光刻工艺.doc

目 录摘 要3绪 论4第一章 光刻工艺原理51.1光刻胶简介51.1.1光刻胶的作用61.1.2 光刻胶的物理特性参数：61.2 光刻原理71.2.1光刻胶的分类71.2.2光刻胶的感光原理7第二章 光刻工艺流程82.1 光刻工艺流程82.1.1 硅片清洗烘干82.1.2 涂底92.1.3 旋转涂胶92.1.4 软烘92.1.5 对准并曝光102.1.6 后烘112.1.7 显影112.1.8 硬烘122.2 光刻工艺132.2.1光复印工艺132.2.2 刻蚀工艺132.3曝光方式132.3.1 接触式曝光132.3.2 非接触式曝光14第三章 光刻技术现状与未来发展趋势143.1 光刻技术现状143.2光刻技术未来发展趋势153.2.1浸入式光刻技术15 3.2.2 深紫外光刻163.2.3 极紫外光刻163.2.4 电子束直写光刻163.2.5 电子束投影光刻163.2.6 角度限制投影电子束光刻163.2.7 离子束投影光刻173.2.8 紫外纳米压印光刻173.2.9 双重图形光刻17摘 要光刻工艺是半导体制造中最为重要的工艺步骤之一。主要作用是将掩膜板上的图形复制到硅片上，为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备。光刻的成本约为整个硅片制造工艺的1/3，耗费时间约占整个硅片工艺的4060%。光刻机是生产线上最贵的机台，515百万美元/台。主要是贵在成像系统（由1520个直径为200300mm的透镜组成）和定位系统（定位精度小于10nm）。其折旧速度非常快，大约39万人民币/天，所以也称之为印钞机。光刻部分的主要机台包括两部分：轨道机（Tracker），用于涂胶显影；扫描曝光机（Scanning )。一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。光刻工艺的要求：光刻工具具有高的分辨率；光刻胶具有高的光学敏感性；准确地对准；大尺寸硅片的制造；低的缺陷密度。绪 论光刻是生产半导体元件时的一个工业步骤，该步骤将印在光掩膜上的外形结构转移到基质的表面上。光刻与印刷术中的平版印刷的工艺过程类似。基质一般是硅、砷化镓晶体的芯片，也可以是其他半导体的芯片。玻璃、蓝宝石或者金属也可以作为基质。在硅芯片上涂光阻剂的甩胶机此外光阻剂还有“正”、“负”之分，正光阻剂不感光的部分在显影后留下，而负光阻剂感光的部分在显影后留下。显影后光阻剂被烘干，然后芯片被放入一个腐蚀金属的溶剂中（比如一种酸）来将不被光阻剂掩盖的金属腐蚀掉。然后使用另一种特殊的腐蚀液将烘干的光阻剂去除掉，这样在基质表面上就留下了一层覆盖了一定区域的金属。光刻的优点在于它可以精确地控制形成的形状的大小和样子，此外它可以同时在整个芯片表面产生外形轮廓。它最主要得缺点在于它必须在平面上使用，在不平的表面上它的效果不很好，此外它要求极其高的清洁条件。在生产复杂的集成电路的过程中一块芯片可能经过50多次光刻。在生产薄膜晶体管的过程中所需要的光刻过程要少得多。第一章 光刻工艺原理1.1光刻胶简介 光致抗蚀剂，简称光刻胶或抗蚀剂，指光照后能改变抗蚀能力的高分子化合物。光蚀剂分为两大类。正性光致抗蚀剂：受光照部分发生降解反应而能为显影液所溶解。留下的非曝光部分的图形与掩模版一致。正性抗蚀剂具有分辨率高、对驻波效应不敏感、曝光容限大、针孔密度低和无毒性等优点，适合于高集成度器件的生产。负性光致抗蚀剂：受光照部分产生交链反应而成为不溶物，非曝光部分被显影液溶解，获得的图形与掩模版图形互补。负性抗蚀剂的附着力强、灵敏度高、显影条件要求不严，适于低集成度的器件的生产。1.1.1光刻胶的作用a、将掩膜板上的图形转移到硅片表面的氧化层中；b、在后续工序中，保护下面的材料（刻蚀或离子注入）。1.1.2 光刻胶的物理特性参数：a、分辨率（resolution）。区别硅片表面相邻图形特征的能力。一般用关键尺寸（CD，Critical Dimension）来衡量分辨率。形成的关键尺寸越小，光刻胶的分辨率越好。b、对比度（Contrast）。指光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡度。对比度越好，形成图形的侧壁越陡峭，分辨率越好。c、敏感度（Sensitivity）。光刻胶上产生一个良好的图形所需一定波长光的最小能量值（或最小曝光量）。单位：毫焦/平方厘米或mJ/cm2。光刻胶的敏感性对于波长更短的深紫外光（DUV）、极深紫外光（EUV）等尤为重要。d、粘滞性/黏度（Viscosity）。衡量光刻胶流动特性的参数。粘滞性随着光刻胶中的溶剂的减少而增加；高的粘滞性会产生厚的光刻胶；越小的粘滞性，就有越均匀的光刻胶厚度。光刻胶的比重（SG，Specific Gravity）是衡量光刻胶的密度的指标。它与光刻胶中的固体含量有关。较大的比重意味着光刻胶中含有更多的固体，粘滞性更高、流动性更差。e、粘附性（Adherence）。表征光刻胶粘着于衬底的强度。光刻胶的粘附性不足会导致硅片表面的图形变形。光刻胶的粘附性必须经受住后续工艺（刻蚀、离子注入等）。f、抗蚀性（Anti-etching）。光刻胶必须保持它的粘附性，在后续的刻蚀工序中保护衬底表面。耐热稳定性、抗刻蚀能力和抗离子轰击能力。g、表面张力（Surface Tension）。液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间吸引力。光刻胶应该具有比较小的表面张力，使光刻胶具有良好的流动性和覆盖。h、存储和传送（Storage and Transmission）。能量（光和热）可以激活光刻胶。应该存储在密闭、低温、不透光的盒中。同时必须规定光刻胶的闲置期限和存贮温度环境。一旦超过存储时间或较高的温度范围，负胶会发生交联，正胶会发生感光延迟。1.2 光刻原理1.2.1光刻胶的分类a、根据光刻胶按照如何响应紫外光的特性可以分为两类：负性光刻胶和正性光刻胶。1.负性光刻胶（Negative Photo Resist）。最早使用，一直到20世纪70年代。曝光区域发生交联，难溶于显影液。特性：良好的粘附能力、良好的阻挡作用、感光速度快；显影时发生变形和膨胀。所以只能用于2m的分辨率。2.正性光刻胶（Positive Photo Resist）。20世纪70年代，有负性转用正性。正性光刻胶的曝光区域更加容易溶解于显影液。特性：分辨率高、台阶覆盖好、对比度好；粘附性差、抗刻蚀能力差、高成本。b、根据光刻胶能形成图形的最小光刻尺寸来分：传统光刻胶和化学放大光刻胶。1.传统光刻胶。适用于I线（365nm）、H线（405nm）和G线（436nm），关键尺寸在0.35m及其以上。2.化学放大光刻胶（CAR，Chemical Amplified Resist）。适用于深紫外线（DUV）波长的光刻胶。KrF（248nm）和ArF（193nm）。1.2.2光刻胶的感光原理a、传统光刻胶：正胶和负胶。光刻胶的组成：树脂（resin/polymer），光刻胶中不同材料的粘合剂，给与光刻胶的机械与化学性质（如粘附性、胶膜厚度、热稳定性等）；感光剂，感光剂对光能发生光化学反应；溶剂（Solvent），保持光刻胶的液体状态，使之具有良好的流动性；添加剂（Additive），用以改变光刻胶的某些特性，如改善光刻胶发生反射而添加染色剂等。1.负性光刻胶。树脂是聚异戊二烯，一种天然的橡胶；溶剂是二甲苯；感光剂是一种经过曝光后释放出氮气的光敏剂，产生的自由基在橡胶分子间形成交联。从而变得不溶于显影液。负性光刻胶在曝光区由溶剂引起泡涨；曝光时光刻胶容易与氮气反应而抑制交联。2.正性光刻胶。树脂是一种叫做线性酚醛树脂的酚醛甲醛，提供光刻胶的粘附性、化学抗蚀性，当没有溶解抑制剂存在时，线性酚醛树脂会溶解在显影液中；感光剂是光敏化合物（PAC，Photo Active Compound），最常见的是重氮萘醌（DNQ），在曝光前，DNQ是一种强烈的溶解抑制剂，降低树脂的溶解速度。在紫外曝光后，DNQ在光刻胶中化学分解，成为溶解度增强剂，大幅提高显影液中的溶解度因子至100或者更高。这种曝光反应会在DNQ中产生羧酸，它在显影液中溶解度很高。正性光刻胶具有很好的对比度，所以生成的图形具有良好的分辨率。 b、化学放大光刻胶（CAR，Chemical Amplified Resist）。树脂是具有化学基团保护（t-BOC）的聚乙烯（PHS）。有保护团的树脂不溶于水；感光剂是光酸产生剂（PAG，Photo Acid Generator），光刻胶曝光后，在曝光区的PAG发生光化学反应会产生一种酸。该酸在曝光后热烘（PEB，Post Exposure Baking）时，作为化学催化剂将树脂上的保护基团移走，从而使曝光区域的光刻胶由原来不溶于水转变为高度溶于以水为主要成分的显影液。化学放大光刻胶曝光速度非常快，大约是DNQ线性酚醛树脂光刻胶的10倍；对短波长光源具有很好的光学敏感性；提供陡直侧墙，具有高的对比度；具有0.25m及其以下尺寸的高分辨率。第二章 光刻工艺流程2.1 光刻工艺流程一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序2.1.1 硅片清洗烘干方法：湿法清洗去离子水冲洗脱水烘焙（热板1502500C,12分钟，氮气保护）目的：a、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；b、除去水蒸气，是基底表面由亲水性变为憎水性，增强表面的黏附性（对光刻胶或者是HMDS-六甲基二硅胺烷）。2.1.2 涂底方法：a、气相成底膜的热板涂底。HMDS蒸气淀积，2002500C,30秒钟；优点：涂底均匀、避免颗粒污染； b、旋转涂底。缺点：颗粒污染、涂底不均匀、HMDS用量大。目的：使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性。2.1.3 旋转涂胶方法：a、静态涂胶（Static）。硅片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶剂（原光刻胶的溶剂约占6585%,旋涂后约占1020%）；b、动态（Dynamic）。低速旋转（500rpm_rotation per minute）、滴胶、加速旋转（3000rpm）、甩胶、挥发溶剂。决定光刻胶涂胶厚度的关键参数：光刻胶的黏度（Viscosity），黏度越低，光刻胶的厚度越薄；旋转速度，速度越快，厚度越薄；影响光刻胶厚度均运性的参数：旋转加速度，加速越快越均匀；与旋转加速的时间点有关。一般旋涂光刻胶的厚度与曝光的光源波长有关（因为不同级别的曝光波长对应不同的光刻胶种类和分辨率）：I-line最厚，约0.73m；KrF的厚度约0.40.9m；ArF的厚度约0.20.5m。 2.1.4 软烘方法：真空热板，85120,3060秒；目的：除去溶剂（47%）；增强黏附性；释放光刻胶膜内的应力；防止光刻胶玷污设备；边缘光刻胶的去除（EBR，Edge Bead Removal）。光刻胶涂覆后，在硅片边缘的正反两面都会有光刻胶的堆积。边缘的光刻胶一般涂布不均匀，不能得到很好的图形，而且容易发生剥离（Peeling）而影响其它部分的图形。所以需要去除。方法：a、化学的方法（Chemical EBR）。软烘后，用PGMEA或EGMEA去边溶剂，喷出少量在正反面边缘出，并小心控制不要到达光刻胶有效区域；b、光学方法（Optical EBR）。即硅片边缘曝光（WEE，Wafer Edge Exposure）。在完成图形的曝光后，用激光曝光硅片边缘，然后在显影或特殊溶剂中溶解2.1.5 对准并曝光对准方法：a、预对准，通过硅片上的notch或者flat进行激光自动对准；b、通过对准标志（Align Mark），位于切割槽（Scribe Line）上。另外层间对准，即套刻精度（Overlay），保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准。 曝光中最重要的两个参数是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。如果能量和焦距调整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的图形。表现为图形的关键尺寸超出要求的范围。曝光方法：a、接触式曝光（Contact Printing）。掩膜板直接与光刻胶层接触。曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相当，设备简单。缺点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，寿命很低（只能使用525次）；1970前使用，分辨率0.5m。b、接近式曝光（Proximity Printing）。掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为1050m。可以避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤。但是同时引入了衍射效应，降低了分辨率。1970后适用，但是其最大分辨率仅为24m。c、投影式曝光（Projection Printing）。在掩膜板与光刻胶之间使用透镜聚集光实现曝光。一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作。优点：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影响减小。投影式曝光分类：a、扫描投影曝光（Scanning Project Printing）。70年代末80年代初，1m工艺；掩膜板1：1，全尺寸；b、步进重复投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或称作Stepper）。80年代末90年代，0.35m（I line）0.25m（DUV）。掩膜板缩小比例（4：1），曝光区域（Exposure Field）2222mm（一次曝光所能覆盖的区域）。增加了棱镜系统的制作难度。c、扫描步进投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。90年代末至今，用于0.18m工艺。采用6英寸的掩膜板按照4：1的比例曝光，曝光区域（Exposure Field）2633mm。优点：增大了每次曝光的视场；提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。但是，同时因为需要反向运动，增加了机械系统的精度要求。在曝光过程中，需要对不同的参数和可能缺陷进行跟踪和控制，会用到检测控制芯片/控片（Monitor Chip）。根据不同的检测控制对象，可以分为以下几种：a、颗粒控片（Particle MC）：用于芯片上微小颗粒的监控，使用前其颗粒数应小于10颗；b、卡盘颗粒控片（Chuck Particle MC）：测试光刻机上的卡盘平坦度的专用芯片，其平坦度要求非常高；c、焦距控片（Focus MC）：作为光刻机监控焦距监控；d、关键尺寸控片（Critical Dimension MC）：用于光刻区关键尺寸稳定性的监控；e、光刻胶厚度控片（PhotoResist Thickness MC）：光刻胶厚度测量；f、光刻缺陷控片（PDM，Photo Defect Monitor）：光刻胶缺陷监控2.1.6 后烘方法：热板，1101300C,1分钟。目的：a、减少驻波效应；b、激发化学增强光刻胶的PAG产生的酸与光刻胶上的保护基团发生反应并移除基团使之能溶解于显影液。 2.1.7 显影方法：a、整盒硅片浸没式显影（Batch Development）。缺点：显影液消耗很大；显影的均匀性差；b、连续喷雾显影（Continuous Spray Development）/自动旋转显影（Auto-rotation Development）。一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面，同时硅片低速旋转（100500rpm）。喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。c、水坑（旋覆浸没）式显影（Puddle Development）。喷覆足够（不能太多，最小化背面湿度）的显影液到硅片表面，并形成水坑形状（显影液的流动保持较低，以减少边缘显影速率的变化）。硅片固定或慢慢旋转。一般采用多次旋覆显影液：第一次涂覆、保持1030秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。然后用去离子水冲洗（去除硅片两面的所有化学品）并旋转甩干。优点：显影液用量少；硅片显影均匀；最小化了温度梯度。显影液：a、正性光刻胶的显影液。正胶的显影液位碱性水溶液。KOH和NaOH因为会带来可动离子污染（MIC，Movable Ion Contamination），所以在IC制造中一般不用。最普通的正胶显影液是四甲基氢氧化铵（TMAH）（标准当量浓度为0.26，温度15250C）。在I线光刻胶曝光中会生成羧酸，TMAH显影液中的碱与酸中和使曝光的光刻胶溶解于显影液，而未曝光的光刻胶没有影响；在化学放大光刻胶（CAR，Chemical Amplified Resist）中包含的酚醛树脂以PHS形式存在。CAR中的PAG产生的酸会去除PHS中的保护基团（t-BOC），从而使PHS快速溶解于TMAH显影液中。整个显影过程中，TMAH没有同PHS发生反应。b、负性光刻胶的显影液。二甲苯。清洗液为乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。显影中的常见问题：a、显影不完全（Incomplete Development）。表面还残留有光刻胶。显影液不足造成；b、显影不够（Under Development）。显影的侧壁不垂直，由显影时间不足造成；c、过度显影（Over Development）。靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。显影时间太长。2.1.8 硬烘方法：热板，1001300C（略高于玻璃化温度Tg），12分钟。目的：a、完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂（以免在污染后续的离子注入环境，例如DNQ酚醛树脂光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂）；b、坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力；c、进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性；d、进一步减少驻波效应（Standing Wave Effect）。常见问题：a、烘烤不足（Underbake）。减弱光刻胶的强度（抗刻蚀能力和离子注入中的阻挡能力）；降低针孔填充能力（Gapfill Capability for the needle hole）；降低与基底的黏附能力。b、烘烤过度（Overbake）。引起光刻胶的流动，使图形精度降低，分辨率变差。另外还可以用深紫外线（DUV，Deep Ultra-Violet）坚膜。使正性光刻胶树脂发生交联形成一层薄的表面硬壳，增加光刻胶的热稳定性。在后面的等离子刻蚀和离子注入（1252000C）工艺中减少因光刻胶高温流动而引起分辨率的降低。2.2 光刻工艺常规光刻技术是采用波长为20004500埃的紫外光作为图像信息载体，以光致抗蚀剂为中间（图像记录）媒介实现图形的变换、转移和处理，最终把图像信息传递到晶片(主要指硅片)或介质层上的一种工艺。在广义上，它包括光复印和刻蚀工艺两个主要方面。 2.2.1光复印工艺经曝光系统将预制在掩模版上的器件或电路图形按所要求的位置，精确传递到预涂在晶片表面或介质层上的光致抗蚀剂薄层上。 2.2.2 刻蚀工艺利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。集成电路各功能层是立体重叠的，因而光刻工艺总是多次反复进行。例如，大规模集成电路要经过约10次光刻才能完成各层图形的全部传递。在狭义上，光刻工艺仅指光复印工艺的工艺过程。2.3曝光方式 2.3.1 接触式曝光 接触式曝光和非接触式曝光的区别，在于曝光时掩模与晶片间相对关系是贴紧还是分开。接触式曝光具有分辨率高、复印面积大、复印精度好、曝光设备简单、操作方便和生产效率高等特点。但容易损伤和沾污掩模版和晶片上的感光胶涂层,影响成品率和掩模版寿命,对准精度的提高也受到较多的限制。一般认为，接触式曝光只适于分立元件和中、小规模集成电路的生产。 2.3.2 非接触式曝光非接触式曝光主要指投影曝光。在投影曝光系统中，掩膜图形经光学系统成像在感光层上，掩模与晶片上的感光胶层不接触,不会引起损伤和沾污,成品率较高，对准精度也高，能满足高集成度器件和电路生产的要求。但投影曝光设备复杂，技术难度高，因而不适于低档产品的生产。现代应用最广的是 1:1倍的全反射扫描曝光系统和x:1倍的在硅片上直接分步重复曝光系统。第三章 光刻技术现状与未来发展趋势3.1 光刻技术现状正如戈登摩尔在1965年所预测那样，过去40年来，通过企业管理创新和技术发展的结合，半导体芯片的集成度持续增加，同时芯片功能也不断得到增强，而芯片的价格却在不断下降。在过去10年中，芯片小型化一度被认为会走到尽头，但每一次，一项技术的突破都使得摩尔定律将设备更新延续一代。2006年，浸入式光刻技术首次被用于生产新一代45纳米NAND闪存器件。双模式图形化技术作为下一代光刻技术将用于支持32纳米半间距设备制造。EUV（极短紫外线）光刻技术作为下一代光刻技术也已经形成，而当今的其他技术，如纳米光刻技术将挑战极紫外波段的22纳米及以下的节点。在目前浸没式光刻技术的情况，以及未来出现的新技术的成本和实用性方面：在32纳米技术节点，SpacerDP技术将成为存储器制程的主要光刻工艺，而PitchsplittingDP技术则将是逻辑制程的主要光刻技术。在22纳米及以下节点方面，SpacerDP技术可以是存储器制程光刻技术的选择之一，EUV技术则可能是通用制程的唯一候选者。而PitchsplittingDP技术只是备选方案。3.2光刻技术未来发展趋势3.2.1浸入式光刻技术由公式R=k*/(NA)= =k/(n*sin)，空气的折射率为1，水的折射率为1.47（相对于193nm的深紫外光而言）；所以，用水来代替空气，可以提高光刻系统的数值孔径（NA，Numerical Aperture），最终可以提升分辨率。在ITRS2003版本中，增加了浸入式光刻，作为45nm节点的解决方案。近年，浸入式光刻发展非常迅猛，并获得了产业界持续发展的信心。在ITRS2005版本中，已将浸入式光刻列为32nm甚至22nm节点的可能解决方案挑战：气泡问题（Water Bubble）；温度不均匀（Temperature Effect）。下一步发展中的挑战在于研发高折射率的抗蚀剂、高折射率的液体和高折射率的光学材料。3.2.2 深紫外光刻通过缩小光源的波长来改善分辨率。F2的准分子激光光源157nm。有望成为5070nm的解决方案。需要同浸入式结合才有可能存在，而且可能性比较小的选择。挑战：易被氧气吸收，需要真空环境；光强比较弱，易被透镜吸收，折射透镜系统设计非常复杂；高灵敏度的光刻胶。3.2.3 极紫外光刻又称作软X射线（Soft X-ray）。极紫外光的波长为1114nm，可以大幅提升分辨率。由于极紫外光非常容易被吸收，所以光学系统（透镜等）和掩膜板都要采用反射式传递图形信息。光刻胶为PMMA。在ITRS2005版本中，已将EUV光刻列为32nm、 22nm甚至16nm节点的可能解决方案。挑战：极紫外光容易被吸收，必须真空环境；掩膜板很特殊，制作困难；设备的