電子科大《集成電路工藝》第十三章

第十三章

光刻-氣相成底膜到軟烘微固學(xué)院張金平j(luò)inpingzhang@1電子科大《集成電路工藝》第十三章13.1引言本章主要內(nèi)容：光刻工藝的制造流程光刻膠的性質(zhì)及分類軟烘步驟本章知識(shí)要點(diǎn)：掌握光刻的基本概念；掌握光刻膠的特性；掌握光刻工藝的基本流程；了解軟烘工藝的意義。2電子科大《集成電路工藝》第十三章亞微米CMOSIC制造廠典型的硅片流程模型測(cè)試/揀選t注入擴(kuò)散刻蝕拋光光刻完成的硅片無圖形的硅片硅片起始薄膜硅片制造前端13.1引言3電子科大《集成電路工藝》第十三章13.1引言4電子科大《集成電路工藝》第十三章SiO2淀積+光刻膠曝光顯影刻蝕去除光刻膠光刻簡(jiǎn)單過程13.1引言5電子科大《集成電路工藝》第十三章光刻技術(shù)的特點(diǎn)1、光刻是將電路/器件圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體的表面形成光刻膠圖形；2、光刻是復(fù)印圖象和化學(xué)作用相結(jié)合的綜合性技術(shù)；3、器件的尺寸越小，集成電路的集成度越高，對(duì)光刻精度的要求就越高，難度就越大。4、光刻與芯片的價(jià)格和性能密切相關(guān)。光刻成本占芯片制造成本的近1/3。5、光刻系統(tǒng)主要由對(duì)準(zhǔn)、曝光、光刻膠和光源組成。13.1引言6電子科大《集成電路工藝》第十三章圖形工藝掩膜版投影掩膜版關(guān)鍵尺寸分辨率套準(zhǔn)精度

13.1.1光刻的概念7電子科大《集成電路工藝》第十三章4:1投影掩膜版1:1掩膜版投影掩膜版：圖形可能僅包含一個(gè)管芯，也可能是幾個(gè)。掩膜版：包含了對(duì)于整個(gè)硅片來說確定一工藝層所需的完整管芯陣列。13.1.1光刻的概念8電子科大《集成電路工藝》第十三章光刻膠的三維圖形線寬間距ThicknessSubstrate光刻膠13.1.1光刻的概念對(duì)光刻的基本要求高分辨率：高靈敏度；低缺陷；精密的套刻對(duì)準(zhǔn)。關(guān)鍵尺寸（CD）：最小的特征尺寸。CD常用作描述工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)或稱某一代。9電子科大《集成電路工藝》第十三章分辨率：區(qū)分Si片上兩個(gè)鄰近圖形的能力。高的分辨率需要將曝光波長(zhǎng)減小到與CD幾乎一樣大小。13.1.1光刻的概念10VisibleRadiowavesMicro-wavesInfraredGammaraysUVX-raysf(Hz)1010101010101010101046810121416221820

(m)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUVl(nm)CommonUVwavelengthsusedinopticallithography.13.1.1電磁光譜11電子科大《集成電路工藝》第十三章13.1.1特征尺寸的發(fā)展12電子科大《集成電路工藝》第十三章PMOSFETNMOSFETCrosssectionofCMOSinverterTopviewofCMOSinverter掩膜層決定接下來能進(jìn)行的工藝精度；光刻膠掩蔽圖形為要刻蝕或注入合適的位置、方向和結(jié)構(gòu)尺寸；小尺寸和低容差沒有為誤差通過很大的空間。13.1.1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。13電子科大《集成電路工藝》第十三章13.2光刻工藝14電子科大《集成電路工藝》第十三章13.2

光刻工藝

負(fù)性光刻－負(fù)膠晶片上圖形與掩膜相反曝光部分發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，不可溶解，變硬沒有曝光的部分去除

正性光刻－正膠晶片上圖形與掩膜相同曝光部分發(fā)生降解反應(yīng)，可溶解曝光的部分去除

15電子科大《集成電路工藝》第十三章Ultravioletlight光刻膠的曝光區(qū)光刻膠上的陰影在玻璃掩膜版上的鉻島島被曝光的區(qū)域發(fā)生交聯(lián)并變成阻止顯影的化學(xué)物質(zhì)光刻膠顯影后的最終圖形窗口SiliconsubstratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSiliconsubstrate13.2.1負(fù)性光刻負(fù)性光刻:

曝光后的光刻膠因發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而硬化，留在硅片表面，未曝光的被顯影液溶解而去除，留下光刻膠的圖形與掩膜版圖形相反。16電子科大《集成電路工藝》第十三章photoresistsiliconsubstrateoxideUltraviolet

light光刻膠上的陰影光刻膠的曝光區(qū)在玻璃掩膜版上的鉻島SiliconsubstratePhotoresistOxide使光衰弱的被曝光區(qū)光刻膠顯影后的最終圖形窗口Siliconsubstrate島PhotoresistOxide正性光刻:

曝光后的光刻膠被顯影液溶解而去除，留下光刻膠的圖形與掩膜版圖形一致。13.2.2正性光刻17電子科大《集成電路工藝》第十三章期望印在硅片上的光刻膠結(jié)構(gòu).窗口Substrate光刻膠島石英鉻島當(dāng)使用負(fù)膠時(shí)，要求掩膜版上圖形與想要的結(jié)構(gòu)相反當(dāng)使用正膠時(shí)，要求掩膜版上圖形與想要的結(jié)構(gòu)相同13.2.3掩膜版與光刻膠的關(guān)系18電子科大《集成電路工藝》第十三章13.3光刻工藝的步驟19電子科大《集成電路工藝》第十三章快門版圖轉(zhuǎn)換到光刻膠上光源光學(xué)系統(tǒng)掩膜板對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)涂好光刻膠的硅片14.1引言20電子科大《集成電路工藝》第十三章8)顯影后檢查5)曝光后烘焙6)顯影7)堅(jiān)膜UVLightMask

4)對(duì)準(zhǔn)和曝光Resist2)涂膠3)軟烘1)氣相成底膜HMDS13.3

光刻工藝的８?jìng)€(gè)步驟21電子科大《集成電路工藝》第十三章13.3

光刻工藝的８?jìng)€(gè)步驟1、氣相成底膜處理：包括清潔、烘干、氣相成底膜(采用六甲基二硅胺烷，HMDS)。增強(qiáng)表面與光刻膠的粘附性；2、涂膠：在待光刻的硅片表面均勻地涂上一層光刻膠。要求粘附良好，均勻；3、軟烘(90-100℃)：去除光刻膠中的溶劑，以增強(qiáng)膠膜與硅片表面的粘附性和膠膜的均勻性、耐磨性，更好的線條控制，并使曝光時(shí)能進(jìn)行充分的光化學(xué)反應(yīng)；4、對(duì)準(zhǔn)和曝光：使掩膜版和硅片對(duì)準(zhǔn)、聚焦，將掩膜版圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠。5、曝光后烘焙：進(jìn)一步去除光刻膠中的溶劑，減小曝光后的駐波效應(yīng)，引起酸催化的去保護(hù)反應(yīng)(CA)。6、顯影：通過顯影劑溶解光刻膠中可溶部分。7、堅(jiān)膜(120-140℃)

：使膠膜與硅片間緊密粘附，防止膠層脫落，并增強(qiáng)膠膜本身的抗蝕能力；8、顯影后檢查：發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤一定糾正。22電子科大《集成電路工藝》第十三章光刻軌道系統(tǒng)13.3光刻工藝的８?jìng)€(gè)步驟23電子科大《集成電路工藝》第十三章硅片傳送系統(tǒng)裝片臺(tái)傳送臺(tái)氣相成底膜涂膠顯影和清洗去邊軟烘冷板冷板堅(jiān)膜硅片步進(jìn)光刻機(jī)

(對(duì)準(zhǔn)/曝光系統(tǒng))自動(dòng)硅片軌道系統(tǒng)13.3光刻工藝的８?jìng)€(gè)步驟24電子科大《集成電路工藝》第十三章13.4氣相成底膜－VaporPrime25電子科大《集成電路工藝》第十三章

硅片清洗脫水烘焙成底膜成底膜技術(shù)浸潤(rùn)液分滴和旋轉(zhuǎn)噴霧分滴和旋轉(zhuǎn)氣相成底膜和脫水烘焙(汽化蒸鍍）

13.4氣相成底膜TheFirstStepofPhotolithography:目的：增強(qiáng)光刻膠與硅片的粘附性使用材料：六甲基二硅胺烷，HMDS－作為硅片和光刻膠的連接劑26電子科大《集成電路工藝》第十三章由于表面沾污引起粘附性差掉膠13.4.1

硅片清洗沾污會(huì)在顯影和刻蝕中引起光刻膠的漂移沾污會(huì)導(dǎo)致不平坦的光刻膠涂布或在光刻膠中產(chǎn)生針孔27電子科大《集成電路工藝》第十三章13.4.2脫水烘焙硅片容易吸附潮氣到它的表面，親水性(也稱水合作用)；在成底膜和光刻膠旋轉(zhuǎn)涂膠前要進(jìn)行脫水烘焙，干燥硅片表面；烘焙是充滿惰性氣體(例如氮?dú)?的烘箱或真空烘箱中完成；脫水烘焙過程被集成在硅片傳送系統(tǒng)中。28電子科大《集成電路工藝》第十三章HMDS的浸潤(rùn)和旋轉(zhuǎn)滴浸潤(rùn)形成旋轉(zhuǎn)硅片去除多余的液體13.4.3硅片成底膜脫水烘焙后，硅片馬上要用六甲基二硅胺烷(HMDS)成底膜，它起到提高粘附力的作用HMDS可以用浸泡、噴霧、氣相方法來涂。29電子科大《集成電路工藝》第十三章HMDS的熱板脫水和氣相成底膜Wafer抽氣熱板腔蓋ProcessSummary:在帶有抽氣的密閉腔內(nèi)去濕烘焙Hexamethyldisilazane(HMDS)清洗并干燥硅片表面(hydrophobic)溫度~200to250℃時(shí)間~30sec.13.4.3硅片成底膜HMDS30電子科大《集成電路工藝》第十三章31電子科大《集成電路工藝》第十三章13.5旋轉(zhuǎn)涂膠32電子科大《集成電路工藝》第十三章光刻膠的作用將掩膜上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠；在后續(xù)工藝中，保護(hù)下面的材料（如刻蝕和離子注入）。

13.5.1旋轉(zhuǎn)涂膠－光刻膠光刻膠的類型及感光機(jī)理光刻膠由樹脂、感光劑和溶劑組成；感光劑經(jīng)過光照會(huì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。按光化學(xué)反應(yīng)的不同，可分為兩類：正性光刻膠和負(fù)性光刻膠。33電子科大《集成電路工藝》第十三章負(fù)膠晶片上圖形與掩膜相反曝光部分發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，不可溶解，變硬沒有曝光的部分去除13.5.1旋轉(zhuǎn)涂膠－負(fù)膠與正膠負(fù)性光刻膠－負(fù)膠原始光刻膠膜可被某些溶劑溶解；適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射后發(fā)生聚合或交聯(lián)反應(yīng)，聚合為不可溶物質(zhì)；顯影過程不包括化學(xué)反應(yīng)，顯影后負(fù)相的掩膜圖形形成于光刻膠上。34電子科大《集成電路工藝》第十三章正膠晶片上圖形與掩膜相同曝光部分發(fā)生降解反應(yīng)，可溶解曝光的部分去除

正性光刻膠－正膠原始光刻膠膜不能被某些溶劑溶解；受適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射后，發(fā)生光分解反應(yīng)，分解為可溶性物質(zhì)；顯影后，正相的掩膜圖形形成于光刻膠上；顯影過程包括化學(xué)反應(yīng)，未經(jīng)感光的光刻膠仍然保持它在紫外光照射下發(fā)生光分解反應(yīng)的活性，因此此類光刻膠在光刻工藝中能夠多次曝光。13.5.1旋轉(zhuǎn)涂膠－負(fù)膠與正膠35電子科大《集成電路工藝》第十三章Figure2負(fù)膠顯影后的圖形負(fù)膠(顯影液滲透到光刻膠中引起膨脹)正膠13.5.1旋轉(zhuǎn)涂膠－負(fù)膠與正膠36電子科大《集成電路工藝》第十三章分辨率－Resolution對(duì)比度－Contrast敏感度－Sensitivity粘滯性－Viscosity粘附性－Adhesion抗蝕性－Etchresistance

13.5.2光刻膠的物理特性37電子科大《集成電路工藝》第十三章分辨率是區(qū)分Si片表面上兩個(gè)或更多鄰近圖形的能力。分辨率是表征光刻精度的標(biāo)志之一，不僅與光刻膠本身有關(guān)，也與光刻工藝條件和操作技術(shù)有關(guān)。分辨率通常以每毫米最多可容納的線條對(duì)數(shù)來表示（線寬+線條間距），若線寬和線條間距均為L(zhǎng)

，則分辨率R為：線條越細(xì)，分辨率R越高。衍射現(xiàn)象將限制分辨率R。13.5.2分辨率38電子科大《集成電路工藝》第十三章差的光刻膠的對(duì)比度Slopedwalls（斜坡墻）Swelling（膨脹）Poorcontrast（差的對(duì)比度）ResistFilm好的光刻膠的對(duì)比度Sharpwalls（陡直墻）Noswelling（無膨脹）Goodcontrast（好的對(duì)比度）ResistFilm13.5.2對(duì)比度對(duì)比度指的是光刻膠上從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過渡的陡度。39電子科大《集成電路工藝》第十三章靈敏度是表征光刻膠對(duì)光的敏感度的性能指標(biāo)，可用曝光時(shí)產(chǎn)生一個(gè)良好圖形使光刻膠發(fā)生充分光化學(xué)反應(yīng)所需的最小曝光量的倒數(shù)表示：

其中，I為照射光的強(qiáng)度，t

為曝光時(shí)間，k為比例常數(shù)。對(duì)于不同波長(zhǎng)的光，光刻膠的敏感程度不同，在某一波長(zhǎng)下，其靈敏度最大；每種光刻膠都有一定的光譜吸收范圍。因此靈敏度與光刻膠的光譜響應(yīng)及所用光源的光譜成分密切相關(guān)。確定使用的光刻膠類型后，應(yīng)尋找合適的光源進(jìn)行曝光。13.5.2敏感度（靈敏度）40電子科大《集成電路工藝》第十三章

影響靈敏度的因素（a）光刻膠的成分感光性官能團(tuán)種類與含量、增感劑濃度等。（b）工藝條件光刻膠干燥程度、光刻膠膜厚度等。13.5.2靈敏度41電子科大《集成電路工藝》第十三章粘滯性對(duì)于液體光刻膠來說，描述其流動(dòng)特性的定量指標(biāo)。粘附性光刻膠膜與襯底的粘附的牢固程度直接影響到光刻精度（如顯影時(shí)幾何尺寸是否發(fā)生變化、腐蝕時(shí)是否會(huì)發(fā)生浮膠和鉆蝕現(xiàn)象等）。光刻膠與襯底間粘附性與光刻膠本身的性質(zhì)、襯底的性質(zhì)和表面狀況等均有關(guān)?？刮g性指光刻膠耐酸堿化學(xué)腐蝕液及等離子腐蝕的能力。對(duì)于負(fù)性膠，橡膠系光刻膠性能較優(yōu)，而正性膠抗?jié)穹ǜg能力較差；干法等離子腐蝕中，正性膠的性能較優(yōu)，如AZ1350j膠有較高的選擇比，而包括OMR-83膠等在內(nèi)的負(fù)膠性能不如前者。13.5.2其他特性42電子科大《集成電路工藝》第十三章可見光無線電波微波紅外線GammaraysUVX-raysf(Hz)1010101010101010101046810121416221820

(m)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUVl(nm)在光學(xué)光刻中常用的UV波長(zhǎng)高的分辨率需要將曝光波長(zhǎng)減小到與CD幾乎一樣大小13.5.3傳統(tǒng)I線光刻膠43電子科大《集成電路工藝》第十三章I線（波長(zhǎng)356nm）光刻膠適用于0.35μm及以上技術(shù)（I線光刻膠的特性也代表了G線和H線所用光刻膠的特性）；I線光刻膠對(duì)DUV光有過度吸收，光不能滲透光刻膠，因此曝光圖形差；I線光刻膠且對(duì)DUV光敏感性差，則曝光時(shí)間長(zhǎng)，Si片處理能力下降。0.25μm的關(guān)鍵尺寸需要用深紫外光（DUV，波長(zhǎng)248nm）曝光。深紫外(DUV)光刻膠通過增加光刻膠的敏感性進(jìn)行化學(xué)放大(CA)。13.5.3傳統(tǒng)I線光刻膠44電子科大《集成電路工藝》第十三章電子束光刻膠以波長(zhǎng)更短、能量更高的電子束作光源。離子束光刻膠以波長(zhǎng)更短的離子束作光源。由于離子束是直線傳播，在抗蝕劑膜內(nèi)幾乎無擴(kuò)展現(xiàn)象，因而分辨率高，重現(xiàn)精度好。13.5.3傳統(tǒng)I線光刻膠45電子科大《集成電路工藝》第十三章13.5.3傳統(tǒng)I線光刻膠添加劑:控制光刻膠材料特殊方面的化學(xué)物質(zhì)溶劑:使光刻膠具有流動(dòng)性感光劑:

光刻膠材料的光敏成分樹脂:作為粘合劑的聚合物的混臺(tái)物，給予光刻膠機(jī)械和化學(xué)性質(zhì)光刻膠的成分I線紫外波長(zhǎng)(365nm)的光刻膠－G線436nm和H線(405nm)波長(zhǎng)所用的光刻膠46電子科大《集成電路工藝》第十三章13.5.3

負(fù)I-Line膠光刻膠交聯(lián)反應(yīng)被曝光的區(qū)域發(fā)生交聯(lián)，并變成阻止顯影的化學(xué)物質(zhì)顯影后負(fù)性光刻膠Oxide未曝光的區(qū)城保留可溶于顯影液的化學(xué)物質(zhì)曝光前負(fù)性光刻膠PhotoresistSubstrate可溶曝光后負(fù)性光刻膠UV交聯(lián)未被曝光曝光47電子科大《集成電路工藝》第十三章正I-Line膠降解反應(yīng)用PAC溶劑未被曝光的光刻膠，包含PAC，保持交聯(lián)并不溶于顯影液曝光前正性光刻膠PhotoresistSubstratePAC被曝光的光刻膠溶于顯影液顯影后正性光刻膠Oxide曝光后正性光刻膠UV可溶的光刻膠

曝光未被曝光48電子科大《集成電路工藝》第十三章正I-line膠好的對(duì)比度正性光刻膠Sharpwalls（陡直墻）Noswelling（無膨脹）Goodcontrast（好的對(duì)比度）FilmResist13.5.3正性光刻膠的對(duì)比度49電子科大《集成電路工藝》第十三章13.5.3正負(fù)光刻膠的對(duì)比負(fù)性光刻膠的優(yōu)點(diǎn)：粘附性好，對(duì)刻蝕良好的阻擋作用。曝光速度快。負(fù)性光刻膠的缺點(diǎn)：顯影時(shí)吸收顯影液而膨脹變形，分辨率差（僅2μm分辨率）。對(duì)于亮場(chǎng)版光刻膠中的圖形比相應(yīng)掩膜版的略小。正性光刻膠的優(yōu)點(diǎn)：光刻膠本身不溶解，曝光后溶解度提高100倍左右。顯影后，留下光刻膠不膨脹變形，分辨率高、對(duì)比度高。正性光刻膠的缺點(diǎn)：粘附性差，對(duì)于暗場(chǎng)版光刻膠中的圖形比相應(yīng)掩膜版的略大。50電子科大《集成電路工藝》第十三章深紫外膠：0.25μm以下，DUV發(fā)射光譜100806040200248nmRelativeIntensity(%)KrF激光發(fā)射譜高強(qiáng)度汞燈發(fā)射譜120100806040200200 300 400 500 600Wavelength(nm)RelativeIntensity(%)g-line436nmi-line365nmh-line405nmDUV*248nm13.5.4深紫外（DUV）膠51電子科大《集成電路工藝》第十三章未被曝光的光刻膠保持交聯(lián)和PAG末激活

曝光前的正性CA光刻膠PhotoresistSubstratePAGPAGPAGPAGPAG13.5.4化學(xué)放大(CA)DUV膠被曝光的光刻膠溶于顯影液

顯影后的正性CA光刻膠OxidePAGPAG

曝光后的正性CA光刻膠UV未改變

曝光未曝光酸催化反應(yīng)（在PEB）H+PAGPAGH+H+52電子科大《集成電路工藝》第十三章增加膠的敏感性13.5.4化學(xué)放大(CA)DUV膠53電子科大《集成電路工藝》第十三章工藝的必要條件空氣的沾污，特別是胺烘焙溫度烘焙與曝光間隔的時(shí)間13.5.4化學(xué)放大(CA)DUV膠54電子科大《集成電路工藝》第十三章TwoTypesofPhotoresistPositiveResist(正膠）NegativeResist（負(fù)膠）關(guān)鍵（特征）尺寸ConventionalResist（0.35μm及以上）：傳統(tǒng)I-Line光刻膠DeepUVResist（0.25μm及以下）：化學(xué)放大光刻膠工藝應(yīng)用CriticalLayers(關(guān)鍵層)Non-criticalLayers(非關(guān)鍵層)光刻膠的對(duì)比55電子科大《集成電路工藝》第十三章ProcessSummary:硅片放在真空吸盤上滴約~5ml光刻膠以~500rpm速度慢速旋轉(zhuǎn)加速到~3000to5000rpm質(zhì)量指標(biāo):時(shí)間速度厚度均勻性顆粒和缺陷真空吸盤與轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)連接的轉(zhuǎn)桿至真空泵滴膠頭13.5.5光刻涂膠方法56電子科大《集成電路工藝》第十三章ZYXq光刻膠噴嘴背面EBR真空真空吸盤旋轉(zhuǎn)電機(jī)Wafer泄漏光刻膠溶液不銹鋼碗氣流氣流噴嘴位置可四個(gè)方向調(diào)整排氣光刻膠噴嘴13.5.5光刻涂膠方法57電子科大《