半导体器件工艺学之光刻.ppt

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1、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

2、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 2m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，0.35mCD）深紫外（DUV）光刻胶（248nm，0.25mCD）深紫外光刻胶的化学放大（193nm，0.18mCD）,4.光刻胶的特性,分辨率：将硅片

3、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

4、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

5、通常在1m数量级 单片厚度变化2050A 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

6、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5m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（0.4m）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2m4m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

7、初，现在仍有使用，用来实现1m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0.25m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240nm500nm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0.15mCD的光源）先

8、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,光谱DUV（248nm193nm）VUV（157nm）EUV（13nm）光刻区域：黄灯,透镜的数值孔径,数值孔径（NA）：透镜收集衍射光的能力NA测量透镜能够接收多少衍射光，并且通过把这些衍射光会聚到一点成像NA=透镜的半径/透镜的焦长可以通过增加镜头半径来增加NA并俘虏更多衍射光的方式。这也意味着光学系统更加复杂更加昂贵。,分辨率,分辨率R=K/NA该公式表示影响光刻胶上形成几何图形的能力的参数有:波长、数值孔径NA、工艺因子K,焦深,焦点周围的一个范围，在这个范围内图像连续地保持清晰，这个范围称为焦深或D

9、OF。焦深是焦点上面和下面的范围，焦点可能不是正好在光刻胶层中心，但是焦深应该穿越光刻胶层上下表面曝光系统就是找到并维持整个硅片和不同硅片的最佳聚焦DOF=/2（NA）2,焦深（DOF）,分辨率和焦深的对应关系,在光刻中，对图像质量起关键作用的两个因素是分辨率和焦深。硅片的表面起伏，影响光学系统不能充分聚焦硅片表面所有地方。,四、曝光质量,影响曝光质量因素：光刻胶对光的吸收 光反射 临近效应驻波：表征入射光波和反射光波之间的干涉 驻波沿着光刻胶厚度引起不均匀曝光 驻波本身降低光刻胶成像的分辨率防反射涂层：防反射涂层切断了从晶圆表面反射的光线 降低驻波效应和增强图形对比度,光反射引起的光刻胶反射

10、切口,驻波本身降低光刻胶成像的分辨率,驻波沿着光刻胶厚度引起不均匀曝光,抗反射涂层,底部抗反射涂层,顶部抗反射涂层,五、曝光后烘焙,目的：提高光刻胶的粘附性和减少驻波影响曝光后烘重新分布了光刻胶中的光敏化合物（PAC），并通过减少驻波获得了较陡直的光刻胶侧墙剖面,曝光后烘焙降低驻波的影响,六、显影,显影的关键：产生的关键尺寸达到规格要求显影中可能出现的问题：显影不足：比正常线条要宽并且在侧面有斜坡不完全显影：在 衬底上留下应去掉的光刻胶过显影：除去了太多的光刻胶，引起图形变窄和拙劣的外形,显影问题,显影技术,早期的显影：固定浸没式现代的显影技术：连续喷雾 旋覆浸没,连续喷雾光刻胶显影,旋覆浸没显影,显影参数,显影温度显影时间显影液量清洗排风硅片吸盘,七、坚膜烘焙,目的：蒸发掉剩余的溶剂使光刻胶变硬。提高了光刻胶对衬底的粘附性，光刻胶的抗刻蚀能力，同时除去剩余的显影液和水。坚膜温度可以达到溶剂沸点，以有效蒸发掉溶剂实现最大的光刻胶增密。充分加热后，光刻胶变软并发生流动，较高的坚膜温度会引起光刻胶的轻微流动，从而造成光刻图形变软深紫外线坚膜：通过深紫外线曝光使正胶树脂发生交联形成一层薄的表面硬壳，增加了光刻胶的热稳定性,高温下变软的光刻胶流动,八、显影检查,目的是查找光刻胶中成形图形的缺陷显影检查用来检查光刻工艺的好坏，为光学光刻工艺生产人员提供用于纠正的信息,显影检查的返工流程,