(9)光刻工艺

1、1,半导体工艺基础,重庆邮电大学 微电子系,2,3,4,光刻,光刻工艺、光刻技术、刻蚀 在半导体制造技术中，最为关键的是用于电路图形生成和复制的光刻技术，光刻技术的研究和开发，在每一代集成电路技术的更新中扮演着技术先导的作用。 随着集成电路的不断提高，光刻技术也面临着越来越多的难题。,5,IC对光刻技术的要求,高分辨率； 高灵敏度的光刻胶； 低缺陷； 精密的套刻精度：误差 10%L； 可对大尺寸硅片进行光刻加工；,6,第9章 光刻工艺,光刻（photolithography）就是将掩膜版（光刻版）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的薄膜材料（光刻胶）上去的工艺工程。,7,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,8,9.1 概述,光刻(photolithography)就是将掩模版（光刻版）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 。 光刻是微电子工艺中最重要的单项工艺之一。 用光刻图形来确定分立元器件和集成电路中的各个区域、如注入区、接触窗口和压焊区等。,9,用光刻工艺确定的光

2、刻胶图并不是最后器件的构成部分，仅是图形的印模，为了制备出实际器件的结构图形，还必须再一次把光刻胶图形转移到光刻胶下面组成器件的材料层上。也就是使用能够对非掩膜部分进行选择性去除的刻蚀工艺来实现图形的转移。 光刻工艺的目标是根据电路设计的要求，生成尺寸精确的特征图形，并且在衬底表面的位置正确且与其他部件的关联正确。,10,完整的集成电路工艺中通常需要多次光刻才能完成。 光刻系统的主要指标包括： -分辨率、 -焦深、 -对比度、 -特征线宽控制、 -对准和套刻精度、 -产率以及价格。,11,9.1.1 分辨率 R,分辨率是指一个光学系统精确区分目标的能力。 微图形加工的最小分辨率是指光刻系统所能分辨和加工的最小线条尺寸或机器能充分打印出的区域。 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：,分辨率系数k1=0.60.8 数值孔径NA=0.160.8,提高分辨率： NA，k1,12,使用光源缩小 l,光源,13,光刻分辨率,分辨率 R=1/2L (mm-1)； 直接用线宽L表示 存在物理极限，由衍射决定： L/2, Rmax 1/,光刻分辨率是指光刻工

3、艺得到的光刻胶图形能分辨线条的最小线宽L，也可以用单位尺寸的线条数表示。光刻分辨率是决定芯片最小特征尺寸的最主要因素。,14,9.1.3 焦深（DOF）,表示在一定的工艺条件下，能刻出最小线宽的像面偏离理想焦面的范围。焦深远大，对光刻图形的制作越有利。,NA，焦深 ,15,15,焦深,焦平面,光刻胶,IC技术中，焦深只有1mm，甚至更小,16,对比度（CON）,对比度：评价成像图形质量的重要指标。对比度越高，光刻出来的微细图形越好。,17,17,对比度,一般要求MTF0.5 与尺寸有关,18,对比度,尺寸控制的要求以高准度和高精度在完整硅片表面产生器件特征尺寸。首先要在图形转移工具（光刻掩膜版）上正确的再造出特征尺寸，然后再准确地在硅片表面刻印出来。 由于光刻应用的特征尺寸非常小，且各层都须精确匹配，所以需要配合紧密。图形套准精度是衡量被刻印的图形能否匹配前面刻印图形的一种尺度。,19,9.2 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。,20,21,9.2.1 底膜处理,底膜处理是光刻工艺的第一步，其主要目的是对硅衬底表面进行处

4、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： 1、清洗；2、烘干；3、增粘处理（涂底）。,22,9.2.2 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。 在涂胶之前，硅片一般需要经过脱水烘焙，或涂敷能增加光刻胶与硅片表面附着能力的化合物。六甲基乙硅氮烷 (HMDS),23,23,涂胶工艺示意图,30006000 rpm，0.51 mm,24,涂胶厚度主要由光刻胶粘度和转速决定,25,涂胶步骤：,将光刻胶溶液喷射到硅片表面上； 加速旋转托盘； 达到所需的旋转速度后，保持一定时间的旋转。 甩胶：？,26,9.2.3 前烘,液态光刻胶中，溶剂的成份占65-85。经过甩胶之后，虽然液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但仍含有10-30的溶剂，容易玷污灰尘，通过在较高温度下进行烘焙，可以使溶剂从光刻胶内挥发出来。 前烘方法：热平板传导；红外线辐射；干燥循环热风。,1030 min，80110 C,27,28,29,9.2.4 曝光,曝光是使光刻掩模版与涂上光刻胶的衬底对准，用光源经过光刻掩模版照射衬底，使接受到光照的光刻胶的光学特性发生变化。 曝光中要特别注意曝光光源

5、的选择和对准。,30,简单的光学系统曝光图,31,曝光光源的选择：紫外光用于光刻胶的曝光是因为光刻胶与这个特定波长的光反应。波长很重要，因为较短波长的可以获得光刻胶上较小尺寸的分辨率。 对准：是指光刻掩膜版与光刻机之间的对准，二者均刻有对准标记，使标记对准即可达到光刻掩膜版与光刻机的对准。 套准：对准的结果，或者每个连续图形与先前层匹配的精度，称为套准。,32,曝光，曝光剂量等于光强与曝光时间的乘积。曝光过度会导致图形侧墙倾斜； 入射光波长越短，可实现的特征尺寸越小，图形分辨率越高，但能量越小； 首次曝光需要对准晶向，多次曝光之间需要进行图形对准。,对准曝光,33,34,光的反射、干涉、衍射与驻波,可反光的表面将入射光反射，并在光刻胶中于入射光发生干涉形成驻波现象。引起不均匀曝光。,35,36,37,9.2.5 显影,在显影过程中，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。 曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形，显影后便显现出来，在光刻胶上形成三维图形，这一步骤称为显影。,3060 s,38,显影后所留下的光刻胶图形将在

6、后续的刻蚀或离子注入工艺中作为掩膜，因此，显影也是一步重要工艺。 显影效果主要因素包括：曝光时间、前烘的温度和时间、光刻胶的膜厚、显影液的浓度、显影液的温度、显影液的搅动情况等。,39,显影方式可以分为三个阶段： 硅片置与旋转台上旋转，并且在硅片表面上喷洒显影液； 硅片在静止的状态下进行显影； 显影完成之后，需要经过漂洗，之后再旋干。,40,9.2.6 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 。,1030 min，100140 C,41,通过坚膜，光刻胶的附着力会得到提高，这是由于除掉了光刻胶中的溶剂，同时也是热融效应的结果，因为热融效应可以使光刻胶与硅片之间的接触面积达到最大。 较高的坚膜温度可使坚膜后光刻胶中的溶剂含量更少，但是增加了去胶的困难。而温度太高，光刻胶的内部拉伸应力会增加，会使光刻胶的附着性下降，所以必须适当控制温度。

7、,坚膜,42,坚膜后还需要光学稳定。通过光学稳定，使光刻胶在干法刻蚀过程中的抗蚀得到增强，而且还可以减少离子注入过程中从光刻胶中逸出的气体，防止在光刻层中形成气泡。 光学稳定是通过紫外光辐照和加热来完成的。 光学稳定可以使光刻胶产生均匀的交叉链接，提高光刻胶的抗刻蚀能力，进而提高刻蚀工艺的选择性。,坚膜,43,9.2.7 显影检验,在显影和烘焙之后就要完成光刻掩膜工艺的第一次质检，通常叫显影检验。 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，以及分出需要重做的衬底。,44,检测内容： 掩膜版选用是否正确； 光刻胶层的质量是否满足要求； 图形质量； 套准精度是否满足要求。,45,光刻胶钻蚀 图形尺寸变化 套刻对准不良 光刻胶膜损伤 线条是否齐、陡 针孔、小岛,46,9.2.8 刻蚀,为了制作集成电路元器件，须将光刻胶上的图形进一步转移到光刻胶下层的材料上。这个任务由刻蚀完成。 刻蚀就是将涂胶前所淀积的薄膜没有被光刻胶覆盖和保护的那部分除掉，到达将光刻胶上的图形转移到其下层材料上的目的。 SiO2、Al、poly-Si等薄膜 光刻和刻蚀是两个不同的加工工艺

8、，光刻。,47,9.2.9 去胶,光刻胶除了在光刻过程中作为从光刻掩膜版到衬底的图形转移媒介外，还可以作为刻蚀时不需刻蚀区的保护膜。 当刻蚀完成后，光刻胶已经不再有用，需要将其去除，就是去胶。此外刻蚀过程中残留的各种试剂也要清除。,48,去胶分为：湿法去胶和干法去胶； 湿法去胶中又有有机溶液和无机溶液去胶； 湿法去胶：用溶剂、用浓硫酸 98%H2SO4+H2O2+胶CO+CO2+H2O 干法去胶：氧气加热去胶 O2+胶 CO+CO2+H2O 等离子去胶,49,9.2.10 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。 显微镜目检、线宽控制、对准检查。,50,9.3 光刻技术中的常见问题,半导体器件和集成电路的制造对光刻质量有如下要求： 一、刻蚀的图形完整，尺寸准确，边缘整齐陡直； 二、图形内没有针孔； 三、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。 但在光刻过程中，常出现浮胶、毛刺、钻蚀、针孔和小岛等缺陷。,51,9.3.1 浮胶,浮胶就是在显影

9、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。,52,显影时产生浮胶的原因有： 胶膜与基片表面粘附不牢。 胶的光化学反应性能不好，胶膜过厚，或者收缩膨胀不均。 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。,53,9.3.2 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性、可靠性也会变坏。,54,9.3.2 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，使光刻胶与氧化层粘附不良。 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。 光刻胶中存在颗粒状物质，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。,55,9.3.3 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。,56,9.3.3 针孔,针孔产生的原因有： 薄膜表面有外来颗粒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

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