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1、第五章半导体器件工艺第五章半导体器件工艺学之光刻学之光刻第一页，本课件共有65页5-15-1光刻材料光刻材料一、概述一、概述 制作掩膜版制作掩膜版 将掩膜版上的图形转移到硅片表面的光敏薄膜上 刻蚀刻蚀 离子注入离子注入 （掺杂）（掺杂）第二页，本课件共有65页n n光刻使用光敏光刻胶材料和受控制的曝光形成三维图形n n光刻是IC制造中关键步骤 1/3成本、40%50%生产时间、决定CDn n多次光刻n n光刻材料：光刻胶 掩膜版第三页，本课件共有65页二、光刻胶（二、光刻胶（PR）1.光刻胶的特性及作用n n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
2、溶（正胶）n n光刻胶的作用：保护下层材料n n光刻胶：负性光刻胶 正性光刻胶 第四页，本课件共有65页2.光刻胶的组成光刻胶的组成树脂树脂 感光剂感光剂 溶剂溶剂 另外还有添加剂另外还有添加剂第五页，本课件共有65页负性光刻胶负性光刻胶n n树脂（可溶于显影液）曝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n n显影后图形与掩膜版相反第六页，本课件共有65页正性光刻胶正性光刻胶n n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n n显影后图形与掩膜版相同第七页，本课件共有65页对比：正、负光刻胶对比：正、负光刻胶n n负胶：显
3、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n n正胶：无膨胀，良好的线宽分辨率 和基片之间的粘附性差 当前主要使用正胶第八页，本课件共有65页3.光刻胶发展光刻胶发展n n传统I线光刻胶（I线紫外波长365nm，0.35mCD）n n深紫外（DUV）光刻胶（248nm，0.25mCD）n n深紫外光刻胶的化学放大（193nm，0.18mCD）第九页，本课件共有65页4.光刻胶的特性光刻胶的特性n n分辨率：将硅片上两个邻近的特征图形区分开的能力第十页，本课件共有65页n n对比度：光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度对比度：光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度
4、n n敏感度：产生一个良好图形所需的最低能量敏感度：产生一个良好图形所需的最低能量n n粘滞度：液体光刻胶的流动特性的定量指标粘滞度：液体光刻胶的流动特性的定量指标n n粘附性：光刻胶粘着衬底的强度粘附性：光刻胶粘着衬底的强度n n抗蚀性：在后面的加工工艺中保持化学稳定性第十一页，本课件共有65页三、掩膜版三、掩膜版n n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第十二页，本课件共有65页n n两个基本部分：基板（石英版）+不透光材料n n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n n超微粒干版：AgBr（卤化银）铬版：Cr（铬）+氧化铬 氧化铁
5、版：Fe2O3（氧化铁）第十三页，本课件共有65页n n投影掩模板投影掩模板 采用电子束光刻直写式采用电子束光刻直写式 投影掩模板的损伤：投影掩模板的损伤：掉铬、表面擦伤、静电放电、灰尘颗粒 投影掩模板的保护膜：投影掩模板的保护膜：第十四页，本课件共有65页5-25-2光刻工艺光刻工艺正性和负性光刻工艺：负性光刻第十五页，本课件共有65页正性光刻第十六页，本课件共有65页光刻的基本步骤光刻的基本步骤n n气相成底膜n n旋转涂胶n n前烘n n对准和曝光n n曝光后烘焙n n显影n n坚膜烘焙n n显影检查第十七页，本课件共有65页基本步骤基本步骤第十八页，本课件共有65页n n目的：增强硅片
6、与光刻胶的黏附性n n底膜处理的步骤底膜处理的步骤 1.1.硅片清洗硅片清洗 不良的表面沾污会造成：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，光刻胶针孔颗粒沾污会造成不平坦的涂布，光刻胶针孔 2.2.脱水烘焙脱水烘焙 使硅片表面呈干燥疏水性使硅片表面呈干燥疏水性 3.3.底膜处理底膜处理 HMDS HMDS作用：影响硅片表面形成疏水表面作用：影响硅片表面形成疏水表面 增强硅片与胶的结合力增强硅片与胶的结合力 成底膜技术：旋转法和气相法成底膜技术：旋转法和气相法一、气相成底膜一、气相成底膜第十九页，本课件共
7、有65页硅片清洗硅片清洗第二十页，本课件共有65页脱水烘焙与气相成底膜脱水烘焙与气相成底膜第二十一页，本课件共有65页二、旋转涂胶二、旋转涂胶n n质量参数：厚度、均匀性、颗粒沾污、光刻胶缺陷（如针孔）等n n厚度和均匀性 光刻胶厚度通常在1m数量级 单片厚度变化2050A 大批量的片间厚度30A第二十二页，本课件共有65页旋转涂胶旋转涂胶4个基本步骤个基本步骤第二十三页，本课件共有65页匀胶机匀胶机第二十四页，本课件共有65页三、前烘（软烘）三、前烘（软烘）n n目的：目的：光刻胶中的溶剂部分挥发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增强光刻胶的粘附性，光吸收及抗腐蚀能
8、力缓和涂胶过程中光刻胶膜内产生的应力缓和涂胶过程中光刻胶膜内产生的应力n n如果没有前烘，可能带来的问题有：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光刻胶散发的气体可能污染光学系统的透镜第二十五页，本课件共有65页烘箱与热板烘箱与热板第二十六页，本课件共有65页四、对准和曝光四、对准和曝光n n对准和
9、曝光工艺代表了现代光刻中的主要设备系统n n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图形投影，这样就对光刻胶进行曝光。n n曝光方式和设备n n曝光光源n n光学光刻特性n n曝光质量第二十七页，本课件共有65页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 离子束光刻机第二十八页，本课件共有65页接触式光刻机接触式光刻机n n20世纪70年代使用，用于5m及以上尺寸n n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）线宽第二十九页，本课
10、件共有65页接触式光刻机接触式光刻机第三十页，本课件共有65页接近式光刻机接近式光刻机n n由接触式发展来，70年代使用，用于2m4m尺寸线宽n n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第三十一页，本课件共有65页接近式光刻机接近式光刻机第三十二页，本课件共有65页接近式光刻机上的边缘衍射和表面反射接近式光刻机上的边缘衍射和表面反射第三十三页，本课件共有65页接触和接近式光刻机接触和接近式光刻机第三十四页，本课件共有65页扫描投影式光刻机扫描投影式光刻机n n70年代末80年代初，现在仍有使用，用来实现1m的非关键层n n使用1：1掩膜版n n特点：亚微
11、米尺寸的掩膜版制作困难第三十五页，本课件共有65页扫描投影式光刻机扫描投影式光刻机第三十六页，本课件共有65页步进扫描式光刻机步进扫描式光刻机n n近年主流设备，用于形成0.25m及以下尺寸n n使用投影掩膜版（1：1，4：1，5：1，10：1）n n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 第三十七页，本课件共有65页步进扫描光刻机步进扫描光刻机第三十八页，本课件共有65页步进投影式光刻机步进投影式光刻机第三十九页，本课件共有65页非光学曝光非光学曝光n n电子束曝光n nX射线曝光n n离子束曝光第四十页，本课件共有65页电子束曝光机电子束曝光机第四十一页，本课件共有6
12、5页2.曝光光源：n n最常用的两种紫外光源：汞灯最常用的两种紫外光源：汞灯 准分子激光准分子激光 汞灯：发出240nm500nm之间的辐射 准分子激光：准分子激光：248nm248nm氟化氪激光器（常用）氟化氪激光器（常用）193nm 193nm氟化氩激光器（下一代技术）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）n n先进和特殊用途的光源：先进和特殊用途的光源：X X射线射线 电子束电子束 离子束离子束第四十二页，本课件共有65页3.光学光刻特性光学光刻特性n n光谱n n数值孔径n n分辨率n n焦深第四十三页，本课件共有65页光谱光谱DUVDUV（24
13、8nm193nm248nm193nm）VUVVUV（157nm157nm）EUVEUV（13nm13nm）光刻区域：黄灯光刻区域：黄灯第四十四页，本课件共有65页透镜的数值孔径透镜的数值孔径n n数值孔径（NA）：透镜收集衍射光的能力n nNA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n nNA=透镜的半径/透镜的焦长n n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。第四十五页，本课件共有65页分辨率分辨率n n分辨率R=K/NAn n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第四十六页，本
14、课件共有65页焦深焦深n n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DOF。n n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n n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n nDOF=/2（NA）2第四十七页，本课件共有65页焦深（焦深（DOF）第四十八页，本课件共有65页分辨率和焦深的对应关系分辨率和焦深的对应关系n n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。n n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。第四十九页，本课件共有65页四、曝光质量四、曝光质量n n影响曝光
15、质量因素：光刻胶对光的吸收 光反射 临近效应n n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n n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第五十页，本课件共有65页光反射引起的光刻胶反射切口光反射引起的光刻胶反射切口第五十一页，本课件共有65页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第五十二页，本课件共有65页抗反射涂层抗反射涂层 底部抗反射涂层顶部抗反射涂层第五十三页，本课件共有65页五、曝光后烘焙五、曝光后烘焙n n目的：提高光刻胶的粘附性和减少驻波影响n n曝光后烘重
16、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第五十四页，本课件共有65页曝光后烘焙降低驻波的影响曝光后烘焙降低驻波的影响第五十五页，本课件共有65页六、显影六、显影n n显影的关键：产生的关键尺寸达到规格要求n n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第五十六页，本课件共有65页显影问题显影问题第五十七页，本课件共有65页显影技术显影技术n n早期的显影：固定浸没式n n现代的显影技术：连续喷雾 旋覆浸没第五十八页，本课件共有65页连续喷雾光
17、刻胶显影连续喷雾光刻胶显影第五十九页，本课件共有65页旋覆浸没显影旋覆浸没显影第六十页，本课件共有65页显影参数显影参数n n显影温度n n显影时间n n显影液量n n清洗n n排风n n硅片吸盘第六十一页，本课件共有65页七、坚膜烘焙七、坚膜烘焙n n目的：蒸发掉剩余的溶剂使光刻胶变硬。提高了光刻目的：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。剩余的显影液和水。n n坚膜温度可以达到溶剂沸点，以有效蒸发掉溶剂实现最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。大的光刻
18、胶增密。n n充分加热后，光刻胶变软并发生流动，较高的坚膜充分加热后，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，从而造成光刻图形温度会引起光刻胶的轻微流动，从而造成光刻图形变软变软n n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第六十二页，本课件共有65页高温下变软的光刻胶流动高温下变软的光刻胶流动第六十三页，本课件共有65页八、显影检查八、显影检查n n目的是查找光刻胶中成形图形的缺陷n n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第六十四页，本课件共有65页显影检查的返工流程显影检查的返工流程第六十五页，本课件共有65页