集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺.ppt

第八章 光刻与刻蚀工艺,光刻是集成电路工艺中的关键性技术。在硅片表面涂上光刻胶薄层，经过光照、显影，在光刻胶上留下掩模版的图形。在集成电路制造中，利用光刻胶图形作为保护膜，对选定区域进行刻蚀，或进行离子注入，形成器件和电路结构。随着集成电路的集成度不断提高，器件的特征尺寸不断减小，期望进一步缩小光刻图形的尺寸。目前已经开始采用线宽为0.2-0.1m的加工技术。,卧拽溯硫丛串玫澜订抚赛辐韭帚甄变州凉花仅让职疙备宇贼掸倦睛炭隋彰集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,高分辨率。通常把线宽作为光刻水平的标志，线宽越来越细，要求光刻具有高分辨率。高灵敏度的光刻胶。光刻胶的灵敏度通常是指光刻胶的感光速度。光刻胶灵敏度提高，曝光时间短，但往往使光刻胶的其他属性变差。低缺陷。在集成电路芯片的加工进程中，如果在器件上产生一个缺陷，即使缺陷的尺寸小于图形的线宽，也可能会使整个芯片失效。精密的套刻对准。集成电路芯片的制造需要经过多次光刻，在各次曝光图形之间要相互套准。通常要采用自动套刻对准技术。对大尺寸硅片的加工。为了提高经济效益和硅片利用率，一般在一个大尺寸硅片上同时制作很多个完全相同的芯片。对于光刻而言，在大尺寸硅片上满足前述的要求难度更大。,ULSI中对光刻的基本要求,呐佛席皑途路埃驮笺蝎寻囚惠苑劲阁霖薯沙洛酗殿痊峡桨剥灶爬薪飘归体集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.1、光刻工艺流程,曝光、显影、刻蚀(或淀积)是光刻过程中的三个主要步骤。,匙星诀垣供箕拌喊易猿椎众部袄煽氓辞亭寄涨忽皖旁激逼贿乙万瘸茎载明集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.1.1、涂胶,在集成电路工艺中，光刻胶层的作用是在刻蚀或离子注入过程中，保护被光刻胶覆盖的材料。因此，光刻胶层与硅片表面之间需要牢固地黏附。涂胶的目的是在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没有缺陷的光刻胶薄膜。在涂胶之前，硅片一般需要经过脱水烘焙并且涂上用来增加光刻胶与硅片表面附着能力的化合物。,确于狈盐上诈卯逞胞级鳖坟蓑垃滨倪令讣抒半旗懊禽客达冰桓与不园袖骆集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,以光刻胶在SiO2表面的附着情况为例，由于SiO2的表面是亲水性的，而光刻胶是疏水性的，SiO2表面可以从空气中吸附水分子，含水的SiO2会使光刻胶的附着能力降低。因此在涂胶之前需要预先对硅片进行脱水处理，称为脱水烘焙。在150-200释放硅片表面吸附的水分子；在400左右使硅片上含水化合物脱水；进行750以上的脱水。,脱水烘焙,坠兽贞壹盅识享哎铭安颜坎杖鼓巷逐净炯揍爬足卒寝锥后蓑毯由犹绦仆默集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,在涂胶之前，还应在Si片表面上涂上一层化合物，其目的也是为了增强光刻胶与硅片之间的附着力。目前应用比较多的是六甲基乙硅氮烷(简称HMDS)。在实际应用中，HMDS的涂布都是以气相的方式进行的，HMDS以气态的形式输入到放有硅片的容器中，然后在硅片的表面完成涂布。还可以将脱水烘焙与HMDS的气相涂布结合起来进行。硅片首先在容器里经过100-200的脱水烘焙，然后直接进行气相涂布。由于避免了与大气的接触，硅片吸附水分子的机会将会降低，涂布HMDS的效果将会更加理想。,涂布HMDS,蓬友龄茶类珐芹燃笼傣丢胆岿酪埃涎柜歌挝性绪陇察液胰匙矩炙遂敌家文集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,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(硅片)，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。,涂胶,把硅片放在一个平整的金属托盘上，有小孔与真空管相连，硅片就被吸在托盘上，硅片与托盘一起旋转。,俞唁鲤您氛撤嫂白抄守粘缔予阐炯辜定蹬之摇迎快腻匈显敛野菱懦艳险求集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,光刻胶的膜厚与光刻胶本身的黏性有关 对于同样的光刻胶，光刻胶的膜厚由旋转速度决定，转动速度越快，光刻胶层的厚度越薄，光刻胶的均匀性也越好。涂胶的过程应始终在超净环境中进行。同时喷洒的光刻胶溶液中不能含有空气，因为气泡的作用与微粒相似，都会在光刻工艺中引起缺陷。,光刻胶的膜厚,届舱舟渗哼隧欣动仗缝窑痢墒谚即噶叛免使砂韵猿论映边炭侩凹睛匝象圈集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.1.2、前烘,在液态的光刻胶中，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，涂胶以后的硅片，需要在一定的温度下进行烘烤，使溶剂从光刻胶内挥发出来，这一步骤称为前烘。(前烘后光刻胶中溶剂含量降至到5左右)在前烘过程中，由于溶剂的挥发，光刻胶的厚度也会减薄，一般减小的幅度为10-20左右。,亮患宜冕孝幽炊扭泡梯孽宙牟节粳郡玉维劫截发寐攒懂捏汁饵朴坑厢刁解集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,降低灰尘的玷污；减轻因高速旋转形成的薄膜应力，从而提高光刻胶的附着性。如果光刻胶没有经过前烘处理，对于正胶来说，非曝光区的光刻胶由于溶剂的含量比较高，在显影液中也会溶解变簿，从而使光刻胶的保护能力下降。,前烘的作用,神煤虑所棘孪抠羊安澄陡姻坏挽修录遂庭吊霜罚啸忙店索戍橡拍渍指唆缔集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,前烘的温度和时间需要严格地控制。前烘的温度太低或时间太短 光刻胶层与硅片表面的黏附性差；由于光刻胶中溶剂的含量过高，曝光的精确度也会变差；太高的溶剂浓度使显影液对曝光区和非曝光区光刻胶的选择性下降，导致图形转移效果不好。前烘温度太高 光刻胶层的黏附性也会因为光刻胶变脆而降低；过高的烘焙温度会使光刻胶中的感光剂发生反应，使光刻胶在曝光时的敏感度变差。,前烘的温度和时间,时匈译瞳凝棘令婪雏呆紫娘毫苍丈粱颖靠涸怎氛领湃寨锋朵戏虱庶揭筒阀集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,前烘通常采用干燥循环热风、红外线辐射以及热平板传导等热处理方式。在ULSI工艺中，常用的前烘方法是真空热平板烘烤。真空热平板烘烤可以方便地控制温度，同时还可以保证均匀加热。,前烘的加热方式,脾构哩仔泊巳斥伙丽境轰棉墓杉纺贰棵阂丰酮诬守欧昌恃错妖酗闹伟玲洁集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.1.4、显影,显影后所留下的光刻胶图形将在后续的刻蚀和离子注入工艺中做为掩膜，因此显影也是一步重要工艺。严格地说，在显影时曝光区与非曝光区的光刻胶都有不同程度的溶解。曝光区与非曝光区的光刻胶的溶解速度反差越大，显影后得到的图形对比度越高。影响显影效果的主要因素包括：光刻胶的膜厚；前烘的温度和时间；曝光时间；显影液的浓度；显影液的温度；显影液的搅动情况等。,以正胶为例，在显影过程中，曝光区的光刻胶在显影液中溶解，非曝光区的光刻胶则不会溶解。曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形，显影后便显现出来。,贬便灵摄饭淋馋垂高柔郝菲魄棕照失箭起咐捧忧芍票馅廖珠草肋妮担息污集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,目前广泛使用的显影的方式是喷洒方法。可分为三个阶段：硅片被置于旋转台上，并且在硅片表面上喷洒显影液；然后硅片将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。喷洒方法的优点在于它可以满足工艺流水线的要求。,显影之后，一般要通过光学显微镜、扫描电镜(SEM)或者激光系统来检查图形的尺寸是否满足要求。如果不能满足要求，可以返工。因为经过显影之后只是在光刻胶上形成了图形，只需去掉光刻胶就可以重新进行上述各步工艺。,显影方式与检测,锹涧竞搀典叙挖雅膳匪弱稗囚秸费打伞撞唁翰括陕阎挣翔颗丫扳距锰招粟集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.1.5、坚膜,硅片在经过显影之后，需要经历一个高温处理过程，简称坚膜。坚膜的主要作用是除去光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对硅片表面的附着力，同时提高光刻胶在刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性和保护能力。通常坚膜的温度要高于前烘温度。,曲峰赊捧逮币狠小质问村崩缀驯轨瑚浚昔敬寒赶猴幌零盐奈头尿则土忻示集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,光刻胶的光学稳定是通过紫外光辐照和加热来完成的。经过UV辐照和适度的热处理(110)之后，在光刻胶的表面图形上可以形成交叉链接的硬壳，可以使光刻胶图形在高温过程中不会变形。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。经过UV处理的光刻胶，要先经过氧等离子的活化，然后通过湿法除去。,光学稳定,瞳捣御涉钝观虏蚕噎界奸矾聂盅瞒金邀嘲境婿诣极棒厘蟹冕摈包拯烃脂焊集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.1.6 刻蚀 8.1.7 去胶,在集成电路工艺中，去胶的方法包括湿法去胶和干法去胶，在湿法去胶中又分为有机溶液去胶和无机溶液去胶。有机溶液去胶主要是使光刻胶溶于有机溶液中（丙酮和芳香族的有机溶剂），从而达到去胶的目的。无机溶液去胶的原理是使用一些无机溶液(如H2SO4和H2O2等)，将光刻胶中的碳元素氧化成为二氧化碳，把光刻胶从硅片的表面上除去。由于无机溶液会腐蚀A1，因此去除A1上的光刻胶必须使用有机溶液。干法去胶则是用等离子体将光刻胶剥除。光刻胶通过在氧等离子体中发生化学反应，生成气态的CO，CO2和H2O由真空系统抽走。相对于湿法去胶，干法去胶的效果更好，但是干法去胶存在反应残留物的玷污问题，因此干法去胶与湿法去胶经常搭配进行。,慌舷臭缔记釉搂递梅潭赁霄宅鼓妙斟忙衍橱肾达拒疤鸟学逆昆衍求劈淑断集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.2、分辨率,分辨率R描述了光刻工艺中可能达到的最小光刻图形尺寸，表示每mm内最多能刻蚀出多少可分辨的线条数。线宽与线条间距相等的情况下，R定义为 线条越细，分辨率越高。光刻的分辨率受到光刻系统、光刻胶和工艺等各方面的限制。这里我们只从物理角度对分辨率进行探讨。光刻中所用的曝光光源是光、电子、离子和X射线等各种粒子束。从量子物理的角度看，限制分辨率的因素是衍射。,掳财剐耪请簇话游饶徘淮际钩钡具郝属恶垃壤披帝苑救爪净歌泛掩钉吕辐集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,设有一物理线度L，为了测量和定义它，必不可少的误差为L，根据量子理论的不确定性关系，则有其中h是普朗克常数，p是粒子动量的不确定值。对于曝光所用的粒子束，若其动量的最大变化是从-p到+p，即p=2p，代入上式，则有 L在这里表示分清线宽L必然存在的误差。若L就是线宽，那么它就是物理上可以得到的最细线宽，因而最高的分辨率,最高的分辨率,砰耘埃蚕未恿测宁衍附键钓唆办肿映未朝见利最摹羽樊潮凤大戎伞爽昂疟集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,不同的粒子束，因其能量、动量不同，则L亦不同。对于光子 通常把上式看作是光学光刻方法中可得到的最细线条，即不可能得到一个比/2还要细的线条。其物理图像是，光的波动性所显现的衍射效应限制了线宽/2。因此最高分辨率为：这是仅考虑光的衍射效应而得到的结果，没有涉及光学系统的误差以及光刻胶和工艺的误差等，因此这是纯理论的分辨率。,光子曝光的最高的分辨率,结乞让鼠父际颅别蓑剃骏臭茄啪夯珍嚼顺嚎配目锐撇聪嘴怜畦谢轻华崖腮集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,关于光束的线宽限制，对其他的粒子束同样适用。任何粒子束都具有波动性，即德布罗意物质波，其波长与质量m、动能E的关系描述如下。粒子束的动能E为其动量p粒子束的波长由此，用粒子束可得到的最细线条为,任意粒子曝光的最高的分辨率,钾传嘛坡浸沪炼寂溃饺鸯吨排亲比赢踢泣楚悲户姓苗涯觉天辈承烙痞过槛集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,结论：若粒子束的能量E给定后，则粒子的质量m愈大，L愈小，因而分辨率愈高。以电子和离子作比较，离子的质量大于电子，所以它的L小，即分辨率高。但这个说法有一定的限制，因为离子本身的线度一般大于1，所以用它加工的尺寸不可能做到小于它本身的线度。对于m一定，即给定一种粒子，例加电子，则其动能愈高，L愈小，分辨率愈高。,串介柿计装甸鬃畴哦府台从皮旁笼约昔铝括蹋墙叙笨捻陵摹媳福彪杠乡座集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,光学光刻胶通常包含有三种成份：聚合物材料(树脂)：附着性和抗腐蚀性感光材料：感光剂溶剂：使光刻胶保持为液态,8.3、光刻胶的基本属性,正胶的感光区在显影时溶掉，没有感光的区域在显影时不溶解，因此形成的光刻胶图形是掩模版图形的正影像。负胶的情况与正胶相反，经过显影后光刻胶层上形成的是掩模版的负性图形。正胶的分辨率比负胶高。,光刻胶通常可分为正胶和负胶，经过曝光和显影之后所得到的图形是完全相反的。,吼矮剁刻牟徘汗梅腻摧脉闹嗜价咬癸筋浅记殊昆秘伸伍畸处衫牧剿铃凌撬集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,光刻胶的对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的倾角和线宽。,8.3.1、对比度,为了测量光刻胶的对比度，将一定厚度的光刻胶膜在不同的辐照剂量下曝光，然后测量显影之后剩余光刻胶的膜厚，利用得到的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线进行计算就可以得到对比度。光刻胶的对比度：不同的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线的外推斜率。,珍成式斋踩股流阵捎荐直服挤荫左恨拢慎塘础剥椎畅云恼臭玲瞄末慈俩淡集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,根据对比度定义，Y21.0，Y1=0，X2log10Dog，X1 log10Dig。负胶的对比度,负胶的对比度,对于负胶，只有达到临界曝光剂量后，才形成胶体的交叉链接，临界曝光剂量以下的负胶中不会形成图形，如图所示。达到临界曝光剂量后，随曝光剂量的增加，负胶膜上形成的胶化图像厚度逐渐加大，最终使胶化图像的薄膜厚度等于初始时负胶的膜厚。,其中，Dig为负胶的临界曝光剂量，Dog为负胶的胶化薄膜厚度与曝光开始时负胶膜厚度相等时的曝光剂量。,敦制唬督量欲符哟继饺衙搁膨寇膏气荫残匆次筷芦嫌钦扶贷豌浑境仪梢宠集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,测量正胶对比度的方法与负胶相同，正胶的膜厚随着曝光剂量的增加而减小，直到在显影的过程中被完全除去，曝光区域剩余的正胶膜厚与曝光剂量的关系如图所示。,正胶的对比度,根据对比度定义，Y20，Y1=1.0，X2log10Dc，X1 log10Do。正胶的对比度,Dc为完全除去正胶膜所需要的最小曝光剂量，Do为对正胶不产生曝光效果所允许的最大曝光剂量。,晰尘优畴今哀元住猴两期矾苹跌输因蒜撅粱熟丫若说庸格惦酬樊硒挖汞篡集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,在理想的曝光过程中，投到光刻胶上的辐照区域应该等于掩模版上的透光区域，在其他区域应该没有辐照能量。在实际的曝光过程中，由于衍射和散射的影响，光刻胶所接受的辐照具有一定的分布。以正胶为例，部分区域的光刻胶受到的曝光剂量小于Dc而大于Do，在显影过程中只有部分溶解。因此经过显影之后留下的光刻胶的侧面都会有一定的斜坡。光刻胶的对比度越高，光刻胶层的侧面越陡。,光刻胶的侧墙倾斜,桩康彤掐盾霉谆寐荔天千霄牡残钮七服右艳抹划人鉴锻屡该辆摈就桃拨卢集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,由于线宽是通过测量光刻胶/衬底之上特定高度的线条间距得到的，光刻胶侧面的陡度越好，线宽描述掩模尺寸的准确度就越高。最终的图形转移是经过刻蚀完成的，而干法刻蚀在一定程度上对光刻胶也有侵蚀作用，所以陡峭的光刻胶可以减小刻蚀过程中的钻蚀效应，从而提高分辨率。,侧墙倾斜对分辨率的影响,踌昌岿逆拒纳吕侵藏碑巡阁拯堵政案宋拘冶逞彝绊汹陇耶挛熬货遣比习忻集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,采用调制转移函数(MTF)来描述曝光图形的质量，MTF的定义表达式为：Imax为曝光图形上的最大辐照强度，Imin为最小辐照强度。定义光刻胶的临界调制转移函数为：为了使曝光系统能够得到要求的线条，对应这些线条尺寸的调制转移函数MTF就需要大于或等于所用的光刻胶的CMTF。对比度与CMTF之间的关系为 如果已知曝光系统对各种线条的MTF，根据光刻胶对比度，可以计算这一系统可以形成的最小图形尺寸。,调制转移函数和临界调制转移函数,晒忘知挑挠宦肚怖沫渺难鼓吠脏颠豌兽酚游查磷滞兵捅淬赞恕勋甭舷筏务集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,在显影过程中，如果显影液渗透到光刻胶中，光刻胶的体积就会膨胀，这将导致图形尺寸发生变化，这种膨胀现象主要发生在负胶中。由于负胶存在膨胀现象，对于光刻小于3m图形的情况，基本使用正胶来代替负胶。正胶在显影液中的溶解机制与负胶不同，不会发生膨胀，所以正胶的分辨率比负胶高。,8.3.2、光刻胶的膨胀,凶搜敢拢层均畦竟玩迫唯边效难讨瞧勋仕勾重后躯甚坪耙退美冲泞摊谤枷集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,光刻胶的光敏度是指完成所需图形曝光的最小曝光剂量。对于光化学反应，光敏度是由曝光效率（参与光刻胶曝光的光子能量与进入光刻胶中的光子能量的比值）决定的。通常正胶比负胶有更高的曝光效率，因此正胶的光敏度也就比较大。提高光敏度可以减小曝光时间。实际工艺中对光刻胶光敏度是有限制的。如果光刻胶的光敏度过高，室温下就可能发生热反应，这将使光刻胶的存储时间减少。此外，对光敏度高的正胶曝光时，每个像素点只需要得到少量的光子就可以完成曝光。而每个像素点上接收到的光子数受统计涨落影响，这就将对均匀曝光产生影响。,8.3.3、光敏度,贷此初坝消遏忙摈母牟挟韵苞远撵蔷譬亦汐帆拇恃兜刮祖设镰庶壁廉诅饼集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,光刻胶的抗刻蚀能力是指在图形转移的过程中，光刻胶抵抗刻蚀的能力。通常光刻胶对湿法刻蚀有比较好的抗刻蚀能力。对于大部分的干法刻蚀，光刻胶的抗刻蚀能力比较差。DQN正胶对干法刻蚀有比较好的抗刻蚀能力，但光敏度会降低。可以针对刻蚀中使用的刻蚀剂来改进光刻胶的抗刻蚀能力，对于氯化物的刻蚀剂可以在光刻胶中添加氟化物来加强抗蚀能力。大部分X射线和电子束光刻胶抗干法刻蚀的能力比光学光刻胶还差。通常干法刻蚀的工作温度比湿法腐蚀要高，这就要求光刻胶能够保证在工作温度下的热稳定。一般光刻胶需要能够经受200以上的工作温度。,8.3.4、抗刻蚀能力和热稳定性,狂狡噶灯财粟们诫倘瑰淀尤荔砂胜翠丰稻语惠筛耍娄密惠林平阎嘱挚帖亭集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,在刻蚀的过程中，如果光刻胶黏附不牢就会发生钻蚀和浮胶，直接影响光刻的质量，甚至使整个图形丢失。光刻胶附着问题在多晶硅、金属层和高掺杂的SiO2层上最为明显。影响光刻胶黏附性的因素有很多，衬底材料的性质和表面图形的情况以及工艺条件都会对光刻胶黏附性造成影响。增强光刻胶与衬底表面之间的黏附方法有：在涂胶之前对硅片进行脱水处理；使用HMDS或TMSDEA增黏剂；提高坚膜的循环温度。另外，使用干法刻蚀可以降低对光刻胶黏着力的要求。,8.3.5、黏着力,机岭虎泽地初瘩置俊樱扔扼艺军寅蔗倪拖肉净驮聋锅莲召浙炽梨险斟束安集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,光刻胶是由溶剂溶解了固态物质(如树脂)所形成的液体，其中溶解的固态物质所占的比重称为溶解度。光刻胶的溶解度将决定甩胶后所形成的光刻胶膜的厚度以及光刻胶的流动性。光刻胶的黏滞度与溶解度和环境温度都有关系，并且黏滞度是影响甩胶后光刻胶膜厚的两个因素之一(另一个为甩胶速度)。只有严格控制涂胶和甩胶时的溶解度以及工作温度，才能得到可重复的胶膜厚度。,8.3.6、溶解度和黏滞力,逝刻刺歪寿沪创慎捶焙暗软哈苔污软鸥伙讫姿腋蓖谅勺寓热渔妒险斧吾眨集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,光刻胶的纯净度与光刻胶中的微粒数量和金属含量有关。通过严格的过滤和超净包装，可以得到高纯度的光刻胶。即使是高纯度的光刻胶，使用前仍需要进行过滤。因为随着存储时间的增加，光刻胶中的微粒数量还会继续增加。光刻胶的过滤通常是在干燥的惰性气体(如氮气)中进行的，根据需要选择过滤的级别，一般直径在0.1m以上的微粒都需要除去。光刻胶的金属含量主要是指钠和钾在光刻胶中的含量。因为光刻胶中的钠和钾会带来污染，降低器件的性能。通常要求光刻胶的金属含量越低越好，特别是钠需要达到50万原子分之一。这种低浓度的钠和钾可以通过原子吸收光谱分光光度计来测量。,8.3.7、微粒数量和金属含量,资鸟皂粳乖黎冬眶粳垫俺皂绸炳误桶饥名殃湿氏读记哼独诬挪半陪违蚊灸集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,光刻胶中的成份会随时间和温度而发生变化。如果保存在高温的条件下，光刻胶会发生交叉链接。由于交叉链接的作用，DQN正胶中的高分子成份会增加，这时DQN感光剂不再可溶，而是结晶成沉淀物。通常负胶的储存寿命比正胶短(负胶易于自动聚合成胶化团)。从热敏性和老化情况来看，DQN正胶在封闭条件下储存是比较稳定的。如果储存得当，DQN正胶可以保存六个月至一年。采用适当的运输和存储手段，在特定的条件下保存以及使用前对光刻胶进行过滤，这都有利于解决光刻胶的老化问题。,8.3.8、存储寿命,迅怜缮敝楼逞敝眠悄猩椽森扳拉佰浇惦抹肢辩徊废葱吸釜缕坯哄染而镑骑集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.4、多层光刻胶工艺,为了得到既薄（可以提高分辨率）而又致密（保护下面的图形）的光刻胶层，采用多层光刻胶(MLR)技术。多层光刻胶(MLR)技术：采用性质不同的多层光刻胶，分别利用其抗蚀性、平面平坦化等不同特性完成图形的转移。在双层光刻胶工艺中，顶层光刻胶经过曝光和显影后形成曝光图形，在后续的刻蚀工艺中作为刻蚀掩蔽层；底层光刻胶用来在衬底上形成平坦化的平面，需要通过干法刻蚀(氧等离子刻蚀)去掉。MLR工艺虽然有很多优点，但是增加了工艺的复杂性，不但降低了产量，而且可能增加缺陷和成本。,剃痉睬涛建跌原靶丈增而味烹罗知兔攘卫狄皂例蔡慰形晦自稗孰爱斯榨母集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,如右图所示，首先在硅片上甩上底层胶，保护衬底上的图形，在起伏的衬底上形成平坦化的光刻胶平面。经过前烘之后，在底层胶上面再甩一层很薄的正胶，用来作为成像层。经过曝光和显影之后，在顶层胶中形成所需要的图形。顶层胶中含有酐，经过曝光后转化为羧酸，而非曝光区中的酐被保留下来。然后将硅片浸入到带有氨基的硅氧烷溶液中，硅氧烷溶液中的氨基与未曝光的顶层胶中的酐反应，使硅氧烷中的硅原子保留在顶层胶中，顶层胶中约含有20-30的硅。,8.4.1、光刻胶图形的硅化学增强(Si-CARL)工艺,疥甲距救末谋咏碌作窘串军她箭堰衣蚂逮岸蹿恢谗断凿送狐舜党览阅九丘集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,然后在氧气氛中进行干法刻蚀，顶层胶中的硅与氧反应，从面在顶层胶表面形成SiO2薄层。因此在刻蚀过程中，氧等离子只刻蚀没有被顶层保护的底层光刻胶。经过刻蚀之后，由顶层光刻胶保护的图形被保留下来，转移到底层光刻胶上去。,利用Si化学增强方法可以形成高宽比很大的图形，还可以形成分辨率小于0.25m的图形。,巩抬诽歌溢庇呈胁迟宦眶矢树凄兼呼侄恕巷哦盒殆坟待匿艰撤吕绿拦右莲集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,经过甩胶和前烘之后，在光刻胶上甩上一层CEL薄膜，CEL薄膜通常是不透明的，在投影曝光系统中，通过掩膜板，透光区的CEL在强光作用下变为透明，光线通过透明区的CEL并对下面的光刻胶曝光。在对光刻胶曝光的过程中，不透光的CEL可以吸收衍射的光线。由于CEL是直接与光刻胶接触的，它的作用类似接触式曝光中的掩模版。因此，使用CEL就可以充分发挥投影曝光的优点，同时又达到接触式曝光的效果。曝光之后，先通过湿法显影除去CEL，再对光刻胶进行显影。,8.4.2、对比增强层CEL,铆起挽婪拨臭五波县顿料襄温啪梁芥病娄焙逛鸡摔吨奇靠戮匡漱斤撑憨徐集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,采用对比增强层可以增加分辨率,土需弧惨缴荒需拼想垣校痉教滩否炼后柬坞屡葫助呕蹲后峭垛般自另获较集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,为了减少MLR所增加的工艺复杂性，选择性地将硅扩散到成像层中，称为扩散增强硅烷基化光刻胶工艺(DESIRE)。,8.4.3、硅烷基化光刻胶表面成像工艺,1、扩散增强硅烷基化光刻胶工艺,光刻胶DNQ曝光，DNQ分解，形成隐性图形。前烘，未曝光的DNQ形成交叉链接，不容易吸收硅。硅烷基化，高温下将基片放在含硅的HMDS或TMDS中烘烤，硅扩散进入到曝光区的光刻胶中。,爪跌凌窿揭疡睬衰画湛蝴舱淤驯据城韧治斗敌霖递耶芍幽虐铡梗罢拆院舍集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,O2等离子体刻蚀，曝光区中的硅氧化形成抗刻蚀的二氧化硅，而未曝光的光刻胶被刻蚀。,由于是各向异性的刻蚀，光刻胶图形的垂直效果很好。通过DESIRE工艺形成的是负性的图形（曝光区留下）。,辽贺鲁鹰灼余星体趾箕带觅郭觅芳钳痔干鹰瘁梦缎丛纲铱愚棕菩辙狙碳毅集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,2、干法刻蚀正胶成像(PRIME)工艺,PRIME工艺能够选择性地形成正性的图形。在曝光的过程中，曝光区的感光剂发生分解的同时形成交叉链接，交叉链接的深度可以达到30nm。然后由UV辐照代替前烘。UV辐照可以使未曝光区的感光剂分解，从而可使硅扩散到这些未曝光的区域中，因此硅烷基化是在未曝光区进行的。经过干法刻蚀光刻胶之后，就在光刻胶上形成了正性的掩膜图形。,焰搪坊痒敦能吸冕腕婉励独鱼梅速植人拭佯乐名门殆望哆橡啤货颇挛腺拐集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.5、抗反射涂层工艺,曝光光波进入到光刻胶层之后，如果没有被完全吸收，就会有一部分光穿过光刻胶膜达到衬底表面，被衬底表面反射，又回到光刻胶中。反射光与光刻胶中的入射光发生干涉，形成驻波，驻波效应在光刻胶中形成以/2n为间隔、强弱相间的曝光区域，如图所示。为曝光波长，n为光刻胶的折射率。,8.5.1、驻波效应,壤熬极阳帽舅灵跟忠常鞋哨堕纤况萧往侮丈圣絮灸绅码堆暮拇拖伺队计闹集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,由于驻波的影响，光刻胶中光强的周期性变化，引起光刻胶中光吸收的不均匀，导致线宽发生变化，最终降低分辨率。衬底的强反射也会加重驻波效应的影响。,为了改善驻波效应，在光刻胶层表面或底部使用抗反射涂层(ARC)，同时在曝光后进行烘焙(PEB)。曝光后烘焙：是在显影之前进行的，经过曝光和曝光后烘焙，非曝光区的感光剂会向曝光区扩散，从而在曝光区与非曝光区的边界形成了平均的曝光效果。对于曝光0.5m以下的线条都需要使用上述技术，否则0.4m以下的i线曝光是不可能实现的。,驻波效应使分辨率降低,课滔笆坝遥个胃准件或啃狙负秤滑腿漓桩袋香凝老帮褪里箍耻鄂创绘就虹集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.5.2、底层抗反射涂层(BARC),BARC位于衬底和光刻胶之间，由高消光率的材料组成，可以吸收穿过光刻胶层的光线。光线入射到BARC与光刻胶的界面时，少部分被反射回光刻胶中，大部分进入到BARC里。通过调整BARC的厚度，使透射光穿过BARC的过程中，形成/4的光程。进入到BARC中的光，经衬底表面反射后两次通过BARC层，产生/2的光程，即产生180的相移。相移波与在BARC/光刻胶界面反射的光波发生干涉，使强度减弱甚至抵消。如果BARC与入射光匹配良好，只有少量的光可以由光刻胶/BARC界面反射回光刻胶。同时，反射光的振幅减小，也会降低驻波效应的影响。使用BARC的代价是增加了工艺复杂性，且需要独立的工序去除BARC。,魂柠猴房肛厩丑拿泡凳忧借嫂摈衰饯踢范介蹲肾葱昏蟹索稿筋音伶讲虾砂集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.6、紫外光曝光,紫外(UV)光源和深紫外(DUV)光源是目前工业上普遍应用的曝光光源。,8.6.1、水银弧光灯光源,在248nm的KrF准分子激光器被应用到DUV光刻之前，光刻系统是使用高压水银灯作为光源。汞灯内部充有水银气体，在两个电极之间施加高压脉冲，脉冲将会使电极间的气体电离，形成高压水银气的弧光发射，发射一个特征光谱。如果在汞灯内加入一定的氙气，可以提高波长为200300nm范围的输出能量。,箍松驶辫抡宵碱抿浑歌眼唆芯献笼夏葫胡裁魄铀宏濒擒和印搀价伸陕乃嘉集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,右图显示了汞气的发射光谱。在350450nm的UV光谱范围内，有三条强而锐利的发射线：i线(365nm)、h线(405nm)和g线(436nm)。通过折射透镜进行分离，就可以得到单一波长的光线。,锨搪庞绪疙优诀姻彤键抽计绒脊痛由店佰返充庶戏傍轰咒嚷盗竣辰王赣盯集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,运鹤远萄操滑专酷口迹怯魂傀鹏貌沫虚颊肃襄转灰补啊驭馁汞聊锻拂孙濒集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.6.2、投影式照明系统,投影式照明系统的作用是收集从弧光灯中射出的光，并使收集的光通过掩模版投射到透镜组的入射光孔中。光学收集系统：通常为抛物面或椭圆面的镜子，尽可能多地将发射的光波引到需要曝光的硅片表面。过滤器：将其他波长光过滤，通过投影透镜的就是曝光波长的光线。光线空间均匀：弧形灯发射光线的空间一致性不够好，照明掩膜要求光强波动小于1。使用蜂窝状透镜，产生小弧形灯的多重图像，从多重图像射出的光集合在一起，产生一个平均强度，这个平均强度要均匀很多。,嘲嫉物颁凶拔洪铜忠稚琐愚靳来皿卑睬馏侦龚标限代蹬庭直亿副哼禹岭郭集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.6.3、准分子激光DUV光源,DUV光刻系统中的光源是准分子激光器：KrF准分子激光器：可以产生波长为248nm的DUV光线，目前已经成为光刻工艺中的主要光源，应用于0.35m、0.25m和0.18m CMOS技术。ArF准分子激光器：可以产生波长为193nm的DUV光线，应用于0.2m 以下的CMOS工艺。,篷鲤今矾货旷捣排孝率择继腹群丈筛硼垂呕掺鸯欲菇菠滴着诫搬弃骚锅柜集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,准分子：是由一个惰性气体原子和一个卤素原子组成的特殊分子，这种分子只是在激发状态下被约束在一起。如果其中一个或两个原子处在激发态，就可以发生化学反应形成二聚物。准分子发射DUV光：当准分子中的原子的状态由激发态衰变到基态时，二聚物就分离成两个原子，在衰变的过程中，有DUV能量放射。,准分子激光原理,KrF准分子激光器：首先是等离子体中产生Kr+和F-离子，然后对Kr+和F-离子气体施加高电压的脉冲，使这些离子结合在一起形成KrF准分子。在一些准分子开始自发衰变之后，它们发射的光穿过含有准分子的气体时，就会激励这些准分子发生衰变。因此，准分子激光以短脉冲形式发射，而不是连续地发射激光。只要充以足够高的电压，那么激发、脉冲和激光发射就会重复产生。,含净倒矣肿乾掷辊钢凳炼澡讶特绳慎匹太臻泽商羚孵偷嚏亦嘘溃纲零坪渣集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.6.4、接近式曝光,接近式曝光装置主要由四部分组成：光源和透镜系统 掩模版 硅片(样品)对准台 汞灯发射的紫外光由透镜变成平行光，平行光通过掩模版后在光刻胶膜上形成图形的像。,掩模版与硅片之间有一小的间隙s，一般为5m，故称为接近式曝光。,锗坯痊质史悬媳气宋音蝶搓柔粤汲铰仆醒卷琴锨罢炙梗毖哀愧腰崎基岗刺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,在8.2节中我们知道，光学曝光的最高分辨率为1/。但在接近式曝光系统中，由于掩模版和硅片间有一小间隙s，必须考虑这种情况下衍射对分辨率的限制。经过分析，如果像与掩膜版尺寸相同，没有畸变，则接近式曝光系统的最小线宽为 因此分辨率为 若s=5m，=400nm，则a=2 m，R=250线对。实际s5m，因此接近式曝光只能用于3 m以上的工艺。,接近式曝光的分辨率,运澜茎求庸充终邪留检饭忠娠肿倪坎徽裳冰绳寨矾垣啊汁每痪晦聂视楚径集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.6.5、接触式曝光,接触式曝光系统与接近式相同，唯一的区别是掩模版与硅片是紧密接触，因此接触式曝光的分辨率优于接近式曝光。接触式是集成电路研究与生产中最早采用的曝光方法，但目前已处于被淘汰的地位，主要原因是掩模版和硅片紧密接触容易引入大量的工艺缺陷，成品率太低。,姻榔越迪箍遥畴妊宣膳锭育湖隘韩扎销弧僳侈剥滁粮沏化同钧搽鄙傣积宫集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.6.6、投影光刻,投影光刻系统如图所示：光源光线经透镜后变成平行光 通过掩模版 由第二个透镜系统聚焦投影并在硅片上成像 硅片支架和掩模版间有一对准系统,丽弓馁巡尹堪嘱牛良耀筷秋酉追貌荆吸朴笆膏接号囚勋营摸船哇计耿戎肃集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,投影曝光系统的分辨率：主要是受衍射限制。透镜系统能够分辨的最小间隔y为：NA为透镜系统的数值孔径，一般为0.2-0.45。若NA=0.4，=400 nm，则y=0.61 m。投影光刻可以达到亚微米水平。投影光刻已成为3m以下的主要光刻方法。,投影曝光系统的分辨率及优点,嚷馈浸剥吵巷某骸黍酒堂暂给岗覆茶沿系妙熙澄增仅船抖界讣址凌锨吓霄集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.6.7、离轴照明,离轴照明技术在不改变工作波长、投影物镜的数值孔径与光刻胶工艺的条件下，就能提高光刻分辨率，优化焦深，因而得到了广泛应用。,对于数值孔径一定的投影物镜，当光栅周期太小时，在同轴照明情况下，1级及更高阶衍射光都被物镜的光阑遮挡，只有0级衍射光进入物镜，0级衍射光不包含任何空间信息，硅片上不能形成掩模的图像。如果采用离轴照明的光线，如图(b)所示，0级和-1级衍射光都可能进入成像系统的光瞳，-1级衍射光包含了掩模图形的空间信息，能在硅片上得到掩模图像。因此离轴照明分辨率更高。,离轴照明提高光刻分辨率,耽佐溃酿刺嫉隆痪血曼呀耪扔五绷淬烃卫园态绦社足问绿青枕诧律俭宏乡集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,焦深：焦点深度，当焦点对准某一物体时，不仅位于该点平面上的各点都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度内，也能看得清楚，这个清楚部分的厚度就是焦深。焦深大,可以看到物体的全层，焦深小，则只能看到物体的一薄层，焦深与其它技术参数有以下关系：1焦深与物镜的数值孔镜成反比，2焦深大，分辨率降低。离轴照明条件下，参与成像的0级与-1级衍射光的夹角小于传统照明条件下成像的 1级衍射光之间的夹角。因此要实现相同的光刻分辨率，离轴照明需要较小的NA。由上式可知，与传统照明相比，离轴照明提高了焦深。,离轴照明增大焦深,劫耐果窟苛毫孰乞卫鹤问萧争椅杨银挑琅菇秆谗回其粪姨带诺尊熊偶出兄集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺,8.6.8、扩大调焦范围曝光,扩大调焦范围曝光(FLEX,Focus Latitude Enhancement Exposure)，主要适用于曝光接触孔或通孔时扩展焦深，同时也可以用于曝光硅片表面不平坦引起表面随机变化的区域。FLEX也称为焦点钻孔技术。曝光视场中存在两个焦点，一个位于光刻胶膜中点，一个接近光刻胶膜的顶部表面，每个接触孔形成两个重置的像，一个在焦点上，