chap8光刻與刻蝕工藝

一、光刻的定義：光刻是一種圖形復(fù)印和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的精密表面加工技術(shù)。

它是集成電路制造中最關(guān)鍵的一道工序。隨著集成電路的集成度越來越高，特征尺寸越來越小，晶圓片面積越來越大，給光刻技術(shù)帶來了很高的難度。尤其是特征尺寸越來越小，對光刻的要求更加精細(xì)。通常人們用特征尺寸來評價(jià)集成電路生產(chǎn)線的技術(shù)水平。

Chap8光刻工藝1二、光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金屬薄膜上面刻蝕出與掩膜版完全對應(yīng)的幾何圖形，從而實(shí)現(xiàn)選擇性擴(kuò)散和金屬薄膜布線的目的。三、在ULSI中對光刻的基本要求：1、高分辨率：分辨率的表示方法：第一種是以每毫米最多能夠容納的線條數(shù)來表示。即線寬。條數(shù)/mm；第二種是以剝蝕后的二氧化硅尺寸減去光刻掩膜版的圖形尺寸除以2表示。22、高靈敏度：為了提高產(chǎn)量要求曝光所需要的時(shí)間越短越好，也就是要求靈敏度高。也稱感光度，以光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所需要的最小曝光量的倒數(shù)來表示。3、精密的套刻對準(zhǔn)4、大尺寸硅片的加工5、低缺陷四、光刻三要素：光刻膠、掩膜版和光刻機(jī)3

8.1光刻工藝流程

以負(fù)膠為例來說明這八個(gè)步驟，一般可分為：打底膜->涂膠->前烘->曝光->顯影->后烘（堅(jiān)膜）->腐蝕（刻蝕）->去膠。4一、打底膜（六甲基二硅亞胺HMDS）六甲基二硅亞胺HMDS反應(yīng)機(jī)理SiO2SiO2OHOH＋(CH3)3SiNHSi(CH3)3O-Si(CH3)3O-Si(CH3)3+NH3567二、涂膠1.目的：在硅片表面形成厚度均勻、附著性強(qiáng)，并且沒有缺陷的光刻膠薄膜。2.質(zhì)量要求3.方法：滴涂法，噴涂法4.

影響因數(shù)：轉(zhuǎn)速，時(shí)間8三、前烘1.目的：去除膠層內(nèi)的溶劑，提高光刻膠與襯底的粘附力及膠膜的機(jī)械擦傷能力。2.方法：烘箱法，熱板式，干燥循環(huán)熱風(fēng)，紅外線輻射等。3.影響因素：溫度和時(shí)間9四、曝光1.目的：利用感光與未感光的光刻膠對堿性溶液的不同溶解度，就可以進(jìn)行掩膜圖形的轉(zhuǎn)移。2．曝光質(zhì)量3.曝光方式：分為光學(xué)曝光（接觸式，接近式，投影式，直接分步重復(fù)曝光，）、X射線曝光、電子束曝光和離子束曝光后面章節(jié)將詳細(xì)介紹。曝光時(shí)間、氮?dú)忉尫?、氧氣、駐波和光線平行度都是影響曝光質(zhì)量。10五、顯影正膠：圖形溶解。負(fù)膠：圖形保留。六、堅(jiān)膜也稱后烘。經(jīng)顯影以后的膠膜發(fā)生了軟化、膨脹，膠膜與硅片表面粘附力下降。為了保證下一道光刻工序的順利進(jìn)行，必須要經(jīng)過堅(jiān)膜。其目的是去除膜中的水分使膠固化，能牢固地與硅片表面粘附好，從而提高了抗蝕能力。11七、刻蝕（見后面章節(jié)）定義：用光刻方法制成的微圖形，只給出了電路的行貌，并不是真正的器件結(jié)構(gòu)。因此需將光刻膠上的微圖形轉(zhuǎn)移到膠下面的各層材料上去，這個(gè)工藝叫做刻蝕。?目的：把經(jīng)過曝光,顯影后的光刻膠微圖形中下層材料的裸露部分去掉,即在下層材料上重現(xiàn)與光刻膠相同的圖形。

12八、去膠

138.2分辨率

用R表示，是對光刻工藝中可以達(dá)到的最小光刻圖形尺寸的一種描述。表示每mm內(nèi)能刻蝕出可分辨的最多線條數(shù)。

R=1/2L線寬=線條間距=L148.3

光刻膠

光刻膠又叫光致抗蝕劑，它是由光敏化合物、基體樹脂和有機(jī)溶劑等混合而成的膠狀液體。光刻膠受到特定波長光線的作用后，導(dǎo)致其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定溶液中的溶解特性改變正膠：分辨率高，在超大規(guī)模集成電路工藝中，一般只采用正膠負(fù)膠：分辨率差，適于加工線寬≥3

m的線條光刻膠的分類和光刻膠的質(zhì)量要求。15一、正膠和負(fù)膠：根據(jù)光刻膠在曝光前后溶解特性的變化，可將分為正膠和負(fù)膠。正膠：曝光前不可溶，曝光后可溶，所形成的圖形是掩膜版圖形的正映像。負(fù)膠：曝光前可溶，曝光后不可溶，所形成的圖形是掩膜版圖形的負(fù)映像。16正膠：曝光后可溶負(fù)膠：曝光后不可溶17二、光刻膠的感光機(jī)理聚乙烯醇肉桂酸酯KPR膠的光交聯(lián)(聚合)181.負(fù)性膠由光產(chǎn)生交聯(lián)常用負(fù)膠有聚肉桂酸酯類、聚酯類和聚烴類,2.正性膠由光產(chǎn)生分解膠襯底膠襯底膠襯底掩膜曝光膠襯底顯影負(fù)膠正膠19聚乙烯醇肉桂酸酯KPR常用負(fù)膠有聚肉桂酸酯類、聚酯類和聚烴類20DNQ-酚醛樹脂光刻膠的化學(xué)反應(yīng)

(光活潑化合物)O=S=OORO=S=OORN2oo(1)(2)h

-N2重新排列O=S=OORO=S=OORcoOHco(4)(3)+H2O21（1）感光度

（2）分辨率（3）抗蝕性（4）粘附性（5）針孔密度（6）留膜率（7）性能穩(wěn)定三、光刻膠的性能指標(biāo)22238.4

多層光刻膠工藝（MLR）

采用性質(zhì)不同的多層光刻膠，分別利用其抗蝕平坦化等方面的不同特性完成圖形的轉(zhuǎn)移。雙層光刻膠工藝：頂層光刻膠經(jīng)過曝光和顯影后形成曝光圖形，并在后續(xù)的刻蝕工藝中作為刻蝕掩蔽層。底層光刻膠用來在襯底上形成平坦化的圖形。

241、硅化學(xué)增強(qiáng)工藝2、對比增強(qiáng)層3、硅烷基化光刻膠表面成像工藝258.5抗反射涂層工藝

使用抗反射涂層（ARC）工藝，可以降低駐波效應(yīng)的影響。駐波效應(yīng)：曝光光波在進(jìn)入到光刻膠層之后，如果沒有被完全吸收，就會(huì)有一部分光波穿過光刻膠膜達(dá)到襯底表面，這一部分光波在襯底表面被反射之后，又回到光刻膠中。這樣，反射光波與光刻膠中的入射光波發(fā)生干涉，從而形成駐波。表現(xiàn)為以λ/2n為間隔，在光刻膠中形成強(qiáng)弱相間的曝光區(qū)域。會(huì)導(dǎo)致線寬發(fā)生變化，減低分辨率。26改善駐波效應(yīng)的技術(shù)：在光刻膠層底部或頂部使用抗反射涂層，同時(shí)在曝光后進(jìn)行烘焙。278.6紫外線曝光

接觸式光刻：分辨率較高，但是容易造成掩膜版和光刻膠膜的損傷。接近式曝光：在硅片和掩膜版之間有一個(gè)很小的間隙(10～25

m)，可以大大減小掩膜版的損傷，分辨率較低。投影式曝光：利用透鏡或反射鏡將掩膜版上的圖形投影到襯底上的曝光方法，目前用的最多的曝光方式。28三種光刻方式29接近式曝光是以犧牲分辨率來延長了掩膜版的壽命。大尺寸和小尺寸器件上同時(shí)保持線寬容限還有困難。另外，與接觸式曝光相比，接近式曝光的操作比較復(fù)雜。一、接近式曝光（裝置示意圖見書圖8.13）30二、接觸式曝光系統(tǒng)同接近式曝光，唯一的區(qū)別是掩膜版與硅片是緊密接觸。曝光由于掩膜版與硅片相接觸磨損，使掩膜版的壽命降低。其分辨率優(yōu)于接近式曝光。容易引入大量的工藝缺陷，成品率低，目前已處于被淘汰的地位。31三、投影式曝光

光源光線經(jīng)透鏡后變成平行光，然后通過掩膜版并由第二個(gè)透鏡聚焦投影并在硅片上成像，硅片支架和掩膜版間有一個(gè)對準(zhǔn)系統(tǒng)。32避免了掩膜版與硅片表面的摩擦，延長了掩膜版的壽命。掩膜版的尺寸可以比實(shí)際尺寸大得多，克服了小圖形制版的困難。消除了由于掩膜版圖形線寬過小而產(chǎn)生的光衍射效應(yīng)，以及掩膜版與硅片表面接觸不平整而產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象。投影式曝光雖有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于光刻設(shè)備中許多鏡頭需要特制，設(shè)備復(fù)雜33四、直接分步重復(fù)曝光（補(bǔ)充）

三個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1）它是通過縮小投影系統(tǒng)成像的，因而可以提高分辨率。用這種方法曝光，分辨率可達(dá)到1～1.5微米；（2）不要1:1精縮掩膜，因而掩膜尺寸大，制作方便。由于使用了縮小透鏡，原版上的塵埃、缺陷也相應(yīng)的縮小，因而減小了原版缺陷的影響；34（3）由于采用了逐步對準(zhǔn)技術(shù)可補(bǔ)償硅片尺寸的變化，提高了對準(zhǔn)精度。逐步對準(zhǔn)的方法也可以降低對硅片表面平整度的要求。35368.7掩膜版的制造

在硅平面器件及集成電路生產(chǎn)過程中，都是采用光刻工藝刻蝕出選擇性窗口和布線，以獲得硅平面器件及集成電路的功能產(chǎn)品。每次光刻都必須有一塊掩膜版，制作一個(gè)完整的ULSI芯片需要20到25塊不同的掩膜版，每次光刻之間都要嚴(yán)格套準(zhǔn)，微小的差異都會(huì)影響產(chǎn)品的合格率。37集成電路對掩膜版的要求：版面圖形設(shè)計(jì)要合理，尺寸要準(zhǔn)確；圖形邊緣要光潔，陡直、無毛刺；圖形對比度合適；圖形內(nèi)無針孔、小島等缺陷；底版要耐用、平整、價(jià)廉；整套版要互套精確；圖形區(qū)內(nèi)有掩蔽作用，圖形外完全透過紫外光。388.7掩膜版的制造

一、制版工藝流程版圖設(shè)計(jì)，刻圖，初縮，精縮，顯影，定影，加厚與減薄，復(fù)?。ǚ妫?。二、制備掩膜版1.石英玻璃板2.鉻層3.氧化鐵板三、掩膜版的保護(hù)膜四、移相掩模（PSM）五、計(jì)算機(jī)輔助制版39超細(xì)線條光刻技術(shù)甚遠(yuǎn)紫外線(EUV)電子束光刻X射線離子束光刻40

8.8X射線曝光

（4～20埃）基本要求：一、材料的形變小，這樣制成的圖形尺寸及其相對位置的變化可以忽略。二、要求掩膜襯底材料透X光能力強(qiáng)，而在它上面制作微細(xì)圖形的材料透X光能力差，這樣在光刻膠上可獲得分辨率高的光刻圖形。41428.9電子束曝光

電子束曝光的原理：是利用具有一定能量的電子與光刻膠碰撞作用，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)完成曝光。鄰近效應(yīng)：圖形的畸變。43一、電子束曝光的特點(diǎn)：電子束曝光的精度較高。電子束的斑點(diǎn)可以聚焦的很小，而且聚焦的景深很深，可用計(jì)算機(jī)控制，精度遠(yuǎn)比肉眼觀察要高。電子束曝光改變光刻圖形十分簡便。電子束曝光機(jī)是把各次曝光圖形用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，改變圖形就只要重新編程即可。44電子束曝光不要掩膜版。電子束曝光設(shè)備復(fù)雜，成本較高。4546二、深紫外線曝光

“深紫外光”大致定義為180nm到330nm間的光譜能量。它進(jìn)一步分為三個(gè)光帶：200nm到260nm；260nm到285nm以及285nm到315nm。47幾種實(shí)用的光刻膠配方。PMMA對210nm到260nm的紫外光有感光性，感光性最佳的紫外光光譜約為220nm；PMIK的紫外光感光光譜為220nm到330nm，峰值光譜約為190nm和285nm。48AZ240系列光刻膠的感光光譜為240nm到310nm，峰值光譜約為248nm、300nm、315nm。ODVR系列光刻膠的感光光譜為200nm到315nm，峰值光譜為230nm、280nm、300nm。4950遠(yuǎn)紫外光作為曝光方法通常有兩種：

對準(zhǔn)曝光和泛光曝光(不必對準(zhǔn))。