第13章光刻气相成膜到软烘

第13章光刻：气相成膜到软烘2/3/20231集成电路工艺目标解释光刻的基本概念，包括工艺概述、关键尺寸划分、光谱、分辨率、工艺容宽等。负性和正性光刻的区别描述光刻的8个基本步骤如何在光刻前处理硅片表面描述光刻胶并讨论其物理特性如何使用光刻胶软烘的目的2/3/20232集成电路工艺提纲1.基本概念2.光刻工艺3.气相成底膜处理4.旋涂胶5.软烘6.光刻胶质量测量2/3/20233集成电路工艺1.基本概念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。光刻——图形转移的任一复制过程。光刻成本占加工成本的三分之一。光刻胶（photoresist）掩膜版（photomask）2/3/20234集成电路工艺关键尺寸关键尺寸－所需达到的最小尺寸，最难控制的尺寸。常用来描述工艺技术的节点或称为某一代。减少关键尺寸可在单个硅片上布局更多芯片，可降低制造成本，提高利润。2/3/20235集成电路工艺光谱能量满足激活光刻胶并将图形从投影掩膜版中转移。常用紫外光（UV）深紫外光(DUV)——波长300nm以下2/3/20236集成电路工艺重要UV波长UV波长(nm)波长名UV发射源436G线汞灯405H线汞灯365I线汞灯248深紫外(DUV)汞灯或氟化氪(KrF)准分子激光193深紫外(DUV)氟化氩(ArF)准分子激光157真空紫外(VUV)氟(F2)准分子激光2/3/20237集成电路工艺分辨率分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力。在过去，硅片制造业关键尺寸每年约减小11％。器件特征尺寸的缩小使其通过等比例缩小、电路密度增加和芯片尺寸减小而改善芯片性能。2/3/20238集成电路工艺套准精度光刻要求硅片表面上存在的图案与掩膜版上的图形准确对准，这种特性指标就是套准精度。当图形形成要多次用到掩膜版时，任何套准误差（套准容差）都会影响到硅片表面上不同图案间总的布局容宽度。2/3/20239集成电路工艺工艺宽容度在光刻工艺中有许多是可变量。如设备设定、材料种类、人为操作、机器对准、材料随时间的稳定性。工艺宽容度表示光刻始终如一地处理符合特定要求产品的能力。目标是获得最大的工艺宽容度，以提高工艺生成好器件的能力。2/3/202310集成电路工艺2.光刻工艺光刻包括：负性光刻正性光刻2/3/202311集成电路工艺负性光刻负性光刻的基本特征是当曝光后，光刻胶会因交联而变得不可溶解，并会硬化。一旦硬化，关联的光刻胶就不能在溶剂中被洗掉。负性光刻胶得到了与掩膜版上图案相反的图形。2/3/202312集成电路工艺正性光刻正性光刻工艺中，复制到硅片表面上的图形与掩膜版上的一样。被紫外光曝光后的区域经历了一种光化学反应，在显影液中软化并可溶解在其中。2/3/202313集成电路工艺光刻的8个步骤气相成底膜(Vaperprime)旋转涂胶(Spincoat)软烘(Softbake)对准和曝光(Alignmentandexposure)曝光后烘培(Post-exposurebake,PEB)显影(Develop)坚膜烘培(Hardbake)显影检查(Developinspect)2/3/202314集成电路工艺气相成底膜(Vaperprime)清洗、脱水和硅片表面成底膜处理目的：增强硅片和光刻胶的粘附性。硅片清洗包括湿法清洗和去离子水冲洗以去除沾污物。脱水、干烘在一个封闭腔内完成，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,简称HMDS）进行成膜处理，起到粘附促进剂的作用。2/3/202315集成电路工艺旋转涂胶(Spincoat)旋转涂胶的方法在硅片上涂液相光刻胶材料。硅片被固定在一个真空载片台上，一定数量的液体光刻胶滴在硅片上，然后硅片旋涂得到一层均匀的光刻胶涂层。不同的光刻胶有不同的旋涂条件。2/3/202316集成电路工艺软烘(Softbake)软烘的目的是去除光刻胶中的溶剂。软烘提高了粘附性，提升了光刻胶的均匀性，在刻蚀中得到了更好的线宽控制。典型的软烘条件是在热板上90℃到100℃烘30秒。2/3/202317集成电路工艺对准和曝光

(Alignmentandexposure)掩膜版与涂胶后硅片上的正确位置对准。一旦对准，将掩膜版和硅片曝光，把掩膜版图形转移到涂胶的硅片上。对准和曝光的重要质量指标是线宽分辨率、套准精度、颗粒和缺陷。2/3/202318集成电路工艺曝光后烘培

(Post-exposurebake,PEB)对于深紫外(DUV)光刻胶必须进行曝光后烘培。在100℃到110℃的热板上进行。2/3/202319集成电路工艺显影(Develop)光刻胶上的可溶解区域被化学显影剂溶解，将可见的岛或者窗口图形留在硅片表面。通常的显影方法有旋转、喷雾、浸润。2/3/202320集成电路工艺坚膜烘培(Hardbake)显影后的热烘为坚膜烘培烘培要求挥发掉存留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的粘附性。正胶的坚膜烘培温度约为120℃到140℃。这一步是稳固光刻胶，对下面的刻蚀和离子注入过程非常关键。2/3/202321集成电路工艺显影检查(Developinspect)显影后检查来确定光刻胶图形的质量。检查的目的：找出光刻胶有质量问题的硅片，描述光刻胶工艺性能以满足规范要求。显影后检查发现错误可纠正，否则硅片一旦被错误刻蚀，就成了废品。2/3/202322集成电路工艺3.气相成底膜处理（1）硅片清洗（2）脱水烘培（3）硅片成底膜2/3/202323集成电路工艺（1）硅片清洗光刻过程中硅片上沾污物的一个主要影响是造成光刻胶与硅片的粘附性很差，会在显影和刻蚀中引起光刻胶的漂移问题。光刻胶漂移导致底层薄膜的钻蚀。光刻胶中的颗粒沾污会导致不平坦的光刻胶涂布或在光刻胶中产生针孔。通常进入光刻工艺的硅片刚完成氧化或淀积操作，并处于洁净的状态。2/3/202324集成电路工艺（2）脱水烘培硅片容易吸附潮气到它表面。控制方法：尽快进行涂胶；相对湿度控制在50％以下。常用的脱水烘培温度200℃到250℃。在传统的充满惰性气体的烘箱或真空烘箱中完成。脱水烘培过程被集成到硅片传送系统中。2/3/202325集成电路工艺（3）硅片成底膜脱水烘培后硅片马上要用六甲基二硅胺烷(HMDS)进行成膜处理，起到提高粘附力的作用。HMDS影响硅片表面使之疏离水分子，同时形成对光刻胶材料的结合力。HMDS可用浸泡、喷雾和气相方法来涂。气相成底膜最常用，由于没有与硅片接触减少了来自液体HMDS颗粒的沾污可能；气相法HMDS消耗量也少。2/3/202326集成电路工艺4.旋涂胶光刻胶又称光致抗蚀剂，由感光树脂、增感剂（见光谱增感染料）和溶剂三种主要成分组成的对光敏感的混合液体。感光树脂经光照后，在曝光区能很快地发生光固化反应，使得这种材料的物理性能，特别是溶解性、亲合性等发生明显变化。经适当的溶剂处理，溶去可溶性部分，得到所需图像。2/3/202327集成电路工艺光刻胶的作用1.将掩膜版图案转移到硅片表面顶层的光刻胶中。2.在后续工艺（如刻蚀或离子注入阻挡层）中，保护下面的材料。2/3/202328集成电路工艺正负光刻胶负性光刻胶在曝光后硬化变得不可溶解，显影后图像与原先掩膜版的图形相反。正性光刻胶曝光时软化，变得可溶，显影后图像与原先掩膜版图形一样。负性光刻胶通常只有2μm的分辨率。正性光刻胶的粘附性较差。2/3/202329集成电路工艺光刻胶的物理特性－1分辨率－区别硅片表面上两个或更多的邻近特征图形的能力。对比度－光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度。敏感性－硅片表面光刻胶中产生一个良好图形所需要的一定波长光的最小能量值(mJ/cm2)。提供给光刻胶的光能量值通常称为曝光量。粘滞性－指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标。粘滞性增加，光刻胶流动的趋势变小。粘度单位泊(poise)。2/3/202330集成电路工艺光刻胶的物理特性－2粘附性－描述光刻胶粘于衬底的强度。抗蚀性－在后续的蚀刻中保护衬底表面的能力。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。存储和传送－需规定光刻胶闲置期限和存储温度环境。沾污和颗粒－光刻胶材料的纯度很重要。控制可动离子沾污和颗粒。2/3/202331集成电路工艺旋涂胶的步骤1.分滴。当硅片静止或旋涂得非常缓慢时，光刻胶被分滴在硅片上。2.旋转铺开。快速加速硅片的旋转到一高转速使光刻胶伸展到整个硅片表面。3.旋转甩掉。甩去多余的光刻胶，在硅片上得到均匀的光刻胶覆盖层。4.溶剂挥发。以固定转速继续旋转已涂胶的硅片，直至溶剂挥发，光刻胶胶膜几乎干燥。2/3/202332集成电路工艺胶膜厚度通常粘度小的光刻胶有较薄的胶厚厚度并不是由淀积的光刻胶的量来控制的，因为绝大部分光刻胶都分离了硅片。对于光刻胶厚度最关键的参数是转速和光刻胶粘度。粘度越高转速越低，光刻胶就越厚。2/3/202333集成电路工艺5.软烘将硅片上覆盖的光刻胶溶剂去除。增强光刻胶的粘附性以便在显影时光刻胶可以很好地粘附。缓和在旋转过程中光刻胶胶膜内产生的应力。防止光刻胶沾到设备上。2/3/202334集成电路工艺6.光刻胶质量测量光刻胶粘附性光刻胶覆盖硅片的质量问题光刻胶膜厚度2/3/202335集成电路工艺光刻胶粘附性缺陷类型：光刻胶去湿（脱落），光刻胶不能粘附于衬底，在后续的刻蚀或离子注入中引起问题。可能原因：硅片表面沾污；不充分的HMDS成底膜或脱水烘培引起硅片表面有潮气；过分的HMDS成底膜可能导致光刻胶爆裂，使得光刻胶粘附性差而失效2/3/202336集成电路工艺光刻胶覆盖硅片的质量问题缺陷类型：光刻胶中的针孔溅落（光刻胶胶滴落在光刻胶涂层上）光刻胶起皮（在光刻胶膜顶层有一不溶的干胶薄层）可能原因：掩膜版或硅片上的颗粒沾污旋转涂胶机的排风量不合适旋转速率太高，高的旋转速率可能导致光刻胶中有条纹。2/3/202337集成电路工艺光刻胶膜厚度缺陷类型：光刻胶厚度超出控制范围厚度不均匀可能原因：检查旋转加速度和速度。旋转速度越高，光刻胶越薄。在低速旋转时，不规则的溶剂挥发导致厚度不均匀。检验正确旋转时间。检查光刻胶种类和粘度是否正确。证明在高速旋转干燥过程中没有机械震动和空气湍流。2/3/202338集成电路工艺小结光刻将图形从掩膜版转移到硅片表面的UV光敏光刻胶上。分辨率是可形成的最小特征图形。负性光刻胶在硅片上形成的图形与掩膜版上图形相反，而正性光刻在硅片上形成的图形和掩膜版上图形相同。光刻的八个步骤：气相成底膜