光刻工艺原理光刻的基本概念 光刻的本质:光刻处于硅片加工过程的中心,光刻常被认为是IC制造中最关键的步骤。光刻的本质就是把临时电路结构 复制到以后要进行刻蚀和离子注入的硅片上。这些结构首先 以图形的形式制作在名为掩膜版的石英膜版上。紫外光透过 掩膜版把图形转移到硅片表面的光敏薄膜上。即使用光敏光 刻胶材料和可控制的曝光在硅片表面形成三维图形。 线宽 间距 厚度 衬底 光刻胶 光刻胶的三维图形 光刻胶的三维图形 硅片的制造流程 注入 扩散 测试/筛选 刻蚀 抛光 光刻 完成的硅片 无图形硅片r 硅片起始t 薄膜 硅片制造(前端) 套准精度:光刻要求硅片表面上存在的图案与掩模版上的图形准确对准,这种特性指标就是套准精度。对准十分关键是 因为掩模版上的图形要准确地转移到硅片上。 两个邻近的特征尺寸:硅片上形成图形的实际尺寸就是特征尺寸。 关键尺寸:最小的特征尺寸就是关键尺寸。对于关键尺寸来说,分辨率很重要。 几个光刻的重要概念 1、高分辨率随着集成电路集成度的提高,特征尺寸越来 越小要求实现掩模图形高水平转移的光学系统分辨率必须越 2、高灵敏度的光刻胶指光刻胶的感光速度,希望光刻工 序的周期越短越好,减小曝光所需的时间就必须使用高灵敏 度的光刻胶。 3、低缺陷密度如果在器件上产生一个缺陷,即使缺陷很 小,也可能使芯片失效。 4、套刻对准精度在电路制造过程中要进行多次的光刻, 每次光刻都要进行严格的套刻。 5、大尺寸硅片的加工为了提高经济效益和硅片的利用率。 光刻工艺 光刻工艺包括两种基本的工艺类型:负性光刻和正性光刻。这两种基本工艺的主要区别在于所使用的光刻胶的类型不同。 负性光刻:所使用的是负性光刻胶,当曝光后,光刻胶会因为交联而变得不可溶解,并会硬化,一旦硬化,交联的光刻胶就 不能在溶济中被洗掉,因为光刻胶上的图形与投影掩膜版上的 图形相反因此这种光刻胶被称为负性光刻胶。 正性光刻:与负性光刻相反负性光刻 紫外光 紫外光 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 光刻胶光刻胶的曝光区 光刻胶上的阴影 硅衬底硅衬底 光刻胶t 光刻胶t 氧化硅 氧化硅 窗口 窗口 氧化层 氧化层 硅衬底 硅衬底 正性光刻 photoresist silicon substrate oxide oxide silicon substrate photoresist 紫外光 紫外光 光刻胶上的阴影 光刻胶的曝 窗口硅衬底 硅衬底 光刻胶t 光刻胶t 氧化层 氧化层 光刻胶t 光刻胶t 氧化层 氧化层 硅衬底 硅衬底 掩膜版与光刻胶之间的关系 期望印在硅片上的光刻胶结 窗口衬底 光刻胶岛 石英 图形(与想要的结构相反)当使用正胶时要求掩膜版上 的图形(与想要的结构想同) 光刻的八个步骤 坚膜烘焙紫外光 对准和曝光光刻胶 气相成底膜HMDS 1:气相成底膜处理 光刻的第一步是清洗:要成功地制造集成电路,硅片在所有的工艺步骤中都要仔细地清洗。在各个工艺步骤间的保存和 传送硅片时不可避免地要引入沾污,所以清洗步骤非常必要。 硅片清洗是为了增强硅片和光刻胶之间的粘附性,硅片的清 洗包括湿法清洗和去离子水冲洗以去除沾污物. 成底膜技术 烘焙后硅片马上要用六甲基二胺烷(HMDS)成底膜,它起到提高粘附力的作用.HMDS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.它的本质是作为硅片和光刻胶的连接 剂,所以这些材料具有化学相容性. 硅片成底膜处理的一个重要方面在于成底膜后要尽快涂胶,使潮气问题最小化. 成底膜技术:HMDS可以用浸泡,喷雾和气相方法来涂. HMDS滴浸润液和旋转 滴浸润形成 旋转硅片去除多余的液 2:旋转涂胶工艺小结: 以约500rpm的慢速旋转 加速到约3000 5000rpm 颗粒和缺陷真空吸盘 与转动电机连接 旋转铺开:快速加速硅片的旋转到一高的转速(rpm)使光刻胶伸展到整个硅片表面; 旋转甩掉:甩去多余的光刻胶,在硅片上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层; 以固定的转速继续旋转已涂胶的硅片,直至溶剂挥发,光刻胶胶膜几乎干燥. 光刻胶旋转涂胶的两个目的是: 1.在硅片表面得到均匀的胶膜的覆盖; 2.在长时间内得到硅片间可重复的胶厚; 旋转涂布光刻胶的4个步骤 加速旋转旋转涂胶 硅片上光刻胶的厚度和均匀性是非常重要的质量参数。厚度并不是由淀积的光刻胶的量来控制的,因为绝大部分光刻胶 都飞离了硅片。对于光刻胶厚度最关键的参数是转速和光刻 胶粘度。粘度越高转速越低,光刻胶就越厚。不同的参数会 影响光刻胶的厚度和均匀性。 去除边圈:在硅片旋转过程中,由于离心力光刻胶向硅片边缘流动并流到背面。光刻胶在硅片边缘和背面的隆起叫边圈。 当干燥时,光刻胶剥落并产生颗粒。这些颗粒可能落在电路 有源区,硅片传送系统和工艺设备里面,导致硅片上缺陷密 度增加,甚至硅片背面的光刻胶可能会因为它粘附在硅片托 盘上而导致故障。因此要去除边圈。 涂胶设备 光刻胶喷嘴背面EBR 真空 真空吸 旋转电机硅片 硅片 抽气 泄漏 光刻胶液流 光刻胶液流 不锈钢碗 气流 气流 气流 气流 喷嘴位置可四个方向调整 光刻胶 光刻胶是一种有机化合物,它受紫外曝光后,在显影溶液中的溶解度会发生变化.硅片制造中所用的光刻胶以液态涂在硅 片表面,而后被干燥成膜.硅片制造中光刻胶的目的是: 1.将掩膜版图案转移到硅片表面顶层的光刻胶中; 2.在后续工艺中,保护下面的材料(例如刻蚀或离子注入阻挡 随着器件电路密度持续几代缩小了关键尺寸,为了将亚微米线宽图形转移到硅片表面,光刻技术得到了改善,这些改善包 1.更好的图形清晰度(分辨率);2.对半导体硅片表面更好的粘附性; 3.更好的均匀性; 4.增加了工艺宽容度(对工艺可变量敏感度降低) 光刻胶的种类及对比 正性光刻胶和负性光刻胶,基于光刻胶材料是如何响应曝光光源的。 正性光刻胶:曝光区域变得易溶解于显影液中,得到和掩膜 版相同的图形。 负性光刻胶:曝光区域交联硬化,难溶于显影液中,在硅片 上形成于掩膜版相反的图形。 对比:负性光刻胶在显影时容易变形和膨胀,只适用于大尺寸的电路,而正性光刻胶则更加的优良。 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 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合 物,给予光刻胶机械和化学 性质 负性光刻胶交联 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 可容于显影液的化 学物质. 曝光前负性光刻胶 曝光后负性光刻胶 显影后负性光刻胶 UV 氧化硅 光刻胶 衬底 交联 未被曝光 曝光 可溶 其中的感光剂是光敏化合物(PAC),最常见的是重氮萘醌(DNQ),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。正胶可以更好地分辨掩膜版的暗区和亮区,在光刻胶上产生陡直的转移图 形.正胶具有良好的对比特性,由于光刻胶侧墙陡直使其产生 更好的线宽分辨率。 正性I线光刻胶良好的对比特性 正性光刻胶: 线光刻胶被曝光的光刻胶溶 于显影液 未被曝光的光刻胶保持交 联和PAG未激活 曝光前的正性光刻胶 曝光后的 光刻胶 显影后的 光刻胶 UV 氧化硅 光刻胶 衬底 未改变 曝光的 未曝光的 酸催化反映(在PEB中) PAG PAG PAG PAG PAGPAG PAG PAGPAG 光刻胶的物理特性 1、分辨率:是区别硅片表面上两个或更多的邻近特征图形的能力.一种解释分辨率的实际方法是通过硅片上形成符合质 量规范要求的最小特征图形.形成的关键尺寸越小,光刻胶的 分辨能力和光刻系统就越好. 2.0 1.0 0.5 0.1 0.25 线宽和间距的尺寸必须相等。随着特征尺 寸减小,要将特征图形彼此分开更困难 影响曝光分辨率的主要因素 2、对比度:是光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度。对比度代表着只适于在掩膜板透光区规定范围内曝光的光刻胶 的能力。高对比度产生的垂直的光刻胶侧墙是理想的。 差的光刻胶对比度 差的对比度光刻胶 好的对比度光刻胶 3、敏感度:是硅片表面光刻胶中产生一个良好图形所需的一定波长光的最小能量值,提供给光刻胶的光能量值通常称为 曝光量。 4、粘滞性:指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标. 粘滞性与时间相关,因为它会在使用中随着光刻胶中溶剂挥 发增加。 5、粘附性:光刻胶的粘附性描述了光刻胶粘着于衬底的强度。 光刻胶必须粘附于许多不同的表面,包括硅,多晶硅,二氧化 硅,氮化硅和不同的金属。光刻胶粘附性的不足会导致硅片 表面上的图形变形.光刻胶的粘附性必须经受住曝光,显影和 后续工艺。 6、抗蚀性:光刻胶胶膜必须保持它的粘附性,并在后续的 湿刻和干刻中保护衬底表面,这种性质就被称为抗蚀性. 7、表面张力:指的是液体中将表面分子拉向液体主体内 的分子间吸引力.光刻胶具有产生相对大的表面张力的分 子间力,所以在不同的工艺步骤中光刻胶分子会聚在一起. 同时光刻胶的表面张力必须足够小,从而在应用时能提供 良好的流动性和硅的覆盖. 小分子力引起小 大分子力引起大 的表面张力 的表面张力 传统负胶的缺点 1、在显影时曝光区域由溶剂引起的泡涨。这种泡涨使硅片表面的光刻胶图形变形,对于具有微米和亚微米关键尺寸的 极细小图形线条来说是不能接受的。 软烘的目标:除去光刻胶中的溶剂。软烘的作用:1.提高了粘附性; 2.提升了硅片上光刻胶的均匀性,在刻蚀中得到了 更好的线宽控制; 典型的软烘条件:先在热板上90度到100度烘30秒,结下来是 在冷板上降温的步骤,以得到光刻胶一致特性的硅片温度控 在真空热板上软烘软烘的目的: 优化光刻胶的光吸收特性热板 硅片 溶剂 排出 3.由于溶剂含量过高导致在显影时由于溶解差异,而很难区分曝光和未曝光的光刻胶; 4.光刻胶散发的气体(由于曝光时的热量)可能沾污光学系统的透镜; 4:对准和曝光 工艺小结: 将掩膜版上图形转移到涂胶的硅片上 颗粒和缺陷UV 光源 2.通过对光刻胶曝光,把高分辨率的投影掩膜版的图形复制到硅片上; 3.在单位时间内产生出足够多的符合产品质量规格的硅片;版图转移到光刻胶上 单视场曝光,包括:聚焦,对准, 曝光,步进和重复过程 紫外光源 投影掩膜版(在投影掩膜版 视场内可能包含一个或多芯 方向控制硅片的位臵投影透镜(缩小的投影掩膜版 的视场到硅片表面) 快门再聚焦和对准过程中闭 合,而在曝光过程中打开 对准激光 曝光光线波长越短能爆出的特 征尺寸就越小。 在曝光过程中,从光源发出的光通过对准的掩膜版.版上 有不透明和透明的区域,这些区域形成了转移到硅片表面的 图形.曝光的目的就是把版上图形精确地复制成光刻胶上的 最终图像。曝光的另一方面是,在所有其它条件相同时,曝光 光线波长越短能曝出的特征尺寸就越小.事实上它是缩小硅 片特征尺寸的驱动。此外,曝光的光线产生一定的能量,这对 光刻胶产生化学反应是必可少的,光刻须均匀地分配到曝光 区域.光学光刻需要在短波长下进行强曝光以获得当今精细 光刻的关键尺寸。 曝光光源 紫外光用于光刻胶的曝光是因为光刻胶材料与这个特定波长的光反应。波长也很重要,因为较短的波长可以获得光刻胶 上较小尺寸的分辨率,现今最常用于光学光刻的两种紫外光 除了这些通常使用的光源外,其他用于先进的或特殊应用的光刻胶曝光的源有X射线,电子束,和离子束. 曝光光源的一个重要方面是光的强度,光强被定义为单位面积的功率 典型的高压汞灯的发射光谱 120 100 80 60 40 20 200300 400 500 600 波长(nm) h-line405 nm g-line 436 nm i-line 365 nm DUV 248 nm 高强度汞灯的发射光谱 汞灯强度峰 UV 光波长(nm) 描述符 CD 分辨率(m) 436 g-line 0.5 405 h-line 0.4 365 i-line 0.35 248 深紫外 (DUV) 0.25 抗反射涂层 抗反射涂层使用的原因:曝光光线通过投影掩膜版后在光刻胶上形成图案。在光刻胶下面最终要被刻蚀形成图案的底层 薄膜,如果这个底层膜是反光的那么光线将从这个膜层反射 并有可能损害临近的光刻胶,这个损害能够对线宽控制产生 不利的影响。 两种最主要的光反射问题是反射切口和驻波。我们把一种抗反射涂层(ARC)直接用于反射材料的表面来减小光刻胶的 驻波效应。它们以薄层的形式被淀积在硅片上。 抗反射涂层 驻波:驻波表征入射光波和反射光波之间的干涉,这种干涉引起了随光刻厚度变化的不均匀曝光。驻波的本质是降低了 光刻胶成像的分辨率。 ARC的种类:在光刻胶下面用来减小衬底反射的底部抗反射涂层和淀积在光胶上面用来减少光刻胶表面二次反射的顶部 抗反射涂层。 光反射引起的光刻胶反射切口 多晶硅 衬底 STI STI UV曝光光线 未被曝光的光刻胶 被开槽的光刻胶 边缘衍射 表面反射 入射光和反射光在光刻胶中干涉 驻波沿着光刻胶厚度引起不均匀曝光 入射光 反射光 光刻胶 衬底光刻胶中的驻波效应 底部抗反射涂层:底部抗反射涂层(BARC)是用来减小来自光刻胶下面反射层的光反射。底部抗反射涂层材料是有 机或无机绝缘材料,在涂光刻胶前被加到硅片上。 有机抗反射涂层通过吸收光减少反射。 无机抗反射涂层是通过特定波长相移相消起作用。 顶部抗反射涂层:顶部抗反射涂层(TARC)在光刻胶和 空气的交界面上减少反射顶部抗反射涂层材料,是作为一个 透明的薄膜干涉层,通过光线间的相干相消来消除反射。 ARC的种类 通过底部抗反射涂层的光控制 BARC 多晶硅 衬底 STI STI UV曝光光线 未被曝光的光刻胶 底部抗发射涂层的光相移相消 (A)入射光 光刻胶 BARC (TiN) 顶部抗反射涂层入射光 光刻胶 光刻胶-衬底反射 衬底 入射光 光刻胶 衬底反射 衬底 上抗反射涂层吸收衬底反 五个精细光刻时代如下所示:1.接触式光刻机 2.接近式光刻 分步重复光刻机5.步进扫描光刻机 曝光方式 特性 接触式 接近式 1:1全反射系统投 缩小投影式DSW2:1 4:1 2.5m2.5m 1.5m 0.8m 掩膜版寿命 接触式的5~10倍 半永久 半永久 对准精度 0.5~1m0.1~0.3m 装臵成本 便宜 优点分辨率高; 线宽重复性 设备成本低; 掩膜寿命高; 晶片表面不易 损伤; 掩膜寿命半永久; 成品率高; 无间距误差 掩膜寿命半永久; 成品率高; 掩膜版制作容易; 分辨率高; 对准精度高; 缺点 掩膜版寿命低, 晶片易损 成品率低;分辨率低; 线宽偏差大; 分辨率比接近式稍 线宽偏差大,比接近式稍差; 每次光刻面积较小,曝光效率 设备昂贵;接触/接近式光刻机系统 发光装置 对准显微镜 (分视场) 硅片真空吸盘 照明装置扫描方向 曝光光线(UV狭缝逐渐 扫过整个掩膜版视场到 硅片上) 5:曝光后烘焙 对于深紫外(DUV)光刻胶在100度至110度的热板上进行曝光后烘焙是必须的,这步烘焙应紧跟在光刻胶曝光后。 目的:提高光刻胶的粘附性并减少驻波。6:显影 工艺小结: 颗粒和缺陷真空吸盘 与转动电机连接 至真空泵显影液喷头 显影:用化学显影液溶解由曝光造成的光刻胶的可溶解区域就是光刻胶 显影,其主要目的是把掩膜版图形准确复制到光刻胶中。 显影的三个主要类型的问题: 显影不足:显影不足的线条比正常线条要宽并且在侧面有斜坡; 不完全显影:不完全显影在衬底上留下应该在显影过程去掉的剩余光刻 显影不足 不完全 显影 正确 显影 过显影 光刻胶 衬底 负胶通过紫外曝光发生交联或变硬。使曝光的光刻胶变得在显影液中不可溶解.负胶的一个主要问题是交联光刻胶由于 在清洗过程中吸收显影液而膨胀和变形。因此,在硅片上剩 余的光刻胶的侧墙变得膨胀和参差不齐。 UV 交联 未曝光的光刻胶 被曝光的光刻胶 负胶显影 正胶显影 曝光的光刻胶溶解在 显影液中. 未曝光的正胶 交联光刻胶 显影方法 连续喷雾显影真空吸盘 连接旋转电 至真空泵喷雾显 影清洗 传送台气相成 硅片传送系统(a)硅片轨道系统 (b)喷雾式显影 (d)甩干 DI水清洗(b)甩掉多余的显影液 (a)旋覆浸没式 滴显影液 浸没式 旋覆浸没显影光刻胶显影参数 显影温度:显影液最适宜的温度是15到25,其温度确定后, 误差必须控制在1 以内。 当量浓度(N):是一个浓度单位,以一升溶解物中溶质的含量为多少克表示。当量浓度代表了其准确的化学组成,决 定显影液碱性的强弱。 排风:排风是避免影响喷雾显影液的关键因素。低速排风会导致显影模块中雾状显影液的剩余,剩余的显影液会落在硅 片上与光刻胶发生反应。 显影后检查 如果由先前操作造成的硅片问题无法接受,那么硅片就报废; 如果问题与光刻胶中图形的质量有关,那么硅片就需要返工; 硅片返工:将硅片表面的光刻胶剥离,然后重新进行光学光刻工艺的过程称为硅片返工。 显影检查的返工流程 气相成底膜HMDS 旋转涂胶光刻胶 对准和曝光UV光 等离子体等离子体 去胶清洗 不合格硅片 合格硅片 离子注入 刻蚀 返工 显影后的热烘叫做坚膜烘焙,目的是蒸发掉剩余的溶剂使光刻胶变硬,提高光刻胶对硅片表面的粘附性. 这一步是稳固光刻胶,对下面的刻蚀和离子注入过程 非常关键。 坚膜烘焙通常在硅片轨道系统的热板上或生产线的炉子中进行。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轻微流动,从而造成光刻 图形变形。 正胶的坚膜烘焙温度约为120度到140度,这比软烘的温度要高,但也不能太高,否则光刻胶就会流动从而破 坏图形。 高温下变软的光刻胶流动 光刻胶 刻蚀的定义:用化学或物理的方法有选择地从硅片表面去除不 需要的材料的过程。 刻蚀的目的:在涂胶的硅片上正确地复制掩膜图形。有图形的 光刻胶层在刻蚀中不受到腐蚀源显著的侵蚀,这层掩蔽膜用来 在刻蚀中保护硅片上的特殊区域而选择性地刻蚀掉未被光刻胶 保护的区域。 干法刻蚀:把硅片表面曝露于气态中产生的等离子体,等离子体通过光刻胶中开出的窗口,于硅片发生物理或化学反应 (或这两种反应),从而去掉曝露的表面材料。它是亚微米 尺寸下刻蚀器件的最主要方法。 湿法刻蚀:用液体化学剂(如酸,碱和溶剂等)以化学方式去除硅片表面的材料。