半导体制造技术-光刻

1、半导体制造技术半导体制造技术光刻345光刻：使用光敏光刻胶材料和可控制的曝光在硅片表面形成三维图形，包括：照相、制版、掩膜、图形生成。也就是将图形转移到一个平面的复制过程。光刻是IC制造中最关键的步骤，处于中心地位，占成本约1/3。67 掩膜版（投影）：包含要在硅片上重复生成的图形。 光谱：光谱能量要能够激活光刻胶910光刻（lithography）技术的特点 1、光刻是一种表面加工技术； 2、光刻是复印图象和化学腐蚀相结合的综合性技术； 3、器件的尺寸越小，集成电路的集成度越高，对光刻精度的要求就越高，难度就越大。对光刻的基本要求 高的图形分辨率（resolution) 分辨率：将硅片上两个

2、邻近特征图形区分开的能力特征尺寸、关键尺寸（曝光的波长减小到CD同样大小） 高灵敏度(sensitivity)； 低缺陷(defect)； 精密的套刻对准（alignment and overlay) 套准精度：硅片上的图案与掩膜版上的图案精确对准 高工艺宽容度 工艺宽容度：光刻始终如一处理特定要求产品的能力1213光刻胶负胶：晶片上图形与掩膜相反曝光部分发生交联反应，不可溶解，变硬没有曝光的部分去除正胶:晶片上图形与掩膜相同曝光部分发生降解反应，可溶解曝光的部分去除负胶负胶 Negative Optical resist 负胶的光学性能是从可负胶的光学性能是从可溶解性到不溶解性。溶解性到不溶

3、解性。 负胶在曝光后发生负胶在曝光后发生交链交链作用作用形成网络结构，在形成网络结构，在显影液中很少被溶解，显影液中很少被溶解，而未被曝光的部分充分而未被曝光的部分充分溶解。溶解。正胶正胶Positive Optical Resistv正胶的光化学性质是从正胶的光化学性质是从抗溶解到可溶性。抗溶解到可溶性。v正胶曝光后显影时感光正胶曝光后显影时感光的胶层溶解了。的胶层溶解了。v现有现有VLSI工艺都采用正工艺都采用正胶胶 16负胶 正胶 （a）亮场掩膜版和负胶组合 图形尺寸变小（b）暗场掩膜版和正胶组合 图形尺寸变大晶圆晶圆非聚合光刻胶聚合光刻胶(a)(b)18 正胶和负胶的比较 在工艺发展的

4、早期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，随着VLSI IC和25微米图形尺寸的出现，负胶已不能满足要求。随后出现了正胶，但正胶的缺点是粘结能力差。 用正胶需要改变掩膜版的极性，这并不是简单的图形翻转。因为用掩膜版和两种不同光刻胶结合，在晶园表面光刻得到的尺寸是不一样的（见下图）由于光在图形周围的衍射效应，使得用负胶和亮场掩膜版组合在光刻胶层上得到的图形尺寸要比掩膜版上的图形尺寸小。用正胶和暗场掩膜版组合会使光刻胶层上的图形尺寸变大。 正胶成本比负胶高，但良品率高； 负胶所用的显影剂容易得到，显影过程中图形尺寸相对稳定。 对于要求高的制作工艺选择正胶，而对于那些图形尺寸大于2微米的工艺还是选择负胶

5、。图8.21显示了两种类型光刻胶属性的比较。参数负胶正胶纵横比（分辨力）更高黏结力更好曝光速度更快针孔数量更少阶梯覆盖度更好成本更高显影液有机溶剂水溶性溶剂光刻胶去除剂氧化工步酸酸金属工步氯化溶剂化合物普通酸溶剂21光刻工艺8步骤2223241、气相成底膜目的：增强光刻胶与硅片的粘附性步骤： 清洗， 脱水， 硅片表面成底膜处理。 1.分滴：当硅片静止或者旋转的非常慢时，光刻胶被分滴在硅片上 2.旋转铺开：快速加速硅片使光刻胶伸展到整个硅片表面 3.旋转甩掉：甩掉多于的光刻胶，在硅片上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层。 4.溶剂挥发：以固定转速继续旋转涂胶的硅片，直到溶剂挥发，光刻胶胶膜几乎干燥2.旋

6、转涂胶（Spin-on PR Coating）263. 软烘（soft baking） 因为光刻胶是一种粘稠体，所以涂胶结束后并不能直接进行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。烘焙后的光刻胶仍然保持“软”状态。但和晶圆的粘结更加牢固。 目的:去除光刻胶中的溶剂。 蒸发溶剂的原因： 1）溶剂吸收光，干扰了曝光中聚合物的化学反应。 2）蒸发溶剂增强光刻胶和晶圆的粘附力。 时间和温度是软烘的参数。 不完全的烘焙在曝光过程中造成图像形成不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移； 过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应，影响曝光。29软烘特点: 增强光刻胶与硅片的粘附性

7、促进光刻胶的均匀性 提高线宽控制 典型烘焙温度 90 to 100C For About 30 Seconds 在热板上 随后在冷板上降温 4.对准和曝光（Alignment） （Exposure ） 对准是将掩膜版与与前道工序中已刻在硅片上的图形对准 曝光是对准以后，将掩膜版和硅片曝光，把掩膜版图形转移到涂胶的硅片上,实现图形复制。 对准和曝光对准和曝光 对准是把所需图形在晶园表面上定位或对准。而曝光是通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上。如果说光刻胶是光刻工艺的“材料”核心，那么对准和曝光则是该工艺的“设备”核心。图形的准确对准是保证器件和电路正常工作的决定性因素之一。 对准和曝

8、光包括两个系统：一个是要把图形在晶园表面上准确定位（不同的对准机类型的对准系统各不相同）；另一个是曝光系统（包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向到晶园表面上的机械装置）。对准 对准就是确定硅片上图形的位置、方向和图形转换的过程。 对准过程的结果，或者每个连续的图形与先前层匹配的精度，被称做套准。 套准精度是测量对准系统把版图套准到硅片上图形的能力。套准容差描述要形成的图形层和前层的最大相对位移。一般套准容差是关键尺寸的三分之一。衍射给光刻带来的问题 投影掩膜板上有小的清晰图形并且间距很窄。曝光时，光必须通过这些图形。衍射图样夺走了曝光能量，并使光发散，导致光刻胶上不需要曝光的地方被曝光。 由衍

9、射引起的干涉图样使小接触孔和小线条很难被光刻。分辨率 光刻中，分辨率被定义为清晰分辨出硅片上间隔很近的特征图形对的能力。分辨率对于任何光学系统都是一个重要的参数。分辨率 光刻中，分辨率被定义为清晰分辨出硅片上间隔很近的特征图形对的能力。分辨率对于任何光学系统都是一个重要的参数。375、曝光后烘焙 对深紫外线曝光是必须的 典型温度 100 to 110C (热板) 曝光后马上进行 现在成为实际标准 显影液溶解部分光刻胶 将掩膜上的图形转移到光刻胶上6. 显影（Development）三个基本步骤: 显影清洗干燥397、坚膜烘焙 显影后热烘 挥发残留溶剂 提高胶和硅片粘附性 比软烘温度高些 (12

10、0 to 140C) 408、显影后检查 确定图形质量确定质量问题 (缺陷)描述光刻工艺能满足要求防止缺陷传递下去 Etch Implant有缺陷可以去除光刻胶或返工 典型的方法：自动检查，“检查工作站” 41光刻胶的物理特性：1、分辨率区别硅片表面两个或更多邻近特征图形的能力2、对比度光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度3、敏感度光刻胶产生一个良好图形所需一定波长光的最小能量值4、粘滞性描述液体光刻胶的流动特性5、粘附性光刻胶粘附于衬底的强度42光刻胶的物理特性：6、抗蚀性保持粘附性，并在后续刻蚀工艺中保护衬底表面7、表面张力液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间吸引力8、存储和传送保存期限和温度环境，传送时避免沾污、挥发和暴露在大气中9、沾污和颗粒光刻胶纯度（可动离子沾污和颗粒）-过滤4344 光刻胶质量测量1、光刻胶粘附性：光刻胶去湿（脱落）