西安交通大學-微電子制造技術(shù)-光刻1（論文資料）

1、微電子制造技術(shù)第 13 章 光刻:氣相成底膜到軟烘 學 習 目 標1.了解光刻的基本概念，包括工藝概述、關(guān)鍵尺寸劃分、光譜、分辨率、工藝寬容度等；2.討論正性膠和負性膠的區(qū)別；3.了解光刻的8個基本步驟；4.討論光刻膠的物理特性；5.解釋軟烘的目的，并說明它在生產(chǎn)中如何完成； 光刻的基本概念 光刻就是利用光刻膠的感光性和耐蝕性，在各種薄膜上復(fù)印并刻蝕出與掩摸版完全對應(yīng)的幾何圖形。以實現(xiàn)選擇性摻雜和金屬布線的目的。是一種非常精細的表面加工技術(shù)，在芯片生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用。光刻精度和質(zhì)量將直接影響器件的性能指標，同時也是影響制造成品率和可靠性的重要因素。光刻過程如圖所示有薄膜的晶圓光刻制程正膠工藝開

2、孔-或負膠工藝留島- 光刻是一種多步驟的圖形轉(zhuǎn)移過程，首先是在掩膜版上形成所需要的圖形，之后通過光刻工藝把所需要的圖形轉(zhuǎn)移到晶園表面的每一層。 圖形轉(zhuǎn)移通過兩步完成。首先，圖形被轉(zhuǎn)移到光刻膠層，光刻膠經(jīng)過曝光后自身性質(zhì)和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（由原來的可溶性物質(zhì)變?yōu)榉强扇苄晕镔|(zhì)，或者相反）。再通過化學溶劑（顯影劑）把可以溶解的部分去掉，不能溶解的光刻膠就構(gòu)成了一個圖形（硅片上的器件、隔離槽、接觸孔、金屬互聯(lián)線等），而這些圖形正好和掩膜版上的圖形相對應(yīng)。形成的光刻膠圖形是三維的，具有長、寬、高物理特征（見下圖）。線寬間距厚度Substrate光刻膠Figure 13.2 光刻膠的三維圖形掩 膜 版 掩膜版

3、有投影掩膜版和光掩膜版之分。投影掩膜版(reticle)是一塊包含了要在硅片上重復(fù)生成圖形的石英版，這種圖形可能只有一個管芯，或者是幾個。光掩膜版（photomask）通常也稱為掩膜版（mask），是包含了對于整個芯片來說確定一層工藝所需的完整管芯陣列的石英板。由于在圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠中光是最關(guān)鍵的因素之一，所以光刻有時被稱為光學光刻。 對于復(fù)雜的集成電路，可能需要30塊以上的掩膜版用于在硅片上形成多層圖形。每一個掩膜版都有獨一無二的圖形特征，它被置于硅片表面并步進通過整個硅片來完成每一層。4:1 Reticle1:1 MaskPhoto 13.1 光刻掩膜版和投影掩膜版光 譜 掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)

4、移到光刻膠上，是通過光能激活光刻膠完成的。典型光能來自是紫外(UV)光源，能量的傳遞是通過光輻射完成的。為了使光刻膠在光刻中發(fā)揮作用，必須將光刻膠制成與特定的紫外線波長有化學反應(yīng)光刻膠。 紫外線一直是形成光刻圖形常用的能量源，并會在接下來的一段時間內(nèi)繼續(xù)沿用（包括或者更小的工藝節(jié)點的器件制造中）。 電磁光譜用來為光刻引入最合適的紫外光譜，如圖所示。對于光刻中重要的幾種紫外光波長在表中列出。大體上說，深紫外光（DUV）指的是波長在300nm以下的光。可見無線電波微波紅外線射線UVX-射線f (Hz)1010101010101010101046810121416221820(m)420-2-4-6

5、-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUVl (nm)在光學光刻中常用的UV波長Figure 13.3 電磁光譜的片段表13.1 光刻曝光的重要UV波長套 準 精 度 光刻要求硅片表面上存在的圖形與掩膜版上的圖形準確對準，這種特征指標就是套準精度。對準十分關(guān)鍵是因為掩膜版上的圖形要層對層準確地轉(zhuǎn)移到硅片上（見圖）。因為每一次光刻都是將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上，而光刻次數(shù)之多，任何一次的套準誤差都會影響硅片表面上不同圖案間總的布局寬容度。這種情況就是套準容差。大的套準容差會減小集成密度，即限制了器件的特征尺寸，從而

6、降低IC性能。 除了對圖形對準的控制，在工藝過程中的缺陷水平的控制也同樣是非常重要的。光刻操作步驟的數(shù)目之多和光刻工藝層的數(shù)量之大，所以光刻工藝是一個主要的缺陷來源。 PMOSFETNMOSFETCross section of CMOS inverterTop view of CMOS inverterCMOS 掩模版分解圖氧化P-SUBSiO2N 阱光刻及注入P-SUBN隔離氧化及光刻P-SUBN柵氧化、多晶硅生長及光刻P-SUBNP型注入?yún)^(qū)掩模及注入P-SUBNPN型注入?yún)^(qū)掩模及注入P-SUBNN氧化及引線孔光刻P-SUBN金屬化及光刻P-SUBN工藝寬容度 光刻工藝中有許多工藝是可變量

7、。例如，設(shè)備設(shè)定、材料種類、人為操作、機器性能，還有材料隨時間的穩(wěn)定性等諸多內(nèi)容都存在可變因素。工藝寬容度表示的是光刻始終如一地處理符合特定要求產(chǎn)品的能力。目標是獲得最大的工藝寬容度，以達到最大的工藝成品率。 為了獲得最大的工藝寬容度，設(shè)計工程師在版圖設(shè)計時要充分考慮工藝過程所存在的可變因素，在制造過程中，工藝工程師也可通過調(diào)整工藝參量以實現(xiàn)最高的制造成品率。對于光刻，高的工藝寬容度意味著在生產(chǎn)過程中，即使遇到所有的工藝發(fā)生變化，但只要還在規(guī)定的范圍內(nèi)，也就能達到關(guān)鍵尺寸的要求。光 刻 工 藝光刻包括兩種基本類型： 負性光刻和正性光刻。負性光刻 負性光刻的基本特征是經(jīng)過曝光的光刻膠，由原來的可

8、溶解變?yōu)椴豢扇萁?，并隨之硬化。一旦硬化，被曝光的光刻膠就不能在溶劑中被洗掉。光刻膠上留下的圖形與掩膜版上的圖形相反（見圖 ）。所以這種光刻膠被稱為負性光刻膠。 Ultraviolet light島被曝光的區(qū)域光刻膠發(fā)生交聯(lián)變成阻止顯影的化學物質(zhì)光刻膠顯影后的最終圖形窗口光刻膠的曝光區(qū)光刻膠上的陰影在掩膜版上的鉻島Silicon substratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSilicon substrateFigure 13.5 負性光刻 正性光刻 正性光刻的基本特征是，經(jīng)過曝光的光刻膠由原來不可溶解變?yōu)榭扇芙?，即?jīng)過曝光的光刻膠在顯影液中軟化并可溶解。光刻

9、膠上留下的圖形與掩膜版上的圖形相同（見圖 ）。所以這種光刻膠被稱為正性光刻膠。正性光刻 photoresistsilicon substrateoxideoxidesilicon substratephotoresistUltraviolet light島光刻膠顯影后的 最終圖形光刻膠上的陰影光刻膠的曝光區(qū) 在掩膜版 上的鉻島窗口Silicon substratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSilicon substrate期望印在硅片上的光刻膠結(jié)構(gòu) 窗口襯底光刻膠島石英鉻島使用負性膠時要求掩膜版上的圖形 (與想要的結(jié)構(gòu)相反)使用正性膠時要求掩膜版上的圖形

10、(與想要的結(jié)構(gòu)相同)Figure 13.7 掩膜版與光刻膠之間的關(guān)系接觸孔的模擬(正膠光刻)金屬互連線的模擬(正膠光刻)亮場掩膜版暗場掩膜版Figure 13. 8 亮場與暗場掩膜版8) 顯影檢查5) 曝光后的烘焙6) 顯影7) 堅膜烘焙UV 光掩膜版4) 對準和曝光光刻膠2) 旋轉(zhuǎn)涂膠3) 軟烘1) 氣相成底膜HMDS光刻工藝的8個基本步驟氣相成底膜 氣相成底膜主要是為涂膠工藝作前期準備，包含硅片清洗、脫水烘焙及成底膜等內(nèi)容。硅片清洗 光刻的第一步首先是硅片表面清洗，因為不清潔的表面通常存在表面顆粒、金屬雜質(zhì)、有機沾污和自然氧化層等。這些沾污物的一個主要影響是造成光刻膠與硅片的黏附性變差。這

11、種情況會在顯影和刻蝕中引起光刻膠的“脫膠”，從而導(dǎo)致光刻膠下的底層薄膜的鉆蝕（見圖）。 通常進入光刻工藝的硅片剛完成氧化或淀積操作，并處于潔凈狀態(tài)，為這些潔凈硅片涂膠的最佳條件是盡可能地快。 脫膠Figure 13.13 由于表面沾污引起的黏附性差的效果 脫水烘焙 脫水烘焙的目的是清除硅片表面的殘余潮氣，以便使光刻膠和硅片表面有很好的黏附性能。實際的烘焙溫度是可變的，一般為200250，不超過400。典型的烘焙是在傳統(tǒng)的充滿惰性氣體的烘箱或真空烘箱中完成，現(xiàn)在幾乎所有的硅片加工廠都使用自動化硅片軌道系統(tǒng)完成脫水烘焙工藝。硅片成底膜 脫水烘焙后的硅片立即用六甲基二硅胺烷(HMDS)成底膜，作用是

12、提高光刻膠的黏附性能。 HMDS的作用是影響硅片表面使之疏離水分子，同時形成對光刻膠的結(jié)合力。 HMDS可以用浸泡、噴霧和氣相方法來涂。硅片上成底膜的方法一般被集成在硅片軌道系統(tǒng)上。滴浸潤形成旋轉(zhuǎn)硅片除去多余的液體Figure 13.14 HMDS滴浸潤液和旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)涂膠 成底膜處理后，硅片要立即用旋轉(zhuǎn)涂膠的方法涂上液相光刻膠材料。通常硅片被固定在一個真空載片臺上，一定數(shù)量的液體光刻膠滴在硅片上，然后旋轉(zhuǎn)硅片得到一層厚度均勻的光刻膠涂層（見圖）。 不同的光刻膠要求不同的旋轉(zhuǎn)涂膠條件，例如最初慢速旋轉(zhuǎn)（約500rpm），接下來躍變到最大轉(zhuǎn)速3000rpm或者更高。依靠旋轉(zhuǎn)離心力和光刻膠的表面張力使

13、硅片表面得到一層厚度均勻的光刻膠。涂膠應(yīng)用的重要質(zhì)量指標是：時間、速度、厚度、均勻性、顆粒沾污及光刻膠缺陷，如針孔等。3) 甩掉多余的膠4) 溶劑揮發(fā)1) 滴膠2) 加速旋轉(zhuǎn)Figure 13.14 旋轉(zhuǎn)涂布光刻膠的4個步驟工藝小結(jié):硅片置于真空吸盤上滴約5ml 的光刻膠以約 500 rpm慢速旋轉(zhuǎn)加速到約 3000 to 5000 rpm質(zhì)量指標時間速度厚度均勻性顆粒和缺陷真空吸盤與轉(zhuǎn)動機連接的轉(zhuǎn)桿至真空泵滴膠頭Figure 13.10 旋轉(zhuǎn)涂膠硅片上涂膠的目的 光刻膠是一種有機化合物，經(jīng)紫外線曝光后，在顯影溶液中的溶解度會發(fā)生明顯變化。芯片制造所用的光刻膠以液態(tài)形式涂在硅片表面。然后被干燥

14、成膠膜。硅片制造中使用光刻膠的目的是： 將掩膜版圖案轉(zhuǎn)移到硅片表面頂層的光刻膠上。 在刻蝕工藝中，保護光刻膠下面的材料（各種絕緣介質(zhì)薄膜、金屬薄膜等）完好無損、不被刻蝕。 隨著電路密度和關(guān)鍵尺寸的不斷縮小，為了將亞微米線寬的圖形轉(zhuǎn)移到硅片表面，光刻膠必須具備如下特性： 更好的圖形清晰度 (分辨率) 對硅片表面更好的黏附性 更好的均勻性 工藝寬容度高 (對工藝可變量敏感度降低) 光刻膠的類型 普通光刻膠可分為正性光刻膠和負性光刻膠。這種分類是基于光刻膠材料對紫外光的響應(yīng)特性。 對于負性光刻膠，經(jīng)紫外光曝光后發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)并會硬化，使原來可以被顯影液溶解的成分變得不可溶解。顯影后與掩膜版相反的圖形留

15、在光刻膠上。 對于正性光刻膠，經(jīng)紫外光曝光后的區(qū)域經(jīng)歷了一種光化學反應(yīng)，使原來難以被顯影液溶解的特性變得可溶解。顯影后與掩膜版相同的圖形留在光刻膠上。 也可以依據(jù)光刻膠所形成的最小關(guān)鍵尺寸來給光刻膠分類。一類是能形成線寬尺寸在m及其以上的傳統(tǒng)光刻膠。另一類是適用于深紫外(DUV)波長的化學放大光刻膠。 正負光刻膠的對比 負性光刻膠因具有與硅片良好的黏附性能和對刻蝕良好的阻擋作用，在20世紀70年代被廣泛使用。然而，由于顯影時的變形和膨脹，通常只能有2m的分辨率。隨著集成度的提高和關(guān)鍵尺寸的不斷減小，負性光刻膠被正性光刻膠所取代。但正性光刻膠的黏附性能較負性光刻膠差。 要在硅片上得到相同圖案，使

16、用不同極性的光刻膠所對應(yīng)的掩膜版（亮、暗場轉(zhuǎn)換）是不同的。這種變化不僅僅是改變掩膜版的明暗場，因為兩種不同的光刻膠其復(fù)印掩膜尺寸是不同的。主要原因是圖形周圍光的散射（衍射）。所以掩膜版不僅是明暗場的簡單轉(zhuǎn)化，必須考慮該因素而進行重新設(shè)計。光刻膠的物理特性 在芯片制造工藝中，可能會用到許多類型的光刻膠。每一種都應(yīng)該具備其與光刻工藝要求直接相關(guān)的自身物理特性。一種專用的光刻膠應(yīng)該具備以下物理特性分辨率對比度敏感度粘滯性粘附性抗蝕性表面張力沾污和顆粒 分辨率：硅片上形成符合質(zhì)量規(guī)范要求的最小特征圖形的能力，形成的關(guān)鍵尺寸越小，光刻膠的分辨率能力就越高。對比度：是指光刻膠上從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過渡的陡度

17、（見圖）。差的光刻膠對比度斜坡墻膨脹ResistFilm好的光刻膠對比度陡直墻無膨脹ResistFilm敏感度 是指硅片表面光刻膠中產(chǎn)生一個良好圖形所需要的一定波長光的最小能量值（以mJ/cm2為單位）。提供給光刻膠的光能量值通常稱為曝光量。粘滯性 粘滯性是指對于液體光刻膠來說其流動特性的定量指標。粘滯性越高流動性越差。粘滯性越高越有利于臺階覆蓋，但間隙填充能力就越差。粘附性 黏附性是指光刻膠附著于襯底的強渡。粘附性的不足會導(dǎo)致硅片表面上的圖形變形。要求必須經(jīng)受曝光、顯影和刻蝕等工藝的考驗?？刮g性 光刻膠在后續(xù)的濕法刻蝕和干法刻蝕中必須有效保護光刻膠下的襯底表面不受刻蝕的影響。這種性質(zhì)稱為光刻

18、膠的抗蝕性。 表面張力 指的是液體中將表面分子拉向液體主體內(nèi)的分子間的吸引力（見下圖）。 小分子力引起小的表面張力 大分子引起大的表面張力Figure 13.17 表面張力光刻膠的成分添加劑: 控制光刻膠材料特殊方面的化學物質(zhì)，用來控制和改變光刻膠材料的特定化學性質(zhì)或光響應(yīng)特性。溶劑: 使光刻膠具有流動性，易揮發(fā)，對于光刻膠的化學性質(zhì)幾乎沒有影響。感光劑: 光刻膠材料中的光敏成分，對光能發(fā)生光化學反應(yīng)樹脂: 惰性的聚合物 ，用于把光刻膠中的不同材料聚在一起的粘合劑，給予光刻膠其機械和化學性質(zhì)。Figure 13.18被曝光的區(qū)域發(fā)生交聯(lián)，并變成阻止顯影的化學物質(zhì)未曝光的區(qū)域保留可溶于顯影液的化

19、學物質(zhì)曝光前負性光刻膠曝光后負性光刻膠顯影后的光刻膠UVOxidePhotoresistSubstrate交聯(lián)未被曝光曝光可溶Figure 13.19 負性光刻膠交聯(lián)被曝光的光刻膠溶于顯影液未被曝光的光刻膠，包含PAC,保持交聯(lián)并不溶于顯影液曝光前正性光刻膠曝光后正性光刻膠顯影后正性光刻膠UVOxidePhotoresistSubstrate可溶的光刻膠 曝光未被曝光PACFigure 13.20 在正性 I 線光刻膠中作為溶解抑制劑的 PAC正性I線光刻膠良好的對比特性 正膠的一大優(yōu)點是在光刻膠的未曝光區(qū)域不受顯影液的影響，因為光刻膠最初就不溶解，并保持這種性質(zhì)。這樣在光刻過程中轉(zhuǎn)移到光刻膠

20、上的極細線條的圖形會保持線寬和形狀，產(chǎn)生良好的線寬分辨率。 正膠具有好的分辨率的原因之一是對比度高。正膠可以更好地分辯掩膜版的亮區(qū)和暗區(qū)，在光刻膠上產(chǎn)生陡直的轉(zhuǎn)移圖形（見下圖）。正性光刻膠:陡直墻無膨脹好的對比度FilmResist深紫外(DUV)光刻膠對于最理想的圖形分辨率，光刻的目標是曝光光線的波長與關(guān)鍵尺寸成比例。上世紀90年代中期最典型的曝光光線的波長是365nm的I線，可得到mm的關(guān)鍵尺寸。為了得到mm的關(guān)鍵尺寸，必須減小曝光光源的波長到250nm左右。這個值相當于深紫外(DUV)248nm的紫外波長。標準I線光刻膠由于缺乏對更小波長的光敏感性，要完成光刻膠的光反應(yīng)就需要更長的曝光時間或高輸出能量的光源，而對于248nm深紫外波段汞燈只有很小的能量輸出，基于這一原因， I線光刻膠只適用在線寬為mm和以上的關(guān)鍵尺寸的圖形制作。* 汞燈的強渡在248nm處是如此低以致不能被用于DUV光譜光刻。如左圖所示，準分之激光為給定的DUV波長提供更多的能量。Figure 13.22 DUV 發(fā)射光譜，汞燈光譜100806040200248 nm相對強渡 (%) KrF 激光發(fā)射譜 高強渡汞燈的發(fā)射譜120100806040200200300 400 500 600波長 (nm)相對強渡 (%)g-line436 nmi-line365 nmh-line40