第五章半导体器件工艺学之光刻

第五章光刻§5-1光刻材料§5-2光刻工艺§5-3先进的光刻技术§5-1光刻材料一、概述制作掩膜版将掩膜版上的图形转移到硅片表面的光敏薄膜上刻蚀离子注入（掺杂）光刻使用光敏光刻胶材料和受控制的曝光形成三维图形光刻是IC制造中关键步骤1/3成本、40%—50%生产时间、决定CD多次光刻光刻材料：光刻胶掩膜版二、光刻胶（PR）1.光刻胶的特性及作用是一种光敏材料通过曝光使光刻胶在显影液中的溶解度发生改变可溶→不可溶（负胶）不可溶→可溶（正胶）光刻胶的作用：保护下层材料光刻胶：负性光刻胶正性光刻胶

2.光刻胶的组成

树脂感光剂溶剂另外还有添加剂负性光刻胶树脂（可溶于显影液）曝光后感光剂产生自由基自由基使树脂交联而不溶于显影液显影后图形与掩膜版相反正性光刻胶树脂（本身是可溶于显影液，感光剂是一种强力溶解抑制剂）曝光后感光剂产生酸酸提高树脂在显影液中的溶解度显影后图形与掩膜版相同对比：正、负光刻胶负胶：显影泡胀而变形，使分辨率下降曝光速度快，与硅片粘附性好价格便宜2μm分辨率正胶：无膨胀，良好的线宽分辨率和基片之间的粘附性差当前主要使用正胶3.光刻胶发展传统I线光刻胶（I线紫外波长365nm，0.35μmCD）深紫外（DUV）光刻胶（248nm，0.25μmCD）深紫外光刻胶的化学放大（193nm，0.18μmCD）4.光刻胶的特性分辨率：将硅片上两个邻近的特征图形区分开的能力对比度：光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度敏感度：产生一个良好图形所需的最低能量粘滞度：液体光刻胶的流动特性的定量指标粘附性：光刻胶粘着衬底的强度抗蚀性：在后面的加工工艺中保持化学稳定性三、掩膜版掩膜版：包含整个硅片上所有管芯投影掩膜版：包含一个管芯或几个管芯两个基本部分：基板（石英版）+不透光材料基板要求：低温度膨胀、高光学透射、耐腐蚀、材料表面和内部没有缺陷超微粒干版：AgBr（卤化银）铬版：Cr（铬）+氧化铬氧化铁版：Fe2O3（氧化铁）投影掩模板采用电子束光刻直写式投影掩模板的损伤：掉铬、表面擦伤、静电放电、灰尘颗粒投影掩模板的保护膜：§5-2光刻工艺正性和负性光刻工艺：

负性光刻正性光刻光刻的基本步骤气相成底膜旋转涂胶前烘对准和曝光曝光后烘焙显影坚膜烘焙显影检查基本步骤目的：增强硅片与光刻胶的黏附性底膜处理的步骤1.硅片清洗不良的表面沾污会造成：光刻胶与硅片的黏附性差，可能会浮胶、钻蚀颗粒沾污会造成不平坦的涂布，光刻胶针孔2.脱水烘焙使硅片表面呈干燥疏水性3.底膜处理HMDS作用：影响硅片表面形成疏水表面增强硅片与胶的结合力成底膜技术：旋转法和气相法一、气相成底膜硅片清洗脱水烘焙与气相成底膜二、旋转涂胶质量参数：厚度、均匀性、颗粒沾污、光刻胶缺陷（如针孔）等厚度和均匀性光刻胶厚度通常在1μm数量级单片厚度变化≤20—50A大批量的片间厚度＜30A旋转涂胶4个基本步骤匀胶机三、前烘（软烘）目的：光刻胶中的溶剂部分挥发增强光刻胶的粘附性，光吸收及抗腐蚀能力缓和涂胶过程中光刻胶膜内产生的应力如果没有前烘，可能带来的问题有：光刻胶发黏，易受颗粒污染光刻胶来自旋转涂胶的内在应力将导致粘附性问题溶剂含量过高导致显影时由于溶解差异，而很难区分曝光和未曝光的光刻胶光刻胶散发的气体可能污染光学系统的透镜烘箱与热板四、对准和曝光对准和曝光工艺代表了现代光刻中的主要设备系统硅片被定位在光学系统的聚焦范围内，硅片的对准标记与掩膜版上匹配的标记对准后，紫外光通过光学系统透过掩膜版进行图形投影，这样就对光刻胶进行曝光。曝光方式和设备曝光光源光学光刻特性曝光质量1.曝光方式和设备：接触式/接近式光刻机光学扫描投影光刻机步进扫描光刻机电子束光刻机非光学X射线光刻机离子束光刻机接触式光刻机20世纪70年代使用，用于5μm及以上尺寸特点：掩膜版容易损坏易受颗粒沾污高分辨率，可以实现亚微米（0.4μm）线宽接触式光刻机接近式光刻机由接触式发展来，70年代使用，用于2μm—4μm尺寸线宽特点：与接触式相比减少了沾污问题掩膜版的寿命也较长由于光的衍射而分辨率降低接近式光刻机接近式光刻机上的边缘衍射和表面反射接触和接近式光刻机扫描投影式光刻机70年代末80年代初，现在仍有使用，用来实现1μm的非关键层使用1：1掩膜版特点：亚微米尺寸的掩膜版制作困难扫描投影式光刻机步进扫描式光刻机近年主流设备，用于形成0.25μm及以下尺寸使用投影掩膜版（1：1，4：1，5：1，10：1）特点：高分辨率精度易受环境影响（如振动）光路复杂，设备昂贵

步进扫描光刻机步进投影式光刻机非光学曝光电子束曝光X射线曝光离子束曝光电子束曝光机2.曝光光源：最常用的两种紫外光源：汞灯准分子激光汞灯：发出240nm—500nm之间的辐射准分子激光：248nm氟化氪激光器（常用）193nm氟化氩激光器（下一代技术）157nm波长的激光器（潜在的0.15μmCD的光源）先进和特殊用途的光源：X射线电子束离子束3.光学光刻特性光谱数值孔径分辨率焦深①光谱DUV（248nm—193nm）VUV（157nm）E