1、微电子制造技术微电子制造技术第第 13 13 章章 光刻光刻: :气相成底膜到软烘气相成底膜到软烘 学学 习习 目目 标标1.了解光刻的基本概念，包括工艺概述、关键尺寸划分、光谱、分辨率、工艺宽容度等；2.讨论正性胶和负性胶的区别；3.了解光刻的8个基本步骤；4.讨论光刻胶的物理特性；5.解释软烘的目的，并说明它在生产中如何完成； 光刻的基本概念光刻的基本概念 光刻就是光刻就是利用光刻胶的感光性感光性和耐蚀性耐蚀性，在各种薄膜上复印复印并刻蚀刻蚀出与掩摸版完全对应的几何图形。以实现选择性掺杂选择性掺杂和金属布线金属布线的目的。是一种非常精细的表面加工技术，在芯片生产过程中广泛应用。光刻精度和质
2、量光刻精度和质量将直接影响器件的性能指标，同时也是影响制造成品率和可靠性的重要因素。光刻过程如图所示有薄膜的晶圆光刻制程正胶工艺开孔-或负胶工艺留岛- 光刻是一种多步骤的图形转移过程多步骤的图形转移过程，首先是在掩膜版掩膜版上形成所需要的图形，之后通过光刻工艺把所需要的图形转移到晶园表面的每一层。 图形转移通过两步完成。图形转移通过两步完成。首先，图形被转移到光刻胶层，光刻胶经过曝光后自身性质和结构发生变化（由原来的可溶性物质变为非可溶性物质，或由原来的可溶性物质变为非可溶性物质，或者相反者相反）。再通过化学溶剂（显影剂）把可以溶解的部分去掉，不能溶解的光刻胶就构成了一个图形（硅片上的器件、隔
3、离槽、接触孔、金属互联线等），而这些图形正好和掩膜版上的图形相对应。形成的光刻胶图形是三维的，具有长、宽、高物理特征（见下图）。线宽间距厚度Substrate光刻胶Figure 13.2 光刻胶的三维图形掩掩 膜膜 版版 掩膜版有投影掩膜版和光掩膜版之分。投影掩膜版(reticle)是一块包含了要在硅片上重复生成图形的石英版，这种图形可能只有一个管芯，或者是几个。光掩膜版（photomask）通常也称为掩膜版（mask），是包含了对于整个芯片来说确定一层工艺所需的完整管芯阵列的石英板。由于在图形转在图形转移到光刻胶中光是最关键的因素之一移到光刻胶中光是最关键的因素之一，所以光刻有时被称为光学光
4、刻。 对于复杂的集成电路，可能需要30块以上的掩膜版用于在硅片上形成多层图形。每一个掩膜版都有独一无二的图形特征，它被置于硅片表面并步进通过整个硅片来完成每一层。4:1 Reticle1:1 MaskPhoto 13.1 光刻掩膜版和投影掩膜版光光 谱谱 掩膜版上的图形转移到光刻胶上，是通过光能激活光刻胶完成的。典型光能来自是紫外(UV)光源，能量的传递是通过光辐射完成的。为了使光刻胶在光刻中发挥作用，必须将光刻胶制成与特定的紫外线波长有化学反应光刻胶。 紫外线一直是形成光刻图形常用的能量源，并会在接下来的一段时间内继续沿用（包括0.1m或者更小的工艺节点的器件制造中）。 电磁光谱用来为光刻引
5、入最合适的紫外光谱，如图13.3所示。对于光刻中重要的几种紫外光波长在表13.1中列出。大体上说，深紫外光（DUV）指的是波长在300nm以下的光。可见无线电波微波红外线射线UVX-射线f (Hz)1010101010101010101046810121416221820(m)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUV (nm)在光学光刻中常用的UV波长Figure 13.3 电磁光谱的片段表13.1 光刻曝光的重要UV波长套套 准准 精精 度度 光刻要求硅片表面上存在的图形与掩膜版上的图形准确对
6、准，这种特征指标就是套准精度。对准十分关键是因为掩膜版上的图形要层对层准确地转移到硅片上（见图13.4）。因为每一次光刻都是将掩膜版上的图形转移到硅片上，而光刻次数之多，任何一次的套准误差都会影响硅片表面上不同图案间总的布局宽容度。这种情况就是套准容差。大的套准容差会减小集成密度，即限制了器件的特征尺寸，从而降低IC性能。 除了对图形对准的控制，在工艺过程中的缺陷水平的控制也同样是非常重要的。光刻操作步骤的数目之多和光刻工艺层的数量之大，所以光刻工艺是一个主要的缺陷来源。Figure 13.4 #2栅掩膜#1阱掩膜#3接触掩膜#4金属掩膜#5PAD掩膜PMOSFETNMOSFETCross s
7、ection of CMOS inverterTop view of CMOS inverterCMOS 掩模版分解图氧化P-SUBSiO2N 阱光刻及注入P-SUBN隔离氧化及光刻P-SUBN栅氧化、多晶硅生长及光刻P-SUBNP型注入区掩模及注入P-SUBNPN型注入区掩模及注入P-SUBNN氧化及引线孔光刻P-SUBN金属化及光刻P-SUBN工艺宽容度工艺宽容度 光刻工艺中有许多工艺是可变量。例如，设备设定、材料种类、人为操作、机器性能，还有材料随时间的稳定性等诸多内容都存在可变因素。工艺宽容度表示的是光刻始终如一地处理符合特定要求产品的能力。目标是获得最大的工艺宽容度，以达到最大的工艺
8、成品率。 为了获得最大的工艺宽容度，设计工程师在版图设计时要充分考虑工艺过程所存在的可变因素，在制造过程中，工艺工程师也可通过调整工艺参量以实现最高的制造成品率。对于光刻，高的工艺宽容度意味着在生产过程中，即使遇到所有的工艺发生变化，但只要还在规定的范围内，也就能达到关键尺寸的要求。光光 刻刻 工工 艺艺光刻包括两种基本类型： 负性光刻和正性光刻。负性光刻和正性光刻。负性光刻负性光刻 负性光刻的基本特征是经过曝光的光刻胶，由原来的可溶解变为不可容解，并随之硬化。一旦硬化，被曝光的光刻胶就不能在溶剂中被洗掉。光刻胶上留下的图形与掩膜版上的图形相反（见图13.5 ）。所以这种光刻胶被称为负性光刻胶
9、。 Ultraviolet light岛被曝光的区域光刻胶发生交联变成阻止显影的化学物质光刻胶显影后的最终图形窗口光刻胶的曝光区光刻胶上的阴影在掩膜版上的铬岛Silicon substratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSilicon substrateFigure 13.5 负性光刻 正性光刻正性光刻 正性光刻的基本特征是，经过曝光的光刻胶由原来不可溶解变为可溶解，即经过曝光的光刻胶在显影液中软化并可溶解。光刻胶上留下的图形与掩膜版上的图形相同（见图13.6 ）。所以这种光刻胶被称为正性光刻胶。Figure 13.6正性光刻 photoresistsili
10、con substrateoxideoxidesilicon substratephotoresistUltraviolet light岛光刻胶显影后的 最终图形光刻胶上的阴影光刻胶的曝光区 在掩膜版 上的铬岛窗口Silicon substratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSilicon substrate期望印在硅片上的光刻胶结构 窗口衬底光刻胶岛石英铬岛使用负性胶时要求掩膜版上的图形 (与想要的结构相反)使用正性胶时要求掩膜版上的图形 (与想要的结构相同)Figure 13.7 掩膜版与光刻胶之间的关系接触孔的模拟(正胶光刻)金属互连线的模拟(正胶光刻
11、)亮场掩膜版暗场掩膜版Figure 13. 8 亮场与暗场掩膜版8) 显影检查5) 曝光后的烘焙6) 显影7) 坚膜烘焙UV 光掩膜版4) 对准和曝光光刻胶2) 旋转涂胶3) 软烘1) 气相成底膜HMDS光刻工艺的光刻工艺的8 8个基本步骤个基本步骤气相成底膜气相成底膜 气相成底膜主要是为涂胶工艺作前期准备，包含硅片清洗、脱水烘焙及成底膜等内容。硅片清洗硅片清洗 光刻的第一步首先是硅片表面清洗，因为不清洁的表面通常存在表面颗粒、金属杂质、有机沾污和自然氧化层等。这些沾污物的一个主要影响是造成光刻胶与硅片的黏附性变差。这种情况会在显影和刻蚀中引起光刻胶的“脱胶”，从而导致光刻胶下的底层薄膜的钻蚀
12、（见图13.3）。 通常进入光刻工艺的硅片刚完成氧化或淀积操作，并处于洁净状态，为这些洁净硅片涂胶的最佳条件是尽可能地快。 脱胶Figure 13.13 由于表面沾污引起的黏附性差的效果 脱水烘焙脱水烘焙 脱水烘焙的目的是清除硅片表面的残余潮气，以便使光刻胶和硅片表面有很好的黏附性能。实际的烘焙温度是可变的，一般为200250，不超过400。典型的烘焙是在传统的典型的烘焙是在传统的充满惰性气体的烘箱或真空烘箱中完成充满惰性气体的烘箱或真空烘箱中完成，现在几乎所有的硅片加工厂都使用自动化硅片轨道系统完成脱水烘焙工艺。硅片成底膜硅片成底膜 脱水烘焙后的硅片立即用六甲基二硅胺烷(HMDS)成底膜，作
13、用是提高光刻胶的作用是提高光刻胶的黏附性能黏附性能。 HMDS的作用是影响硅片表面使之疏离水分子，同时形成对光刻胶的结合力。 HMDS可以用浸泡、喷雾和气相方法来涂。硅片上成底膜的方法一般被集成在硅片轨道系统上。滴浸润形成旋转硅片除去多余的液体Figure 13.14 HMDS滴浸润液和旋转旋转涂胶旋转涂胶 成底膜处理后，硅片要立即用旋转涂胶的方法涂上液相光刻胶材料。通常硅片被固定在一个真空载片台上，一定数量的液体光刻胶滴在硅片上，然后旋转硅片得到一层厚度均匀的光刻胶涂层（见图13.10）。 不同的光刻胶要求不同的旋转涂胶条件，例如最初慢速旋转（约500rpm），接下来跃变到最大转速3000r
14、pm或者更高。依靠旋转离心力和光刻胶的表面张力使硅片表面得到一层厚度均匀的光刻胶。涂胶应用的重要质量指标是：时间、速涂胶应用的重要质量指标是：时间、速度、厚度、均匀性、颗粒沾污及光刻胶缺陷，如度、厚度、均匀性、颗粒沾污及光刻胶缺陷，如针孔等。针孔等。3) 甩掉多余的胶4) 溶剂挥发1) 滴胶2) 加速旋转Figure 13.14 旋转涂布光刻胶的4个步骤工艺小结工艺小结:硅片置于真空吸盘上滴约5ml 的光刻胶以约 500 rpm慢速旋转加速到约 3000 to 5000 rpm质量指标 时间 速度 厚度 均匀性 颗粒和缺陷真空吸盘与转动机连接的转杆至真空泵滴胶头Figure 13.10 旋转涂
15、胶硅片上涂胶的目的硅片上涂胶的目的 光刻胶是一种有机化合物，经紫外线曝光后，在显影溶液中的溶解度会发生明显变化。芯片制造所用的光刻胶以液态形式涂在硅片表面。然后被干燥成胶膜。硅片制造中使用光刻胶的目的是： 将掩膜版图案转移到硅片表面顶层的光刻将掩膜版图案转移到硅片表面顶层的光刻胶上。胶上。 在刻蚀工艺中，保护光刻胶下面的材料（在刻蚀工艺中，保护光刻胶下面的材料（各种绝缘介质薄膜、金属薄膜等）完好无损、各种绝缘介质薄膜、金属薄膜等）完好无损、不被刻蚀。不被刻蚀。 随着电路密度和关键尺寸的不断缩小，为了将亚微米线宽的图形转移到硅片表面，光刻胶必须具备如下特性：l 更好的图形清晰度更好的图形清晰度
16、( (分辨率分辨率) )l 对硅片表面更好的黏附性对硅片表面更好的黏附性l 更好的均匀性更好的均匀性l 工艺宽容度高工艺宽容度高 ( (对工艺可变量敏感度降低对工艺可变量敏感度降低) ) 光刻胶的类型光刻胶的类型 普通光刻胶可分为正性光刻胶和负性光刻正性光刻胶和负性光刻胶胶。这种分类是基于光刻胶材料对紫外光的响应特性。 对于负性光刻胶，经紫外光曝光后发生交联反应并会硬化，使原来可以被显影液溶解的成分变得不可溶解。显影后与掩膜版相反的图形留在光刻胶上。 对于正性光刻胶，经紫外光曝光后的区域经历了一种光化学反应，使原来难以被显影液溶解的特性变得可溶解。显影后与掩膜版相同的图形留在光刻胶上。 也可以
17、依据光刻胶所形成的最小关键尺寸来给光刻胶分类。一类是能形成线宽尺寸在一类是能形成线宽尺寸在0.35m0.35m及其以上的传统光刻胶。另一类是适用于深紫外及其以上的传统光刻胶。另一类是适用于深紫外(DUV)(DUV)波长的化学放大光刻胶。波长的化学放大光刻胶。 正负光刻胶的对比正负光刻胶的对比 负性光刻胶因具有与硅片良好的黏附性能和对刻蚀良好的阻挡作用，在20世纪70年代被广泛使用。然而，由于显影时的变形和膨胀变形和膨胀，通常只能有2m的分辨率。随着集成度的提高和关键尺寸的不断减小，负性光刻胶被正性光刻胶所取代。但正性光刻胶的黏附性能较负性光刻胶差。 要在硅片上得到相同图案，使用不同极性的光刻胶
18、所对应的掩膜版（亮、暗场转换）是不同的。这种变化不仅仅是改变掩膜版的明暗场，因为两种不同的光刻胶其复印掩膜尺寸是不同的。主要原因是图形周围光的散射（衍射）。所以掩膜版不仅是明暗场的简单转化，必须考虑该因素而进行重新设计。光刻胶的物理特性光刻胶的物理特性 在芯片制造工艺中，可能会用到许多类型的光刻胶。每一种都应该具备其与光刻工艺要求直接相关的自身物理特性。一种专用的光刻胶应该具备以下物理特性l分辨率分辨率l对比度对比度l敏感度敏感度l粘滞性粘滞性l粘附性粘附性l抗蚀性抗蚀性l表面张力表面张力l沾污和颗粒沾污和颗粒 分辨率：分辨率：硅片上形成符合质量规范要求的最小特征图形的能力，形成的关键尺寸越小
19、，光刻胶的分辨率能力就越高。对比度：对比度：是指光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度（见图13.16）。差的光刻胶对比度 斜坡墙 膨胀ResistFilm好的光刻胶对比度陡直墙无膨胀ResistFilmFigure 13.16敏感度敏感度 是指硅片表面光刻胶中产生一个良好图形所需要的一定波长光的最小能量值（以mJ/cm2为单位）。提供给光刻胶的光能量值通常称为曝光量。粘滞性粘滞性 粘滞性是指对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标。粘滞性越高流动性越差。粘滞性越高越有利于台阶覆盖，但间隙填充能力就越差。粘附性粘附性 黏附性是指光刻胶附着于衬底的强渡。粘附性的不足会导致硅片表面上的图形变形。要求必
20、须经受曝光、显影和刻蚀等工艺的考验。抗蚀性抗蚀性 光刻胶在后续的湿法刻蚀和干法刻蚀中必须有效保护光刻胶下的衬底表面不受刻蚀的影响。这种性质称为光刻胶的抗蚀性。 表面张力表面张力 指的是液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间的吸引力（见下图）。 小分子力引起小的表面张力 大分子引起大的表面张力Figure 13.17 表面张力光刻胶的成分光刻胶的成分添加剂: 控制光刻胶材料特殊方面的化学物质，用来控制和改变光刻胶材料的特定化学性质或光响应特性。溶剂: 使光刻胶具有流动性，易挥发，对于光刻胶的化学性质几乎没有影响。感光剂: 光刻胶材料中的光敏成分，对光能发生光化学反应树脂: 惰性的聚合物 ，用于把
21、光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂，给予光刻胶其机械和化学性质。Figure 13.18被曝光的区域发生交联，并变成阻止显影的化学物质未曝光的区域保留可溶于显影液的化学物质曝光前负性光刻胶曝光后负性光刻胶显影后的光刻胶UVOxidePhotoresistSubstrate交联未被曝光曝光可溶Figure 13.19 负性光刻胶交联被曝光的光刻胶溶于显影液未被曝光的光刻胶，包含PAC,保持交联并不溶于显影液曝光前正性光刻胶曝光后正性光刻胶显影后正性光刻胶UVOxidePhotoresistSubstrate可溶的光刻胶 曝光未被曝光PACFigure 13.20 在正性 I 线光刻胶中作为溶解抑
22、制剂的 PAC正性正性I I线光刻胶良好的对比特性线光刻胶良好的对比特性 正胶的一大优点是在光刻胶的未曝光区域不受显影液的影响，因为光刻胶最初就不溶解，并保持这种性质。这样在光刻过程中转移到光刻胶上的极细线条的图形会保持线宽和形状，产生良好的线宽分辨率。 正胶具有好的分辨率的原因之一是对比度高。正胶可以更好地分辩掩膜版的亮区和暗区，在光刻胶上产生陡直的转移图形（见下图）。正性光刻胶:陡直墙无膨胀好的对比度FilmResistFigure 13.21深紫外深紫外(DUV)(DUV)光刻胶光刻胶对于最理想的图形分辨率，光刻的目标是曝光光线的波长与关键尺寸成比例。上世纪90年代中期最典型的曝光光线的
23、波长是365nm的I线，可得到0.35mm的关键尺寸。为了得到0.25mm的关键尺寸，必须减小曝光光源的波长到250nm左右。这个值相当于深紫外(DUV)248nm的紫外波长。标准I线光刻胶由于缺乏对更小波长的光敏感性，要完成光刻胶的光反应就需要更长的曝光时间或高输出能量的光源，而对于248nm深紫外波段汞灯只有很小的能量输出，基于这一原因， I线光刻胶只适用在线宽为0.35mm和以上的关键尺寸的图形制作。* 汞灯的强渡在248nm处是如此低以致不能被用于DUV光谱光刻。如左图所示，准分之激光为给定的DUV波长提供更多的能量。Figure 13.22 DUV 发射光谱，汞灯光谱10080604
24、0200248 nm相对强渡 (%) KrF 激光发射谱 高强渡汞灯的发射谱120100806040200200300 400 500 600波长 (nm)相对强渡 (%)g-line436 nmi-line365 nmh-line405 nmDUV*248 nm深紫外光刻胶的化学放大深紫外光刻胶的化学放大 随着一种基于化学放大的DUV波长光刻胶的引入，光刻胶技术发生了一个重大的变化。化学放大(CA)的意思是对于哪些DNQ线性酚醛树脂极大地增加它们的敏感性，所有的正性和负性248nm的光刻胶都可以放大。 DUV曝光进行酸性催化反应而增加反应速度。这个过程是通过采用一种称为光酸产生剂(PAG)的
25、感光剂，增加光刻胶的敏感性而完成的。 对于所有CA DUV光刻胶树脂的基本原则是：树脂需要化学保护团使其不能溶于水性显影液。在光刻胶的曝光区域由PAG产生的酸只有经过加热烘焙时通过催化反应，将保护团移走(消除保护)曝光的光刻胶便可溶于显影液。被曝光的光刻胶溶于显影液未被曝光的光刻胶保持交联和PAC未激活曝光前的正性CA光刻胶曝光后的正性CA光刻胶显影后的正性CA光刻胶UVOxidePhotoresistSubstrate未改变 曝光的未曝光的酸催化反应（在 PEB中)PAGPAGPAGPAGH+PAGPAGPAGH+H+PAGPAGFigure 13.23 化学放大 (CA) DUV 光刻胶软软 烘烘 硅片上涂胶后要进行软烘（也叫前烘）。软烘的目的是：1.将硅片上覆盖的光刻胶溶剂去除；2.增强光刻胶的粘附性以便在显影时光刻胶可以 很好的粘附在硅片表面；3.缓和在旋转过程中光刻胶胶膜内产生的应力；4.防止硅片边缘处的光刻胶沾到设备上。 软烘的温度和时间视具体光刻胶和工艺条件而定。通常在85120的温度范围内，时间在3060秒。DNQ/线性酚醛树脂光刻胶烘陪温度（ )残留溶剂 (% w/w)Figure 13.29 软烘过程中光刻胶的溶剂含量与温度的关系
