8 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 光刻胶 厚度 衬底 光刻胶的三维图形 硅片的制造流程 硅片制造(前端) 硅片起始t 薄膜 无图形硅片r 完成的硅片 扩散 光刻 抛光 刻蚀 测试/筛选 注入 几个光刻的重要概念 ? 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。 ? 分辨率:指将硅片上特征图形区分开来的能力。 ? 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。 光刻技术的基本要求 ? 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 高。 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。 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。 ? 2、高灵敏度的光刻胶 ? 3、低缺陷密度 ? 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。 为了提高经济效益和硅片的利用率。 ? 5、大尺寸硅片的加工 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 被曝光的区域发生交联并变成 阻止显影的化学物质 岛 光刻胶 光刻胶上的阴影 窗口 紫外光 在掩膜版上的铬 岛 光刻胶的曝光区 光刻胶t 氧化硅 硅衬底 氧化层 硅衬底 光刻胶显影后的最终图 形 正性光刻 紫外光 使光衰弱的被曝 光区 在玻璃掩膜版 上的铬岛 光刻胶上的 阴影 岛 photoresist 光刻胶t 窗口 光刻胶的曝 光区 photoresist 光刻胶 t oxide 氧化层 silicon substrate 硅衬底 oxide 氧化层 silicon substrate 硅衬底 光刻胶显影后的最终图 形 掩膜版与光刻胶之间的关系 期望印在硅片上的光刻胶结 构 光刻胶岛 衬底 铬 石英 窗口 岛 当使用负胶时要求掩膜版上的 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 紫外光 ? HMDS 光刻胶 掩膜版 ? 1) 气相成底膜 2) 旋转涂胶 3) 软烘 4) 对准和曝光 5) 曝光后烘焙 6) 显影 7) 坚膜烘焙 8) 显影检查 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 体 2:旋转涂胶 工艺小结: ? 硅片臵于真空吸盘上 ? 滴约5ml的光刻胶 ? 以约500 rpm的慢速旋转 ? 加速到约 3000 至 5000 rpm ? 质量指标: ? 时间 ? 速度 ? 厚度 ? 均匀性 ? 颗粒和缺陷 至真空泵 滴胶头 真空吸盘 与转动电机连接 的转杆 光刻胶涂胶方法 ? 旋转涂胶的四个基本步骤 1 分滴:当硅片静止或旋转的非常缓慢时,光刻胶被分滴在硅片 上; 2 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; 3 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; 4 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 1) 滴胶 2) 加速旋转 3) 甩掉多 余的胶 4) 溶剂挥发 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 Z X q Y 喷嘴位置可四个方向调整 光刻胶液流 光刻胶喷嘴 硅片 不锈钢碗 背面 EBR 气流 真空吸 盘 气流 抽气 旋转电机 真空 泄漏 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 层); ? 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 括: 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 溶剂: 使光刻胶具有流动性 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 感光剂: 光刻胶材料的光敏成分 添加剂: 控制光刻胶材料特殊方面的化 学物质 负性光刻胶交联 未曝光的区域保留 可容于显影液的化 学物质. 光刻胶 衬底 未被曝光 UV 被曝光的区域发生交 联,并变成阻止显影 的化学物质 氧化硅 曝光 可溶 交联 曝光前负性光刻胶 曝光后负性光刻胶 显影后负性光刻胶 正性I线光刻胶 ? 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: ? 陡直墙 ? 无膨胀 ? 好的对比度 光刻胶 膜 正性I线光刻胶 未被曝光的光刻胶保持交 联和PAG未激活 光刻胶 衬底 UV 被曝光的光刻胶溶 于显影液 氧化硅 曝光的 PAG PAG PAG H+ H+ PAG 未曝光的 PAG PAG PAG H+ PAG PAG 曝光前的正性光刻胶 酸催化反映 (在 PEB中) 未改变 曝光后的 光刻胶 显影后的 光刻胶 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. 0.1 0.25 0.5 1.0 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 2.0 影响曝光分辨率的主要因素 ? 光刻掩膜版与光刻胶膜的接触情况 ? 曝光光线的平行度 ? 光的衍射及反射效应 ? 光刻胶膜的质量和光刻胶膜的厚度 ? 曝光时间的确定 ? 掩膜版的分辨率和质量 ? 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 ? 斜坡墙 ? 膨胀 ? 差的对比度 好的光刻胶对比度 ? 陡直墙 ? 无膨胀 ? 好的对比度 光刻胶 光刻胶 膜 膜 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 的表面张力 大分子力引起大 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。 ? 2、曝光时光刻胶可与氮气反应从而抑止其交联。 3:软烘 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 制。 在真空热板上软烘 腔盖 软烘的目的: ? 光刻胶中溶剂部分挥发 ? 改善粘附性 ? 改善均匀性 ? 改善抗蚀性 ? 改善线宽控制 硅片 ? 优化光刻胶的光吸收特性 热板 溶剂 排出 如果光刻胶胶膜在涂胶后没软烘将出现的问题 ? 1.光刻胶膜发黏并易受颗粒沾污: ? 2.光刻胶膜来自于旋转涂胶的内在应力将导致粘附性问题; ? 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 UV 光源 工艺小结: ? 将掩膜版上图形转移到涂胶 的硅片上 掩膜版 ? ? 激活光刻胶中的激活成分 质量指标: ? 线宽分辨率 ? 套准精度 ? 颗粒和缺陷 ? 光刻胶 光刻机的三个基本目标 ? 1.使硅片表面和石英掩膜版对准并聚焦(包括图形); ? 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 紫外光源 快门 对准激光 快门再聚焦和对准过程中闭 合,而在曝光过程中打开 曝光光线波长越短能爆出的特 征尺寸就越小。 投影掩膜版(在投影掩膜版 视场内可能包含一个或多芯 片个) 投影透镜(缩小的投影掩膜版 的视场到硅片表面) 单视场曝光,包括:聚焦,对准, 曝光,步进和重复过程 承片台在X, Y, Z, 方向控制硅片的位臵 光学曝光 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 源是: ? ? 汞灯 准分子激光 光刻胶曝光的源有X射线,电子束,和离子束. ? 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 ? 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 相对强度(%) 20 0 DUV 248 nm 高强度汞灯的发射光谱 i-line 365 nm h-line 405 nm g-line 436 nm 200 300 400 500 600 波长 (nm) 汞灯强度峰 UV 光波长(nm) 436 405 365 248 描述符 g-line h-line i-line 深紫外 (DUV) CD 分辨率(?m) 0.5 0.4 0.35 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 UV曝光光线 掩膜版 边缘衍射 未被曝光的 光刻胶 被曝光的光刻 胶 多晶硅 被开槽的光刻胶 表面反射 STI 衬底 STI 入射光和反射光在光刻胶中干涉 入射光 反射光 光刻胶 膜 衬底 驻波沿着光刻胶厚度引起不均匀曝光 光刻胶中的驻波效应 . ARC的种类 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。 通过底部抗反射涂层的光控制 UV曝光光线 掩膜版 未被曝光的 光刻胶 被曝光的光刻 胶 多晶硅 STI 衬底 BARC STI 底部抗发射涂层的光相移相消 (B)上表面反射 (A)入射光 (C) (D) 光刻胶 BARC (TiN) 铝 C 和D 由于相位差消 去 顶部抗反射涂层 入射光 光刻胶-衬底反射 入射光 上抗反射涂层吸收衬底反 射 光刻胶 衬底反射 光刻胶 衬底 衬底 光刻设备 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 3. 扫描投影光刻机 4. 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 影式 缩小投影式DSW 2:1 4:1 分率 负胶 率 正胶 掩膜版寿命 对准精度 装臵成本 优点 2?m 1?m 短 1~3?m 便宜 分辨率高; 线宽重复性 设备成本低; 4?m 2.5?m 接触式的 5~10倍 1~3?m 中 掩膜寿命高; 晶片表面不易 损伤; 5?m 2.5?m 半永久 0.5~1?m 高 掩膜寿命半永久; 成品率高; 无间距误差 3?m 1.5?m 半永久 0.1~0.3?m 高 2.5?m 0.8?m 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; 每次光刻面积较小,曝光效率 低; 设备昂贵; 缺点 掩膜版寿命低, 分辨率低; 晶片易损 线宽偏差大; 坏; 成品率低; 分辨率比接近式稍 差; 线宽偏差大,比接 近式稍差; 接触/接近式光刻机系统 汞灯 发光装置 对准显微镜 (分视场) 承掩膜版台 (X, Y , Z , q) 掩膜版 硅片 承片台 (X, Y, Z, q) 真空吸盘 扫描投影光刻机 汞灯 照明装置 硅片 掩膜版 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: ? 用显影液溶解光刻胶可溶的区 域 ? 可见图形出现在硅片上 - 窗口 - 岛 ? 质量标准: - 线条分辨率 - 均匀性 - 颗粒和缺陷 至真空泵 显影液喷头 真空吸盘 与转动电机连接 的转杆 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 胶; 和过显影:过显影除去了太多的光刻胶,引起图形变窄和拙劣的外形。 光刻胶 衬底 X X 显影 不足 不完全 显影 正确 显影 ? 过显影 X 负胶显影 ? 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 被曝光的光刻胶 未曝光的光刻胶 交联 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 1 连续喷雾显影 装片台 气相成 底膜 旋转涂 胶 喷雾显 影清洗 去边 传送台 硅片传送系统 至真空泵 真空吸盘 连接旋转电 机的转杆 软烘 冷板 冷板 坚膜 (a)硅片轨道系统 (b)喷雾式显影 2 旋覆浸没显影 浸没式 滴显影液 (a)旋覆浸没式 (b)甩掉多余的显影液 (c) DI水清洗 (d)甩干 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。 显影时间 显影液量 硅片吸盘 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。 清洗:用于停止显影工艺,从硅片表面上除去剩余的显影液。 排风:排风是避免影响喷雾显影液的关键因素。