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1、微电子制造工艺概论,第9章 光刻工艺,9.1 概述9.2 基本光刻工艺流程9.3 光刻技术中的常见问题,本章主要内容,IC产品的发展趋势：大尺寸、细线宽、高精度、高效率、低成本；光刻技术在每一代集成电路中扮演技术先导的角色，光刻成本占据整个技术成本的35%；IC对光刻技术的要求高分辨率：加工线条越精细，要求光刻图形分辨率越高；高灵敏度的光刻胶：曝光时间越短，需要灵敏度越高；低缺陷：光刻中引入缺陷，影响成品率；精密的套刻精度：套刻精度小于线宽的 10%；对大尺寸硅片的加工：大尺寸硅片同时制作很多芯片，满足前述要求难度很大；,9.1概述,光刻(photo lithography)就是将掩模版（光刻
2、版）上的几何图形转移到覆盖在半导体衬底表面的对光辐照敏感薄膜材料（光刻胶）上去的工艺过程 。光刻系统的主要指标包括：分辨率R（resolution）、焦深DOF（Depth of Focus）、对比度（CON）、特征线宽控制CD（Critical Dimension）、对准和套刻精度（Alignment and Overlay）、产率（Throughout）以及价格。,9.1概述分辨率,分辨率是指一个光学系统精确区分目标的能力。最小分辨率指光刻系统所能分辨和加工的最小线条尺寸。分辨率是决定光刻系统最重要的指标，能分辨的线宽越小，分辨率越高。其由瑞利定律决定：k1是分辨率系数，一般为0.60.8
3、；为光刻的波长；NA为光学系统的数值孔径（Numerical Aperature），一般为0.160.9。提高分辨率：NA，k1，优化设计（分辨率增强技术）；,不同光源对应的技术参数,9.1概述分辨率,最常用的两种光源汞灯:高亮度、高可靠性；但在深紫外及以下波长发射效率较低。G线436nm（0.5um）；H线405nm（0.4um）；I线365nm（0.35um）；深紫外线DUV248nm（0.25um）。准分子激光：一种激光光源，准分子是不稳定分子，由惰性气体原子和卤素构成。KrF（氟化氪 ）准分子激光器248nm(0.25um)； ArF（氟化氩）准分子激光器193nm(0.18um)；F
4、2（氟）准分子激光器157nm(0.15um)。,9.1概述分辨率,1、使用光源缩小 l,9.1概述分辨率,2、减小分辨率因子 k1,Pattern dependent k1 can be reduced by up to 30 %,9.1概述分辨率,2、减小分辨率因子 k1,Contrast436,365nm: =2-3, (Qf/Q02.5)248,193nm: =5-10 (Qf/Q01.3),9.1概述分辨率,3、增加 NA（浸入式技术）,H2O,浸入式光刻,NA=nsinanH2O=1.44NA1.36,9.1概述分辨率,N为透镜周围介质的折射率，是透镜的半接收角。去离子水折射率为1
5、.44。,9.1概述光刻分辨率,光刻分辨率：光刻工艺得到的光刻胶图形能分辨线条的最小线宽L，也可用单位尺寸能分辨的线条数表示，即R=1/2L (mm-1)；存在物理极限，由衍射决定： L/2, Rmax 1/,由量子理论的海森堡不确定关系式可得出离子的束光刻极限：Lph；h为普朗克常数； p为离子动量不确定值；动量最大变化值从-p到+p，则有： L h/2p；L为就是线宽，最高分辨率： Rmax=1/2Lp/h；对于光子，p=h/，则L /2；理论最高分辨率：Rmax 1/ ；根据粒子的波动性，p=mv；E=mv2/2，则p=h/=2mE Lh/22mE粒子质量越大，L越小，分辨率越高；动能越
6、大，L越小，分辨率越高。,9.1概述光刻分辨率,9.1概述焦深(DOF),焦深是一定工艺条件下，能刻出最小线宽时像面偏离理想焦面的范围。焦深越大，对光刻图形制作越有利。焦深与特征尺寸的变化范围，曝光剂量变化范围，以及要求最后光刻胶倾斜角度、光刻胶损失等技术参数有关。在IC技术中，焦深只有1mm，甚至更小。,9.1概述对比度,对比度是评价成像质量的重要指标。一般要求CON0.5与尺寸有关。,9.2基本光刻工艺流程,一般的光刻工艺要经历：底膜处理、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀、去胶、检验工序。,9.2.1底膜处理,光刻胶绝大多数是疏水的，而晶片表面的羟基和残留的水分子是亲水的，若直接涂胶的话
7、，会造成光刻胶和晶片的粘合性较差。底膜处理是其主要目的是对硅衬底表面进行处理，以增强衬底与光刻胶之间的黏附性。底膜处理包括以下过程：清洗：使硅片表面洁净、干燥，衬底表面与光刻胶才能形成良好接触；烘干：衬底表面烘烤干燥，增强光刻胶的黏附性；增黏处理：在衬底和光刻胶之间涂一层增黏剂（如六甲基乙硅氮烷HDMS。HDMS可以去掉SiO2表面的OH基。通过加温反应生成以硅氧烷为主的化合物(表面活性剂)，能够将硅片表面由亲水变为疏水，其疏水基可很好地与光刻胶结合，起到耦合的作用。显影过程中，由于增强了光刻胶与衬底的粘附力，从而有效地抑制刻蚀液进入掩膜与基底的侧向刻蚀。,HMDS与SiO2表面键合示意图,胶
8、,胶,9.2.1底膜处理,9.2.2涂胶,在硅片表面涂敷的光刻胶应厚度均匀、附着性强、没有缺陷。涂胶工艺步骤：将光刻胶溶液喷洒到硅片表面上；加速旋转托盘，直至达到需要的旋转速度；达到所需的旋转速度后，保持一定时间的旋转。去除边圈:旋转过程中，由于离心力光刻胶向硅片边缘流动并流到背面。衡量涂敷质量的标准：光刻胶厚度、均匀度。影响涂敷质量的因素：转速、光刻胶粘滞度、光刻胶量、温度、湿度等。,涂胶工艺示意图,30006000 rpm，0.51 mm,9.2.1底膜处理,9.2.3前烘,涂胶完成后，仍有一定量的溶剂残存在胶膜内，通过在较高温度下进行烘焙（软烘），可以使溶剂从光刻胶内挥发出来。前烘就是在
9、一定温度下，使光刻胶里面的溶剂充分溢出，使光刻胶膜干燥，目的是增加光刻胶与衬底间的黏附性，增强胶膜的光吸收和抗腐蚀能力，以及缓和涂胶过程中胶膜内产生的应力等。前烘的方法：热平板传导；红外线辐射；干燥循环热风。前烘的条件：80-110烘510分钟，再在冷板上进行降温。,9.2.4曝光,曝光是使光刻掩模版与涂上光刻胶的衬底对准，用光源经过光刻掩膜版照射衬底，使接受到光照的光刻胶的光学特性发生变化。曝光光源的选择波长：较短的波长可获得较小尺寸的分辨率；两种紫外光源：汞灯和准分子激光；对准对准标记：置于投影掩膜版和硅片上用来确定它们位置和方向的可见图形标记。套准精度：测量对准系统把版图套准到硅片上图形
10、的能力；套准容差：形成图形层与前层的最大相对位移。曝光后烘烤目的：利用烘烤产生的热能，促使原本按不同干涉状况分布的分解与未分解感光化合物在光刻胶曝光与非曝光临界处重新分布，达到平衡。消除驻波效应。,简单的光学系统曝光图,9.2.4曝光,9.2.5显影,显影是用化学显影液溶解由曝光造成的光刻胶的可溶解区域。正胶的曝光区和负胶的非曝光区的光刻胶在显影液中溶解，而正胶的非曝光区和负胶的曝光区的光刻胶则不会在显影液中溶解。影响显影的主要因素：曝光时间；前烘的温度和时间；光刻胶的厚膜；显影液的浓度；显影的温度；显影液的搅动情况；正胶显影的方法：浸泡式：成本较低，速度快。但显影均匀度较差，易受污染。单片喷
11、洒式：改善污染。但均匀度改善不大，且显影液用量大。单片喷洒静置式：改善污染。均匀度好，且显影液用量小。,9.2.6坚膜,坚膜也叫后烘，是为了去除由于显影液的浸泡引起的胶膜软化、溶胀现象，能使胶膜附着能力增强，抗腐蚀能力提高。坚膜温度要高于前烘和曝光后烘烤温度，较高的坚膜温度可使坚膜后光刻胶中的溶剂含量更少，但增加了去胶时的困难。且光刻胶内部拉伸应力的增加会使光刻胶的附着性下降，因此必须适当的控制坚膜温度 。坚膜条件：100140C下，烘烤1030分钟。,9.2.7 显影检验,显影检验的目的是区分那些有很低可能性通过最终掩膜检验的衬底，提供工艺性能和工艺控制数据，以及分拣出需要重新做的衬底。检测
12、的内容：掩膜版选用是否正确；光刻胶质量是否满足要求 （针孔、小岛，划伤等）；图形的质量（边界、图形尺寸、线宽）套对精度是否满足要求；,9.2.8刻蚀,刻蚀是将光刻胶上的图形进一步转移到光刻胶下层的材料上。刻蚀是将涂胶前所淀积的薄膜中没有被光刻胶覆盖和保护的那部分去除掉，达到将光刻胶上的图形转移到材料上的目的。光刻胶下层薄膜可能是SiO2、Al、poly-Si等薄膜。,9.2.9去胶,刻蚀完成后，光刻胶已经不再有用，需要将其彻底去除，完成这一步的工序就是去胶。去胶分别湿法去胶和干法去胶，湿法去胶又分为有机溶液去胶和无机溶液去胶。湿法去胶，用溶剂、用浓硫酸 98%H2SO4+H2O2+胶CO+CO
13、2+H2O氧气加热去胶 O2+胶 CO+CO2+H2O等离子去胶,9.2.10 最终检验,在基本的光刻工艺过程中，最终步骤是检验。衬底在入射白光或紫外光下首先接受表面目检，以检查污点和大的微粒污染。之后是显微镜检验或自动检验来检验缺陷和图案变形。检查手段：显微镜目检；线宽控制；对准检查；,正胶涂布显影工艺：,坚膜,增强附着力,光刻胶厚度、均匀度,移去胶内残余溶剂。,缓和旋转中带来的胶膜内应力。,增强附着力,对准标记,线宽分辨率、套准精度、颗粒和缺陷。,消除驻波效应,温度均匀性、持续时间,去除不需要光刻胶,使光刻胶变硬,除去剩余的显影液及水,提高粘附性,9.2基本光刻工艺流程,9.3光刻技术中的
14、常见问题,半导体器件和集成电路的制造对光刻质量有如下要求:一是刻蚀的图形完整，尺寸准确，边缘整齐陡直；二是图形内没有针孔；三是图形外没有残留的被腐蚀物质。同时要求图形套刻准确，无污染等等。但在光刻过程中，常出现浮胶、毛刺、钻蚀、针孔和小岛等缺陷。,9.3.1 浮胶,浮胶就是在显影和腐蚀过程中，由于化学试剂不断侵入光刻胶膜与SiO2或其它薄膜间的界面，所引起的光刻胶图形胶膜皱起或剥落的现象。,9.3.1 浮胶,显影时产生浮胶的原因有：涂胶前基片表面沾有油污，水汽，使胶膜与基片表面粘附不牢。光刻胶配制有误或胶液陈旧，不纯，胶的光化学反应性能不好，与基片表面粘附能力差，或者胶膜过厚，收缩膨胀不均，引
15、起粘附不良。烘焙时间不足或过度。曝光不足。显影时间过长，使胶膜软化。腐蚀时产生浮胶的原因：坚膜时胶膜没有烘透，膜不坚固。腐蚀液配方不当。例如，腐蚀SiO2的氟化氢缓冲腐蚀液中，氟化铵太少，化学活泼性太强。腐蚀温度太低或太高。,9.3.2 毛刺和钻蚀,腐蚀时，如果腐蚀液渗透光刻胶膜的边缘，会使图形边缘受到腐蚀，从而破坏掩蔽扩散的氧化层或铝条的完整性。若渗透腐蚀较轻，图形边缘出现针状的局部破坏，习惯上就称为毛刺；若腐蚀严重，图形边缘出现“锯齿状”或“绣花球”样的破坏，就称它为钻蚀。当SiO2等掩蔽膜窗口存在毛刺和钻蚀时，扩散后结面就很不平整，影响结特性，甚至造成短路。同时，光刻的分辨率和器件的稳定
16、性、可靠性也会变坏。,9.3.2 毛刺和钻蚀,产生毛刺和钻蚀的原因有：基片表面存在污物，油垢，小颗粒或吸附水汽，使光刻胶与氧化层枯附不良，引起毛刺或局部钻蚀。氧化层表面存在磷硅玻璃，与光刻胶粘附不好，耐腐蚀性能差，引起钻蚀。光刻胶过滤不好，存在颗粒状物质，造成局部粘附不良。对于光硬化型光刻胶，曝光不足，显影时产生溶钻，腐蚀时造成毛刺或钻蚀。显影时间过长，图形边缘发生溶钻，腐蚀时造成钻蚀。 掩模图形的黑区边缘有毛刺状缺陷。,9.3.3 针孔,在氧化层上，除了需要刻蚀的窗口外，在其它区域也可能产生大小一般在13微米的细小孔洞。这些孔洞，在光刻工艺中称为针孔。针孔的存在，将使氧化层不能有效地起到掩蔽
17、的作用。在器件生产中，尤其在集成电路和大功率器件生产中，针孔是影响成品率的主要因素之一。,9.3.3 针孔,针孔产生的原因有：氧化硅(或其它)薄膜表面有外来颗粒(如硅渣、石英屑、灰尘等)或胶膜与基片表面未充分沾润，涂胶时留有未覆盖的小区域，腐蚀时产生针孔。光刻胶含有固体颗粒，影响曝光效果，显影时易剥落，造成腐蚀时产生针孔。光刻胶膜本身抗蚀能力差，或胶膜太薄，腐蚀过程中局部蚀穿，造成针孔。前烘不足，残存溶剂阻碍光刻胶交联；或前烘骤热，溶剂挥发过快，引起鼓泡穿孔，造成针孔。曝光不足，交联不充分，或时间过长，胶层发生皱皮，腐蚀液穿透胶膜，在SiO2表面产生腐蚀斑点。腐蚀液配方不当，腐蚀能力太强。掩模
18、版透光区存在黑斑，或沾有灰尘，曝光时局部胶膜未曝光，显影时被溶解，腐蚀时产生针孔。,9.3.4 小岛,小岛是指在应该将氧化层刻蚀干净的扩散窗口内，还留有没有刻蚀干净的氧化层局部区域，它的形状不规则，很象“岛屿”，尺寸一般比针孔大些，习惯上称这些氧化层“岛屿”为小岛。小岛的存在，使扩散区域的某些局部点，因杂质扩散受到阻碍而形成异常区。它使器件击穿特性变坏，漏电流增大，甚至极间穿通。,9.3.4 小岛,小岛产生的原因：掩模版上的针孔或损伤，在曝光时形成漏光点，使该处的光刻胶膜感光交联保护了氧化层不被腐蚀，形成小岛。曝光过度，或光刻胶存放时间过长，性能失效，使局部区域光刻胶显影不净，仍留有观察不到的光刻胶膜。其在腐蚀时起阻碍作用，引起该处氧化层腐蚀不完全而形成“小岛”。 氧化层表面有局部耐腐蚀的物质，如硼硅玻璃等。腐蚀液中存在阻碍腐蚀作用的脏物。,本章重点,光刻系统的主要指标基本光刻工艺流程光刻技术中的常见问题,
