1、1第十三章 光刻光刻-气相成底膜到软烘气相成底膜到软烘微固学院微固学院 张金平张金平213.1 引引 言言本章主要内容：本章主要内容：p光刻工艺的制造流程光刻工艺的制造流程p光刻胶的性质及分类光刻胶的性质及分类p软烘步骤软烘步骤本章知识要点：本章知识要点：l掌握光刻的基本概念；l掌握光刻胶的特性；l掌握光刻工艺的基本流程；l了解软烘工艺的意义。3亚微米亚微米CMOS IC 制造厂典型的硅片流程模型制造厂典型的硅片流程模型测试测试/拣选拣选t t注入注入扩散扩散刻蚀刻蚀抛光抛光光刻光刻完成的硅片完成的硅片无图形的硅片无图形的硅片硅片起始硅片起始薄膜薄膜硅片制造前端硅片制造前端13.1 引引 言言
2、413.1 引引 言言5SiO2淀积+光刻胶曝光显影刻蚀去除光刻胶光刻简单过程13.1 引引 言言6 光刻技术的特点光刻技术的特点1、光刻是将电路/器件图形转移到半导体的表面形成光刻胶图形；2、光刻是复印图象和化学作用相结合的综合性技术；3、器件的尺寸越小，集成电路的集成度越高，对光刻精度的要求就越高，难度就越大。4、光刻与芯片的价格和性能密切相关。光刻成本占芯片制造成本的近1/3。5、光刻系统主要由对准、曝光、光刻胶和光源组成。13.1 引引 言言7图形工艺 掩膜版 投影掩膜版关键尺寸分辨率套准精度 13.1.1 光刻的概念光刻的概念84:1 投影掩膜版1:1 掩膜版p 投影掩膜版：图形可能
3、仅包含一个管芯，也可能是几个。投影掩膜版：图形可能仅包含一个管芯，也可能是几个。p 掩膜版：包含了对于整个硅片来说确定一工艺层所需的完整管芯阵列。掩膜版：包含了对于整个硅片来说确定一工艺层所需的完整管芯阵列。13.1.1 光刻的概念光刻的概念9光刻胶的三维图形线宽间距ThicknessSubstrate光刻胶13.1.1 光刻的概念光刻的概念对光刻的基本要求p 高分辨率：高灵敏度；低缺陷；精密的套刻对准。高分辨率：高灵敏度；低缺陷；精密的套刻对准。p 关键尺寸（关键尺寸（CD）：最小的特征尺寸。）：最小的特征尺寸。CD常用作描述工艺常用作描述工艺技术节点或称某一代。技术节点或称某一代。10p
4、分辨率：区分分辨率：区分Si片上两个邻近图形的能力。片上两个邻近图形的能力。p 高的分辨率需要将曝光波长减小到与高的分辨率需要将曝光波长减小到与CD几乎一样大小。几乎一样大小。13.1.1 光刻的概念光刻的概念UV Wavelength(nm)Wavelength Name UV Emission Source 436 g-line 汞灯汞灯 405 h-line 汞灯汞灯 365 i-line 汞灯汞灯 248 Deep UV(DUV)汞灯汞灯 (KrF)准分子激光准分子激光 193 Deep UV(DUV)(ArF)准分子激光准分子激光 157 Vacuum UV(VUV)氟氟(F2)准分
5、子激光准分子激光 11VisibleRadio wavesMicro-wavesInfraredGamma raysUVX-raysf(Hz)1010101010101010101046810121416221820 (m)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUV (nm)Common UV wavelengths used in optical lithography.13.1.1 电磁光谱电磁光谱1213.1.1 特征尺寸的发展特征尺寸的发展13PMOSFETNMOSFETCross sec
6、tion of CMOS inverterTop view of CMOS inverter掩膜层决定接下来能进掩膜层决定接下来能进行的工艺精度；行的工艺精度；光刻胶掩蔽图形为要刻光刻胶掩蔽图形为要刻蚀或注入合适的位置、蚀或注入合适的位置、方向和结构尺寸；方向和结构尺寸；小尺寸和低容差没有为小尺寸和低容差没有为误差通过很大的空间。误差通过很大的空间。13.1.1 套准精度套准精度p 光刻要求硅片表面上存在的图案与掩膜版上的图形准确对准，这种特性指标就是套准精度。1413.2 光刻工艺光刻工艺1513.2 光刻工艺光刻工艺 负性光刻负胶负性光刻负胶晶片上图形与掩膜相反晶片上图形与掩膜相反曝光部分
7、发生交联反应，不可溶解，变硬曝光部分发生交联反应，不可溶解，变硬没有曝光的部分去除没有曝光的部分去除 正性光刻正胶正性光刻正胶晶片上图形与掩膜相同晶片上图形与掩膜相同曝光部分发生降解反应，可溶解曝光部分发生降解反应，可溶解曝光的部分去除曝光的部分去除16Ultraviolet light光刻胶的曝光区光刻胶上的阴影在玻璃掩膜版上的铬岛岛被曝光的区域发生交联并变成阻止显影的化学物质光刻胶显影后的最终图形窗口Silicon substratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSilicon substrate13.2.1 负性光刻负性光刻负性光刻:曝光后的光刻胶因发生
8、交联反应而硬化，留在硅片表面，未曝光的被显影液溶解而去除，留下光刻胶的图形与掩膜版图形相反。17photoresistsilicon substrateoxideUltraviolet light光刻胶上的阴影光刻胶的曝光区在玻璃掩膜版上的铬岛Silicon substratePhotoresistOxide使光衰弱的被曝光区光刻胶显影后的最终图形窗口Silicon substrate岛PhotoresistOxide正性光刻:曝光后的光刻胶被显影液溶解而去除，留下光刻胶的图形与掩膜版图形一致。13.2.2 正性光刻正性光刻18期望印在硅片上的光刻胶结构.窗口Substrate光刻胶岛石英铬岛
9、当使用负胶时，要求掩膜版上图形与想要的结构相反当使用正胶时，要求掩膜版上图形与想要的结构相同13.2.3 掩膜版与光刻胶的关系掩膜版与光刻胶的关系1913.3 光刻工艺光刻工艺的步骤的步骤20快门版图转换到光刻胶上版图转换到光刻胶上光源光学系统掩膜板对准系统涂好光刻胶的硅片14.1 引引 言言218)显影后检查5)曝光后烘焙6)显影7)坚膜UV LightMask 4)对准和曝光Resist2)涂胶3)软烘1)气相成底膜HMDS13.3 光刻工艺的个步骤光刻工艺的个步骤2213.3 光刻工艺的个步骤光刻工艺的个步骤1 1、气相成底膜处理气相成底膜处理：包括清洁、烘干、气相成底膜：包括清洁、烘干
10、、气相成底膜(采用六甲基二硅胺烷，采用六甲基二硅胺烷，HMDS)。增强表面与光刻胶的粘附性；。增强表面与光刻胶的粘附性；2 2、涂胶涂胶：在待光刻的硅片表面均匀地涂上一层光刻胶。要求粘附良好，均：在待光刻的硅片表面均匀地涂上一层光刻胶。要求粘附良好，均匀；匀；3 3、软烘软烘(90-100)(90-100)：去除光刻胶中的溶剂，以增强胶膜与硅片表面的粘附：去除光刻胶中的溶剂，以增强胶膜与硅片表面的粘附性和胶膜的均匀性、耐磨性，更好的线条控制，并使曝光时能进行充分的性和胶膜的均匀性、耐磨性，更好的线条控制，并使曝光时能进行充分的光化学反应；光化学反应；4 4、对准和曝光对准和曝光：使掩膜版和硅片
11、对准、聚焦，将掩膜版图形转移到光刻胶。：使掩膜版和硅片对准、聚焦，将掩膜版图形转移到光刻胶。5 5、曝光后烘焙曝光后烘焙：进一步去除光刻胶中的溶剂，减小曝光后的驻波效应，引：进一步去除光刻胶中的溶剂，减小曝光后的驻波效应，引起酸催化的去保护反应起酸催化的去保护反应(CA)(CA)。6 6、显影显影：通过显影剂溶解光刻胶中可溶部分。：通过显影剂溶解光刻胶中可溶部分。7 7、坚膜坚膜(120-140)(120-140)：使胶膜与硅片间紧密粘附，防止胶层脱落，并增强：使胶膜与硅片间紧密粘附，防止胶层脱落，并增强胶膜本身的抗蚀能力；胶膜本身的抗蚀能力；8 8、显影后检查显影后检查：发现错误一定纠正。：
12、发现错误一定纠正。23光刻轨道系统13.3 光刻工艺的个步骤光刻工艺的个步骤24硅片传送系统装片台传送台气相成底膜涂胶显影和清洗去边软烘冷板冷板坚膜硅片步进光刻机(对准/曝光系统)自动硅片轨道系统13.3 光刻工艺的个步骤光刻工艺的个步骤2513.4 气相成底膜气相成底膜Vapor Prime26p 硅片清洗硅片清洗p 脱水烘焙脱水烘焙p 成底膜成底膜 成底膜技术成底膜技术浸润液分滴和旋转浸润液分滴和旋转喷雾分滴和旋转喷雾分滴和旋转气相成底膜和脱水烘焙气相成底膜和脱水烘焙(汽化蒸镀）汽化蒸镀）13.4 气相成底膜气相成底膜The First Step of Photolithography:目
13、的：增强光刻胶与硅片的粘附性目的：增强光刻胶与硅片的粘附性使用材料：六甲基二硅胺烷，使用材料：六甲基二硅胺烷，HMDS作为硅片和光刻作为硅片和光刻胶的连接剂胶的连接剂27由于表面沾污引起粘附性差掉胶13.4.1 硅片清洗硅片清洗p 沾污会在显影和刻蚀中引起光刻胶的漂移p 沾污会导致不平坦的光刻胶涂布或在光刻胶中产生针孔2813.4.2 脱水烘焙脱水烘焙p 硅片容易吸附潮气到它的表面，亲水性(也称水合作用)；p 在成底膜和光刻胶旋转涂胶前要进行脱水烘焙，干燥硅片表面；p 烘焙是充满惰性气体(例如氮气)的烘箱或真空烘箱中完成；p 脱水烘焙过程被集成在硅片传送系统中。29HMDS 的浸润和旋转滴浸润
14、形成旋转硅片去除多余的液体13.4.3 硅片成底膜硅片成底膜p 脱水烘焙后，硅片马上要用六甲基二硅胺烷(HMDS)成底膜，它起到提高粘附力的作用p HMDS可以用浸泡、喷雾、气相方法来涂。30HMDS 的热板脱水和气相成底膜Wafer抽气热板腔盖Process Summary:v 在带有抽气的密闭腔内去湿烘焙v Hexamethyldisilazane(HMDS)v 清洗并干燥硅片表面(hydrophobic)v 温度 200 to 250v 时间 30 sec.13.4.3 硅片成底膜硅片成底膜HMDS313213.5 旋转涂胶旋转涂胶33光刻胶的作用光刻胶的作用 将掩膜上的图形转移到光刻胶
15、；将掩膜上的图形转移到光刻胶；在后续工艺中，保护下面的材料（如刻蚀和离子注入）。在后续工艺中，保护下面的材料（如刻蚀和离子注入）。13.5.1 旋转涂胶光刻胶旋转涂胶光刻胶光刻胶的类型及感光机理光刻胶的类型及感光机理v 光刻胶由树脂、感光剂和溶剂组成；感光剂经过光照会光刻胶由树脂、感光剂和溶剂组成；感光剂经过光照会发生光化学反应。按光化学反应的不同，可分为两类：发生光化学反应。按光化学反应的不同，可分为两类：正性光刻胶正性光刻胶和和负性光刻胶负性光刻胶。34 负胶晶片上图形与掩膜相反曝光部分发生交联反应，不可溶解，变硬没有曝光的部分去除13.5.1 旋转涂胶负胶与正胶旋转涂胶负胶与正胶p 负性
16、光刻胶负胶原始光刻胶膜可被某些溶剂溶解；适当波长的光照射后发生聚合或交联反应，聚合为不可溶物质；显影过程不包括化学反应，显影后负相的掩膜图形形成于光刻胶上。35 正胶晶片上图形与掩膜相同曝光部分发生降解反应，可溶解曝光的部分去除p 正性光刻胶正胶原始光刻胶膜不能被某些溶剂溶解；受适当波长的光照射后，发生光分解反应，分解为可溶性物质；显影后，正相的掩膜图形形成于光刻胶上；显影过程包括化学反应，未经感光的光刻胶仍然保持它在紫外光照射下发生光分解反应的活性，因此此类光刻胶在光刻工艺中能够多次曝光。13.5.1 旋转涂胶负胶与正胶旋转涂胶负胶与正胶36Figure 2 Figure 2 负胶显影后的图
17、形负胶显影后的图形负胶(显影液渗透到光刻胶中引起膨胀)正胶13.5.1 旋转涂胶负胶与正胶旋转涂胶负胶与正胶37p 分辨率分辨率Resolutionp 对比度对比度Contrastp 敏感度敏感度Sensitivityp 粘滞性粘滞性Viscosityp 粘附性粘附性Adhesionp 抗蚀性抗蚀性Etch resistance 13.5.2 光刻胶的物理特性光刻胶的物理特性38p 分辨率是区分Si片表面上两个或更多邻近图形的能力。p 分辨率是表征光刻精度的标志之一，不仅与光刻胶本身有关，也与光刻工艺条件和操作技术有关。p 分辨率通常以每毫米最多可容纳的线条对数来表示（线宽+线条间距），若线宽
18、和线条间距均为 L，则分辨率 R 为：线条越细，分辨率 R 越高。衍射现象将限制分辨率 R。11()2RmmL13.5.2 分辨率分辨率39差的光刻胶的对比度v Sloped walls（斜坡墙）v Swelling（膨胀）v Poor contrast（差的对比度）ResistFilm好的光刻胶的对比度v Sharp walls（陡直墙）v No swelling（无膨胀）v Good contrast（好的对比度）ResistFilm13.5.2 对比度对比度v 对比度指的是光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度。40灵敏度是表征光刻胶对光的敏感度的性能指标，可用曝光时产生一个良好图形使光刻
19、胶发生充分光化学反应所需的最小曝光量的倒数表示：其中，I 为照射光的强度，t 为曝光时间，k 为比例常数。对于不同波长的光，光刻胶的敏感程度不同，在某一波长下，其灵敏度最大；每种光刻胶都有一定的光谱吸收范围。因此灵敏度与光刻胶的光谱响应及所用光源的光谱成分密切相关。确定使用的光刻胶类型后，应寻找合适的光源进行曝光。kSI t13.5.2 敏感度（灵敏度）敏感度（灵敏度）41p 影响灵敏度的因素 （a）光刻胶的成分 感光性官能团种类与含量、增感剂浓度等。（b）工艺条件 光刻胶干燥程度、光刻胶膜厚度等。13.5.2 灵敏度灵敏度42粘滞性 对于液体光刻胶来说，描述其流动特性的定量指标。粘附性 光刻
20、胶膜与衬底的粘附的牢固程度直接影响到光刻精度（如显影时几何尺寸是否发生变化、腐蚀时是否会发生浮胶和钻蚀现象等）。光刻胶与衬底间粘附性与光刻胶本身的性质、衬底的性质和表面状况等均有关。抗蚀性 指光刻胶耐酸碱化学腐蚀液及等离子腐蚀的能力。对于负性胶，橡胶系光刻胶性能较优，而正性胶抗湿法腐蚀能力较差；干法等离子腐蚀中，正性胶的性能较优，如AZ1350j 胶有较高的选择比，而包括OMR-83胶等在内的负胶性能不如前者。13.5.2 其他特性其他特性43可见光无线电波微波红外线Gamma raysUVX-raysf(Hz)1010101010101010101046810121416221820(m)4
21、20-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUV (nm)在光学光刻中常用的UV波长高的分辨率需要将曝光波长减小到与高的分辨率需要将曝光波长减小到与CD几乎一样大小几乎一样大小UV Wavelength(nm)Wavelength Name UV Emission Source 436 g-line 汞汞灯灯 405 h-line 汞汞灯灯 365 i-line 汞汞灯灯 248 Deep UV(DUV)汞汞灯灯 (KrF)准准分分子子激激光光 193 Deep UV(DUV)(ArF)准准分分子子激激光
22、光 157 Vacuum UV(VUV)氟氟(F2)准准分分子子激激光光 13.5.3 传统传统I线光刻胶线光刻胶44p I线（波长356nm）光刻胶适用于0.35m及以上技术（I线光刻胶的特性也代表了G线和H线所用光刻胶的特性）；p I线光刻胶对DUV光有过度吸收，光不能渗透光刻胶，因此曝光图形差；I线光刻胶且对DUV光敏感性差，则曝光时间长，Si片处理能力下降。p 0.25m的关键尺寸需要用深紫外光（DUV，波长248nm）曝光。深紫外(DUV)光刻胶通过增加光刻胶的敏感性进行化学放大(CA)。13.5.3 传统传统I线光刻胶线光刻胶45p 电子束光刻胶 以波长更短、能量更高的电子束作光源
23、。p 离子束光刻胶 以波长更短的离子束作光源。由于离子束是直线传播，在抗蚀剂膜内几乎无扩展现象，因而分辨率高，重现精度好。13.5.3 传统传统I线光刻胶线光刻胶4613.5.3 传统传统I线光刻胶线光刻胶添加剂:控制光刻胶材料特殊方面的化学物质溶剂:使光刻胶具有流动性感光剂:光刻胶材料的光敏成分树脂:作为粘合剂的聚合物的混台物，给予光刻胶机械和化学性质光刻胶的成分I线紫外波长(365nm)的光刻胶G线436nm和H线(405nm)波长所用的光刻胶4713.5.3 负负I-Line胶光刻胶交联反应胶光刻胶交联反应被曝光的区域发生交联，并变成阻止显影的化学物质显影后负性光刻胶Oxide未曝光的区
24、城保留可溶于显影液的化学物质曝光前负性光刻胶PhotoresistSubstrate可溶曝光后负性光刻胶UV交联未被曝光曝光48正正I-Line胶降解反应用胶降解反应用PAC溶剂溶剂未被曝光的光刻胶，包含PAC，保持交联并不溶于显影液曝光前正性光刻胶PhotoresistSubstratePAC被曝光的光刻胶溶于显影液显影后正性光刻胶Oxide曝光后正性光刻胶UV可溶的光刻胶 曝光未被曝光49正 I-line胶好的对比度正性光刻胶v Sharp walls（陡直墙）v No swelling（无膨胀）v Good contrast（好的对比度）FilmResist13.5.3 正性光刻胶的对比
25、度正性光刻胶的对比度5013.5.3 正负正负光刻光刻胶的对比胶的对比p 负性光刻胶的优点：粘附性好，对刻蚀良好的阻挡作用。曝光速度快。p 负性光刻胶的缺点：显影时吸收显影液而膨胀变形，分辨率差（仅2m分辨率）。对于亮场版光刻胶中的图形比相应掩膜版的略小。p 正性光刻胶的优点：光刻胶本身不溶解，曝光后溶解度提高100倍左右。显影后，留下光刻胶不膨胀变形，分辨率高、对比度高。p 正性光刻胶的缺点：粘附性差，对于暗场版光刻胶中的图形比相应掩膜版的略大。51深紫外胶：0.25 m以下，DUV 发射光谱100806040200248 nmRelative Intensity(%)KrF 激光发射谱高强
26、度汞灯发射谱120100806040200200300 400 500 600Wavelength(nm)Relative Intensity(%)g-line436 nmi-line365 nmh-line405 nmDUV*248 nm13.5.4 深紫外深紫外（DUV）胶胶52未被曝光的光刻胶保持交联和PAG末激活 曝光前的正性CA光刻胶PhotoresistSubstratePAGPAGPAGPAGPAG13.5.4 化学放大化学放大 (CA)DUV 胶胶被曝光的光刻胶溶于显影液 显影后的正性CA光刻胶OxidePAGPAG 曝光后的正性CA光刻胶UV未改变 曝光未曝光酸催化反应（在P
27、EB）H+PAGPAGH+H+53增加胶的敏感性13.5.4 化学放大化学放大 (CA)DUV 胶胶54工艺的必要条件工艺的必要条件空气的沾污，特别是胺空气的沾污，特别是胺烘焙温度烘焙温度烘焙与曝光间隔的时间烘焙与曝光间隔的时间13.5.4 化学放大化学放大 (CA)DUV 胶胶55 Two Types of PhotoresistPositive Resist(正胶）正胶）Negative Resist（负胶）（负胶）关键（特征）尺寸关键（特征）尺寸Conventional Resist（0.35m及以上及以上）：传统）：传统 I-Line 光刻胶光刻胶Deep UV Resist（0.25
28、m及以下）：化学放大光刻胶及以下）：化学放大光刻胶 工艺应用工艺应用Critical Layers(关键层关键层)Non-critical Layers(非关键层非关键层)光刻光刻胶的对比胶的对比56Process Summary:硅片放在真空吸盘上 滴约 5ml 光刻胶 以 500 rpm速度慢速旋转 加速到 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电机连接的转杆至真空泵滴胶头13.5.5 光刻涂胶光刻涂胶方法方法57ZYXq q光刻胶喷嘴背面EBR真空真空吸盘旋转电机Wafer泄漏光刻胶溶液不锈钢碗气流气流喷嘴位置可四个方向调整排气光刻
29、胶喷嘴光刻胶喷嘴13.5.5 光刻涂胶光刻涂胶方法方法583)甩掉多余的胶4)溶剂挥发1)滴胶2)加速旋转13.5.5 光刻涂胶光刻涂胶方法方法59表面出现气泡滴胶时胶中带有气泡喷嘴尖端切口有问题或带刺放射状条纹胶液喷射速度过高设备排气速度过高胶涂覆前静止时间过长匀胶机转速或加速度设置过高片子表片留有小颗粒胶中有颗粒中心漩涡图案设备排气速度过高喷胶时胶液偏离衬底中心旋图时间过长13.5.5 光刻涂胶光刻涂胶方法方法60中心圆晕不合适的托盘喷嘴偏离衬底中心胶液未涂满衬底给胶量不足不合适的匀胶加速度针孔光刻胶内存在颗粒或气泡衬底上纯在颗粒13.5.5 光刻涂胶光刻涂胶方法方法61800007000
30、060000500004000030000200001000001000200030004000500060007000Spin Speed(RPM)Spin Speed Curve of IX300Resist Thickness()21 cP110 cP70 cP13.5.5 胶旋转曲线胶旋转曲线v 光刻胶的厚度和均匀性是非常关键的质量参数v 光刻胶厚度最关键的参数是转速和光刻胶粘度6213.6 软烘软烘6313.6软烘软烘Purpose of Soft Bake:去除光刻胶中溶剂增加光刻胶与硅片粘附能力、在接触式曝光中提高胶膜与掩膜版接触时的耐磨性能；促进光刻胶的均匀性提高线宽控制减小光刻胶内产生的应力防止光刻胶粘在设备上软烘（前烘）是将涂好胶层的硅片用烘烤使胶层中的溶剂挥发、使胶膜干燥的工艺。6413.6软烘软烘热板Wafer溶剂排出腔盖p典型烘焙温度典型烘焙温度 90 to 100C For About 30 Seconds 在热板上在热板上 随后在冷板上降温随后在冷板上降温
