第13章光刻氣相成膜到軟烘

第13章光刻：氣相成膜到軟烘2/3/20231集成電路工藝目標(biāo)解釋光刻的基本概念，包括工藝概述、關(guān)鍵尺寸劃分、光譜、分辨率、工藝容寬等。負(fù)性和正性光刻的區(qū)別描述光刻的8個(gè)基本步驟如何在光刻前處理硅片表面描述光刻膠并討論其物理特性如何使用光刻膠軟烘的目的2/3/20232集成電路工藝提綱1.基本概念2.光刻工藝3.氣相成底膜處理4.旋涂膠5.軟烘6.光刻膠質(zhì)量測(cè)量2/3/20233集成電路工藝1.基本概念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。光刻——圖形轉(zhuǎn)移的任一復(fù)制過(guò)程。光刻成本占加工成本的三分之一。光刻膠（photoresist）掩膜版（photomask）2/3/20234集成電路工藝關(guān)鍵尺寸關(guān)鍵尺寸－所需達(dá)到的最小尺寸，最難控制的尺寸。常用來(lái)描述工藝技術(shù)的節(jié)點(diǎn)或稱為某一代。減少關(guān)鍵尺寸可在單個(gè)硅片上布局更多芯片，可降低制造成本，提高利潤(rùn)。2/3/20235集成電路工藝光譜能量滿足激活光刻膠并將圖形從投影掩膜版中轉(zhuǎn)移。常用紫外光（UV）深紫外光(DUV)——波長(zhǎng)300nm以下2/3/20236集成電路工藝重要UV波長(zhǎng)UV波長(zhǎng)(nm)波長(zhǎng)名UV發(fā)射源436G線汞燈405H線汞燈365I線汞燈248深紫外(DUV)汞燈或氟化氪(KrF)準(zhǔn)分子激光193深紫外(DUV)氟化氬(ArF)準(zhǔn)分子激光157真空紫外(VUV)氟(F2)準(zhǔn)分子激光2/3/20237集成電路工藝分辨率分辨率是將硅片上兩個(gè)鄰近的特征圖形區(qū)分開(kāi)來(lái)的能力。在過(guò)去，硅片制造業(yè)關(guān)鍵尺寸每年約減小11％。器件特征尺寸的縮小使其通過(guò)等比例縮小、電路密度增加和芯片尺寸減小而改善芯片性能。2/3/20238集成電路工藝套準(zhǔn)精度光刻要求硅片表面上存在的圖案與掩膜版上的圖形準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)，這種特性指標(biāo)就是套準(zhǔn)精度。當(dāng)圖形形成要多次用到掩膜版時(shí)，任何套準(zhǔn)誤差（套準(zhǔn)容差）都會(huì)影響到硅片表面上不同圖案間總的布局容寬度。2/3/20239集成電路工藝工藝寬容度在光刻工藝中有許多是可變量。如設(shè)備設(shè)定、材料種類、人為操作、機(jī)器對(duì)準(zhǔn)、材料隨時(shí)間的穩(wěn)定性。工藝寬容度表示光刻始終如一地處理符合特定要求產(chǎn)品的能力。目標(biāo)是獲得最大的工藝寬容度，以提高工藝生成好器件的能力。2/3/202310集成電路工藝2.光刻工藝光刻包括：負(fù)性光刻正性光刻2/3/202311集成電路工藝負(fù)性光刻負(fù)性光刻的基本特征是當(dāng)曝光后，光刻膠會(huì)因交聯(lián)而變得不可溶解，并會(huì)硬化。一旦硬化，關(guān)聯(lián)的光刻膠就不能在溶劑中被洗掉。負(fù)性光刻膠得到了與掩膜版上圖案相反的圖形。2/3/202312集成電路工藝正性光刻正性光刻工藝中，復(fù)制到硅片表面上的圖形與掩膜版上的一樣。被紫外光曝光后的區(qū)域經(jīng)歷了一種光化學(xué)反應(yīng)，在顯影液中軟化并可溶解在其中。2/3/202313集成電路工藝光刻的8個(gè)步驟氣相成底膜(Vaperprime)旋轉(zhuǎn)涂膠(Spincoat)軟烘(Softbake)對(duì)準(zhǔn)和曝光(Alignmentandexposure)曝光后烘培(Post-exposurebake,PEB)顯影(Develop)堅(jiān)膜烘培(Hardbake)顯影檢查(Developinspect)2/3/202314集成電路工藝氣相成底膜(Vaperprime)清洗、脫水和硅片表面成底膜處理目的：增強(qiáng)硅片和光刻膠的粘附性。硅片清洗包括濕法清洗和去離子水沖洗以去除沾污物。脫水、干烘在一個(gè)封閉腔內(nèi)完成，以除去吸附在硅片表面的大部分水汽。然后立即用六甲基二硅胺烷(hexa-methyl-disilazane,簡(jiǎn)稱HMDS）進(jìn)行成膜處理，起到粘附促進(jìn)劑的作用。2/3/202315集成電路工藝旋轉(zhuǎn)涂膠(Spincoat)旋轉(zhuǎn)涂膠的方法在硅片上涂液相光刻膠材料。硅片被固定在一個(gè)真空載片臺(tái)上，一定數(shù)量的液體光刻膠滴在硅片上，然后硅片旋涂得到一層均勻的光刻膠涂層。不同的光刻膠有不同的旋涂條件。2/3/202316集成電路工藝軟烘(Softbake)軟烘的目的是去除光刻膠中的溶劑。軟烘提高了粘附性，提升了光刻膠的均勻性，在刻蝕中得到了更好的線寬控制。典型的軟烘條件是在熱板上90℃到100℃烘30秒。2/3/202317集成電路工藝對(duì)準(zhǔn)和曝光

(Alignmentandexposure)掩膜版與涂膠后硅片上的正確位置對(duì)準(zhǔn)。一旦對(duì)準(zhǔn)，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。對(duì)準(zhǔn)和曝光的重要質(zhì)量指標(biāo)是線寬分辨率、套準(zhǔn)精度、顆粒和缺陷。2/3/202318集成電路工藝曝光后烘培

(Post-exposurebake,PEB)對(duì)于深紫外(DUV)光刻膠必須進(jìn)行曝光后烘培。在100℃到110℃的熱板上進(jìn)行。2/3/202319集成電路工藝顯影(Develop)光刻膠上的可溶解區(qū)域被化學(xué)顯影劑溶解，將可見(jiàn)的島或者窗口圖形留在硅片表面。通常的顯影方法有旋轉(zhuǎn)、噴霧、浸潤(rùn)。2/3/202320集成電路工藝堅(jiān)膜烘培(Hardbake)顯影后的熱烘為堅(jiān)膜烘培烘培要求揮發(fā)掉存留的光刻膠溶劑，提高光刻膠對(duì)硅片表面的粘附性。正膠的堅(jiān)膜烘培溫度約為120℃到140℃。這一步是穩(wěn)固光刻膠，對(duì)下面的刻蝕和離子注入過(guò)程非常關(guān)鍵。2/3/202321集成電路工藝顯影檢查(Developinspect)顯影后檢查來(lái)確定光刻膠圖形的質(zhì)量。檢查的目的：找出光刻膠有質(zhì)量問(wèn)題的硅片，描述光刻膠工藝性能以滿足規(guī)范要求。顯影后檢查發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤可糾正，否則硅片一旦被錯(cuò)誤刻蝕，就成了廢品。2/3/202322集成電路工藝3.氣相成底膜處理（1）硅片清洗（2）脫水烘培（3）硅片成底膜2/3/202323集成電路工藝（1）硅片清洗光刻過(guò)程中硅片上沾污物的一個(gè)主要影響是造成光刻膠與硅片的粘附性很差，會(huì)在顯影和刻蝕中引起光刻膠的漂移問(wèn)題。光刻膠漂移導(dǎo)致底層薄膜的鉆蝕。光刻膠中的顆粒沾污會(huì)導(dǎo)致不平坦的光刻膠涂布或在光刻膠中產(chǎn)生針孔。通常進(jìn)入光刻工藝的硅片剛完成氧化或淀積操作，并處于潔凈的狀態(tài)。2/3/202324集成電路工藝（2）脫水烘培硅片容易吸附潮氣到它表面?？刂品椒ǎ罕M快進(jìn)行涂膠；相對(duì)濕度控制在50％以下。常用的脫水烘培溫度200℃到250℃。在傳統(tǒng)的充滿惰性氣體的烘箱或真空烘箱中完成。脫水烘培過(guò)程被集成到硅片傳送系統(tǒng)中。2/3/202325集成電路工藝（3）硅片成底膜脫水烘培后硅片馬上要用六甲基二硅胺烷(HMDS)進(jìn)行成膜處理，起到提高粘附力的作用。HMDS影響硅片表面使之疏離水分子，同時(shí)形成對(duì)光刻膠材料的結(jié)合力。HMDS可用浸泡、噴霧和氣相方法來(lái)涂。氣相成底膜最常用，由于沒(méi)有與硅片接觸減少了來(lái)自液體HMDS顆粒的沾污可能；氣相法HMDS消耗量也少。2/3/202326集成電路工藝4.旋涂膠光刻膠又稱光致抗蝕劑，由感光樹(shù)脂、增感劑（見(jiàn)光譜增感染料）和溶劑三種主要成分組成的對(duì)光敏感的混合液體。感光樹(shù)脂經(jīng)光照后，在曝光區(qū)能很快地發(fā)生光固化反應(yīng)，使得這種材料的物理性能，特別是溶解性、親合性等發(fā)生明顯變化。經(jīng)適當(dāng)?shù)娜軇┨幚?，溶去可溶性部分，得到所需圖像。2/3/202327集成電路工藝光刻膠的作用1.將掩膜版圖案轉(zhuǎn)移到硅片表面頂層的光刻膠中。2.在后續(xù)工藝（如刻蝕或離子注入阻擋層）中，保護(hù)下面的材料。2/3/202328集成電路工藝正負(fù)光刻膠負(fù)性光刻膠在曝光后硬化變得不可溶解，顯影后圖像與原先掩膜版的圖形相反。正性光刻膠曝光時(shí)軟化，變得可溶，顯影后圖像與原先掩膜版圖形一樣。負(fù)性光刻膠通常只有2μm的分辨率。正性光刻膠的粘附性較差。2/3/202329集成電路工藝光刻膠的物理特性－1分辨率－區(qū)別硅片表面上兩個(gè)或更多的鄰近特征圖形的能力。對(duì)比度－光刻膠上從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過(guò)渡的陡度。敏感性－硅片表面光刻膠中產(chǎn)生一個(gè)良好圖形所需要的一定波長(zhǎng)光的最小能量值(mJ/cm2)。提供給光刻膠的光能量值通常稱為曝光量。粘滯性－指的是對(duì)于液體光刻膠來(lái)說(shuō)其流動(dòng)特性的定量指標(biāo)。粘滯性增加，光刻膠流動(dòng)的趨勢(shì)變小。粘度單位泊(poise)。2/3/202330集成電路工藝光刻膠的物理特性－2粘附性－描述光刻膠粘于襯底的強(qiáng)度?？刮g性－在后續(xù)的蝕刻中保護(hù)襯底表面的能力。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。存儲(chǔ)和傳送－需規(guī)定光刻膠閑置期限和存儲(chǔ)溫度環(huán)境。沾污和顆粒－光刻膠材料的純度很重要?？刂瓶蓜?dòng)離子沾污和顆粒。2/3/202331集成電路工藝旋涂膠的步驟1.分滴。當(dāng)硅片靜止或旋涂得非常緩慢時(shí)，光刻膠被分滴在硅片上。2.旋轉(zhuǎn)鋪開(kāi)?？焖偌铀俟杵男D(zhuǎn)到一高轉(zhuǎn)速使光刻膠伸展到整個(gè)硅片表面。3.旋轉(zhuǎn)甩掉。甩去多余的光刻膠，在硅片上得到均勻的光刻膠覆蓋層。4.溶劑揮發(fā)。以固定轉(zhuǎn)速繼續(xù)旋轉(zhuǎn)已涂膠的硅片，直至溶劑揮發(fā)，光刻膠膠膜幾乎干燥。2/3/202332集成電路工藝膠膜厚度通常粘度小的光刻膠有較薄的膠厚厚度并不是由淀積的光刻膠的量來(lái)控制的，因?yàn)榻^大部分光刻膠都分離了硅片。對(duì)于光刻膠厚度最關(guān)鍵的參數(shù)是轉(zhuǎn)速和光刻膠粘度。粘度越高轉(zhuǎn)速越低，光刻膠就越厚。2/3/202333集成電路工藝5.軟烘將硅片上覆蓋的光刻膠溶劑去除。增強(qiáng)光刻膠的粘附性以便在顯影時(shí)光刻膠可以很好地粘附。緩和在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中光刻膠膠膜內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力。防止光刻膠沾到設(shè)備上。2/3/202334集成電路工藝6.光刻膠質(zhì)量測(cè)量光刻膠粘附性光刻膠覆蓋硅片的質(zhì)量問(wèn)題光刻膠膜厚度2/3/202335集成電路工藝光刻膠粘附性缺陷類型：光刻膠去濕（脫落），光刻膠不能粘附于襯底，在后續(xù)的刻蝕或離子注入中引起問(wèn)題?？赡茉颍汗杵砻嬲次?；不充分的HMDS成底膜或脫水烘培引起硅片表面有潮氣；過(guò)分的HMDS成底膜可能導(dǎo)致光刻膠爆裂，使得光刻膠粘附性差而失效2/3/202336集成電路工藝光刻膠覆蓋硅片的質(zhì)量問(wèn)題缺陷類型：光刻膠中的針孔濺落（光刻膠膠滴落在光刻膠涂層上）光刻膠起皮（在光刻膠膜頂層有一不溶的干膠薄層）可能原因：掩膜版或硅片上的顆粒沾污旋轉(zhuǎn)涂膠機(jī)的排風(fēng)量不合適旋轉(zhuǎn)速率太高，高的旋轉(zhuǎn)速率可能導(dǎo)致光刻膠中有條紋。2/3/202337集成電路工藝光刻膠膜厚度缺陷類型：光刻膠厚度超出控制范圍厚度不均勻可能原因：檢查旋轉(zhuǎn)加速度和速度。旋轉(zhuǎn)速度越高，光刻膠越薄。在低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，不規(guī)則的溶劑揮發(fā)導(dǎo)致厚度不均勻。檢驗(yàn)正確旋轉(zhuǎn)時(shí)間。檢查光刻膠種類和粘度是否正確。證明在高速旋轉(zhuǎn)干燥過(guò)程中沒(méi)有機(jī)械震動(dòng)和空氣湍流。2/3/202338集成電路工藝小結(jié)光刻將圖形從掩膜版轉(zhuǎn)移到硅片表面的UV光敏光刻膠上。分辨率是可形成的最小特征圖形。負(fù)性光刻膠在硅片上形成的圖形與掩膜版上圖形相反，而正性光刻在硅片上形成的圖形和掩膜版上圖形相同。光刻的八個(gè)步驟：氣相成底膜