯。正膠和負(fù)膠的工藝溫度：正膠 前烘：90C，20分；堅膜：130 C，30分。負(fù)膠 前烘：85 C，10分；堅膜：140 C，30分；過高的前烘溫度，將會使光刻膠的光敏劑失效。 203.4 光刻膠對比：正、負(fù)光刻膠負(fù)膠：顯影泡脹而變形，使分辨

9、率下降 曝光速度快，與硅片粘附性好 價格便宜 2m分辨率正膠：無膨脹，良好的線寬分辨率 和基片之間的粘附性差 當(dāng)前主要使用正膠213.4 光刻膠靈敏度: 單位面積上入射的使光刻膠全部發(fā)生反應(yīng)的最小光能量或最小電荷量（對電子束膠），稱為光刻膠的靈敏度，記為 S ，也就是前面提到過的 D100 。S 越小，則靈敏度越高。 通常負(fù)膠的靈敏度高于正膠。 靈敏度太低會影響生產(chǎn)效率，所以通常希望光刻膠有較高的靈敏度。但靈敏度太高會影響分辨率。 光刻膠的特性223.4 光刻膠分辨率：將硅片上兩個鄰近的特征圖形區(qū)分開的能力233.4 光刻膠對比度：光刻膠上從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過渡的陡度敏感度：產(chǎn)生一個良好圖形所

10、需的最低能量粘滯度：液體光刻膠的流動特性的定量指標(biāo)粘附性：光刻膠粘著襯底的強(qiáng)度抗蝕性：在后面的加工工藝中保持化學(xué)穩(wěn)定性243.4 光刻膠DQN正膠的典型反應(yīng) 目前，常用的正膠DQN是由感光劑DQ和基體材料N組成。它適合于436nm的g 線和365nm的i 線曝光，不能用于極短波長的曝光?；w材料N是酚醛樹脂，它是一種聚合物，單體是一個帶有兩個甲基和一個OH的芳香環(huán)烴組成。酚醛樹脂易于溶解在含水溶液中。正膠的溶劑通常是芳香烴化合物的組合，如二甲苯和各種醋酸鹽。正膠的感光劑（PAC）是重氮醌（DQ）。它作為抑制劑，以十倍或更大的倍數(shù)降低光刻膠在顯影液中的溶解速度。253.4 光刻膠曝光后，UV光子

11、使氮分子脫離碳環(huán)，留下一個高活性的碳位。為使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，環(huán)內(nèi)的一個碳原子將移到環(huán)外，氧原子將與它形成共價鍵，實現(xiàn)重組，成為乙烯酮。在有水的情況下，環(huán)與外部碳原子間的雙化學(xué)鍵被一個單鍵和一個OH基替代，最終形成羥酸。羥酸易于溶解在顯影液中，直到曝過光的正膠全部去除，而未曝光的正膠則全部保留。263.4 光刻膠正膠的感光劑、基體結(jié)構(gòu)正膠的基體材料：偏甲氧基酚醛樹脂正膠的感光劑：重氮醌（DQ）273.4 光刻膠正膠的感光反應(yīng)283.4 光刻膠負(fù)膠的成分和感光反應(yīng) 負(fù)膠為包含聚乙烯肉桂衍生物或環(huán)化橡膠衍生物雙鍵的聚合物。典型的負(fù)膠是疊氮感光膠，如環(huán)化聚異戊二烯。在負(fù)膠曝光時，產(chǎn)生大量的交聯(lián)聚合，成為互相

12、連接的大樹脂分子，很難在顯影液中溶解。從而負(fù)膠的曝光部分在顯影后保留。而未曝光部分則在顯影時去除。293.5 掩模版掩膜版：包含整個硅片上所有管芯303.5 掩模版兩個基本部分：基板（石英版）+不透光材料基板要求：低溫度膨脹、高光學(xué)透射、耐腐蝕、材料表面和內(nèi)部沒有缺陷超微粒干版：AgBr（鹵化銀） 鉻版：Cr（鉻）+氧化鉻 氧化鐵版：Fe2O3（氧化鐵）313.5 掩模版采用電子束光刻直寫式 投影掩模板的損傷： 掉鉻、表面擦傷、靜電放電、灰塵顆粒 投影掩模板的保護(hù)膜：32正性和負(fù)性光刻工藝 ： 負(fù)性光刻3.6 光刻工藝流程333.6 光刻工藝流程正性光刻343.6 光刻工藝流程351、清洗硅片

13、 Wafer Clean3.6 光刻工藝流程去除污染物去除顆粒減少針孔和其它缺陷提高光刻膠黏附性基本步驟 化學(xué)清洗 漂洗 烘干363.6 光刻工藝流程2、預(yù)烘和底膠蒸氣涂覆 Pre-bake and Primer Vapor預(yù)烘：脫水烘焙去除圓片表面的潮氣增強(qiáng)光刻膠與表面的黏附性通常大約100 C與底膠涂覆合并進(jìn)行底膠涂覆：增強(qiáng)光刻膠(PR)和圓片表面的黏附性廣泛使用: (HMDS)六甲基二硅胺在PR旋轉(zhuǎn)涂覆前HMDS蒸氣涂覆PR涂覆前用冷卻板冷卻圓片373.6 光刻工藝流程3、光刻膠涂覆 Photoresist Coating進(jìn)行底模處理后，便可進(jìn)行涂膠，即在底模上涂一層粘附良好厚度適當(dāng)，均

14、勻的光刻膠。一般采用旋轉(zhuǎn)法進(jìn)行涂膠，其原理是利用底模轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的離心力，將滴于模上的膠液甩開。在光刻膠表面張力和旋轉(zhuǎn)離心力的共同作用下，最終形成光刻膠膜。增粘層光刻膠膜底膜涂膠383.6 光刻工藝流程滴膠光刻膠吸回Photoresist Spin CoatingEdge Bead RemovalReady For Soft Bake393.6 光刻工藝流程4、前烘 Soft Bake蒸發(fā)光刻膠中的溶劑溶劑能使涂覆的光刻膠更薄但吸收熱量且影響光刻膠的黏附性過多的烘烤使光刻膠聚合，感光靈敏度變差烘烤不夠影響?zhàn)じ叫院推毓馇昂?，又稱軟烘，就是在一定的溫度下，使光刻膠膜里面的溶劑緩慢的、充分的逸出來，使

15、光刻膠膜干燥。403.6 光刻工藝流程Baking Systems413.6 光刻工藝流程5、對準(zhǔn) Alignment對準(zhǔn)方法：a、預(yù)對準(zhǔn)，通過硅片上的notch或者flat進(jìn)行激光自動對準(zhǔn)b、通過對準(zhǔn)標(biāo)志，位于切割槽上。另外層間對準(zhǔn)，即套刻精度,保證圖形與硅片上已經(jīng)存在的圖形之間的對準(zhǔn)。 423.6 光刻工藝流程6、曝光Exposure曝光中最重要的兩個參數(shù)是：1.曝光能量（Energy）2.焦距（Focus）如果能量和焦距調(diào)整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的圖形。表現(xiàn)為圖形的關(guān)鍵尺寸超出要求的范圍曝光就是對涂有光刻膠的基片進(jìn)行選擇性的光化學(xué)反應(yīng)，使接受到光照的光刻膠的光學(xué)特性發(fā)生改變。

16、掩模板光刻膠膜增粘層底膜曝光光源433.6 光刻工藝流程曝光方式和設(shè)備： 接觸式/接近式光刻機(jī)光學(xué) 掃描投影光刻機(jī) 步進(jìn)掃描光刻機(jī) 電子束光刻機(jī)非光學(xué) X射線光刻機(jī) 離子束光刻機(jī)443.6 光刻工藝流程接觸式光刻機(jī)20世紀(jì)70年代使用，用于5m及以上尺寸特點： 掩膜版容易損壞 易受顆粒沾污 高分辨率，可以實現(xiàn)亞微米（0.4m）線寬453.6 光刻工藝流程接近式光刻機(jī)由接觸式發(fā)展來，70年代使用，用于2m4m尺寸線寬特點： 與接觸式相比減少了沾污問題 掩膜版的壽命也較長 由于光的衍射而分辨率降低463.6 光刻工藝流程接觸和接近式光刻機(jī)473.6 光刻工藝流程掃描投影式光刻機(jī)70年代末80年代初

17、，現(xiàn)在仍有使用，用來實現(xiàn)1m的非關(guān)鍵層使用1：1掩膜版特點：亞微米尺寸的掩膜版制作困難483.6 光刻工藝流程步進(jìn)掃描式光刻機(jī)近年主流設(shè)備，用于形成0.25m及以下尺寸使用投影掩膜版（1：1，4：1，5：1，10：1）特點： 高分辨率 精度易受環(huán)境影響（如振動） 光路復(fù)雜，設(shè)備昂貴 493.6 光刻工藝流程曝光光源選擇 光源的波長對光刻膠的感光性有很大影響，每種光刻膠都有自己的吸收峰和吸收范圍，它只對波長在吸收范圍內(nèi)的光才比較敏感，因此選擇的曝光光源必須要滿足光刻膠的感光特性。503.6 光刻工藝流程513.6 光刻工藝流程523.4 光刻工藝流程分辨率和焦深的對應(yīng)關(guān)系在光刻中，對圖像質(zhì)量起關(guān)

18、鍵作用的兩個因素是分辨率和焦深。硅片的表面起伏，影響光學(xué)系統(tǒng)不能充分聚焦硅片表面所有地方。533.4 光刻工藝流程影響曝光質(zhì)量因素： 光刻膠對光的吸收 光反射 臨近效應(yīng)駐波：表征入射光波和反射光波之間的干涉 駐波沿著光刻膠厚度引起不均勻曝光 駐波本身降低光刻膠成像的分辨率防反射涂層： 防反射涂層切斷了從晶圓表面反射的光線 降低駐波效應(yīng)和增強(qiáng)圖形對比度543.6 光刻工藝流程光反射引起的光刻膠反射切口553.6 光刻工藝流程駐波本身降低光刻膠成像的分辨率駐波沿著光刻膠厚度引起不均勻曝光563.6 光刻工藝流程抗反射涂層 底部抗反射涂層頂部抗反射涂層573.6 光刻工藝流程7、后烘 Post Ex

19、posure Bake駐波效應(yīng)：微電子制造工藝中的一種現(xiàn)象。 在微細(xì)圖形光刻過程中，一般曝光光源為單色或窄帶光源，在由基片、氧化物層和抗蝕劑等組成的多層膜系情況下，由于膜系各層折射率不同，曝光時入射光將在各層膜的界面處發(fā)生多次反射，在光致抗蝕劑中形成駐波。目的：提高光刻膠的粘附性和減少駐波影響曝光后烘重新分布了光刻膠中的光敏化合物（PAC），并通過減少駐波獲得了較陡直的光刻膠側(cè)墻剖面583.6 光刻工藝流程8、顯影 Development顯影液溶劑溶解掉光刻膠中軟化部分從掩膜版轉(zhuǎn)移圖形到光刻膠上三個基本步驟: 顯影、漂洗、 干燥顯影就是用顯影液溶解掉不需要的光刻膠，將光刻掩模板上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上。顯影液的選擇原則是：對需要去除的那部分光刻膠膜溶解的快，溶解度大；對需要保留的那部分光刻膠膜溶解度極小。593.6 光刻工藝流程顯影問題603.6 光刻工藝流程9、堅膜 Hard Bake1.完全蒸發(fā)掉光刻膠里面的溶劑2.堅膜，以提高光刻膠在離子注入或刻蝕中保護(hù)下表面的能力3.進(jìn)一步增強(qiáng)光刻膠與硅片表面之間的黏附性4.減少駐波效應(yīng)（Standing Wave