集成電路制造技術(shù)

第八章光刻與刻蝕工藝西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院戴顯英2013年9月主要內(nèi)容光刻的重要性光刻工藝流程光源光刻膠分辨率濕法刻蝕干法刻蝕第八章光刻與刻蝕工藝IC制造中最重要的工藝：①決定著芯片的最小特征尺寸②占芯片制造時(shí)間的40-50%③占制造成本的30%光刻：通過光化學(xué)反應(yīng)，將光刻版（mask）上的圖形轉(zhuǎn)

移到光刻膠上。刻蝕：通過腐蝕，將光刻膠上圖形完整地轉(zhuǎn)移到Si片上光刻三要素：①光刻機(jī)②光刻版（掩膜版）③光刻膠ULSI對光刻的要求：高分辨率；高靈敏的光刻膠；低缺陷；精密的套刻對準(zhǔn)；第八章光刻與刻蝕工藝特征尺寸與柵長的摩爾定律與特征尺寸相應(yīng)的光源第八章光刻與刻蝕工藝接觸式與投影式光刻機(jī)掩模版掩膜版的質(zhì)量要求若每塊掩膜版上圖形成品率＝90％，則6塊光刻版，其管芯圖形成品率＝（90％）6＝53％；10塊光刻版，其管芯圖形成品率＝（90％）10＝35％；15塊光刻版，其管芯圖形成品率＝（90％）15＝21％；最后的管芯成品率當(dāng)然比其圖形成品率還要低。掩膜版尺寸：①接觸式接近式和投影式曝光機(jī)：1∶1②分步重復(fù)投影光刻機(jī)（Stepper）：4∶1；5∶1；10∶1CleanRoom凈化間潔凈等級：塵埃數(shù)/m3；（塵埃尺寸為0.5μm）

10萬級：≤350萬，單晶制備；1萬級：≤35萬，封裝、測試；

1000級：≤35000，擴(kuò)散、CVD；

100級：≤3500，光刻、制版；深亞微米器件（塵埃尺寸為0.1μm）

10級：≤350，光刻、制版；1級：≤35，光刻、制版；光刻工藝的基本步驟?

涂膠Photoresistcoating?

曝光Exposure?

顯影Development8.1光刻工藝

PhotolithographyProcess光刻工藝的主要步驟涂膠前烘曝光后烘顯影堅(jiān)膜1)清洗硅片

WaferClean2)預(yù)烘和打底膠

Pre-bakeandPrimerVapor3、涂膠PhotoresistCoating4、前烘SoftBake8.1.1光刻工藝流程5、對準(zhǔn)Alignment6、曝光Exposure7、后烘PostExposureBake8、顯影Development8.1.1光刻工藝流程9、堅(jiān)膜HardBake10、圖形檢測PatternInspection8.1.1光刻工藝流程光刻1－清洗光刻2－預(yù)烘和打底膜SiO2:親水性；光刻膠：疏水性；預(yù)烘：去除Si片水汽，增強(qiáng)光刻膠與表面的黏附性；大約1000C；打底膜：涂HMDS（六甲基乙硅氮烷），去掉SiO2表面的-OH，增強(qiáng)光刻膠與表面的黏附性。RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗8.1.1光刻工藝流程光刻3－涂膠SpinCoating圓片放置在涂膠機(jī)的真空卡盤上高速旋轉(zhuǎn)液態(tài)光刻膠滴在圓片中心光刻膠以離心力向外擴(kuò)展均勻涂覆在圓片表面EBR:Edgebeadremoval邊緣修復(fù)①要求：粘附良好，均勻，薄厚適當(dāng)膠膜太?。樋锥?，抗蝕性差；膠膜太厚－分辨率低（分辨率是膜厚的5－8倍）②涂膠方法：浸涂，噴涂，旋涂√旋轉(zhuǎn)涂膠SpinCoating8.1.1光刻工藝流程光刻膠厚度與旋轉(zhuǎn)速率和粘性的關(guān)系與涂膠旋轉(zhuǎn)速率成反比與光刻膠粘性成正比光刻4－前烘SoftBakeBakingSystems①作用：促進(jìn)膠膜內(nèi)溶劑充分揮發(fā)，使膠膜干燥；增加膠膜與SiO2

（Al膜等）的粘附性及耐磨性。②影響因素：溫度，時(shí)間。烘焙不足（溫度太低或時(shí)間太短）－顯影時(shí)易浮膠，圖形易變形。烘焙時(shí)間過長－增感劑揮發(fā)，導(dǎo)致曝光時(shí)間增長，甚至顯不出圖形。烘焙溫度過高－感光劑反應(yīng)（膠膜硬化），不易溶于顯影液，導(dǎo)致顯影不干凈。8.1.1光刻工藝流程5-6、對準(zhǔn)與曝光AlignmentandExposureMostcriticalprocessforICfabricationMostexpensivetool(stepper)inanICfab.DeterminestheminimumfeaturesizeCurrently45nmandpushingto32nm接觸式曝光機(jī)接近式曝光機(jī)投影式曝光機(jī)步進(jìn)式曝光機(jī)（Stepper）1）對準(zhǔn)和曝光設(shè)備

--光刻機(jī)8.1.1光刻工藝流程接觸式曝光示意圖步進(jìn)-重復(fù)（Stepper）

曝光示意圖接近式曝光示意圖投影式曝光示意圖光學(xué)曝光、X射線曝光、電子束曝光①光學(xué)曝光－紫外，深紫外高壓汞燈：紫外(UV），300－450nm；

i線365nm，h線405nm，g線436nm。準(zhǔn)分子激光：KrF：λ=248nm；

ArF：λ=193nm；F2激光器：λ=157nm。高壓汞燈紫外光譜2）曝光光源：8.1.1光刻工藝流程電子束曝光：λ＝幾十---100?；優(yōu)點(diǎn)：分辨率高；不需光刻版（直寫式）；缺點(diǎn)：產(chǎn)量低（適于制備光刻版）；X射線曝光：λ＝2---40?，軟X射線；X射線曝光的特點(diǎn)：分辨率高，產(chǎn)量大。極短紫外光（EUV）：λ＝10—14nm②下一代曝光方法8.1.1光刻工藝流程商用X-ray光刻機(jī)光刻7－曝光后烘焙（后烘，PEB）烘焙溫度高于光刻膠玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）光刻膠分子發(fā)生熱運(yùn)動過曝光和欠曝光的光刻膠分子發(fā)生重分布平衡駐波效應(yīng)，平滑光刻膠側(cè)墻，目的：提高分辨率8.1.1光刻工藝流程光刻膠中的駐波效應(yīng)光刻8－顯影(Development)顯影液溶解掉光刻膠中軟化部分（曝光的正膠或未曝光的負(fù)膠）從掩膜版轉(zhuǎn)移圖形到光刻膠上三個基本步驟:顯影、漂洗、干燥8.1.1光刻工藝流程顯影液：專用正膠顯影液：含水的堿性顯影液，如KOH、TMAH(四甲基氫氧化胺水溶液)，等。負(fù)膠顯影液：有機(jī)溶劑，如丙酮、甲苯等。

例，KPR（負(fù)膠）的顯影液：丁酮－最理想；

甲苯－圖形清晰度稍差；

三氯乙烯－毒性大。8.1.1光刻工藝流程光刻8－顯影(Development)影響顯影效果的主要因素：?。┢毓鈺r(shí)間；ⅱ）前烘的溫度與時(shí)間；ⅲ）膠膜的厚度；ⅳ）顯影液的濃度；ⅴ）顯影液的溫度；顯影時(shí)間適當(dāng)t太短：可能留下光刻膠薄層→阻擋腐蝕SiO2(金屬）→氧化層“小島”。t太長：光刻膠軟化、膨脹、鉆溶、浮膠→圖形邊緣破壞。8.1.1光刻工藝流程光刻8－顯影(Development)正常顯影過顯影不完全顯影欠顯影顯影后剖面光刻8－顯影(Development)8.1.1光刻工藝流程光刻9－堅(jiān)膜

（HardBake）蒸發(fā)PR中所有有機(jī)溶劑提高刻蝕和注入的抵抗力提高光刻膠和表面的黏附性堅(jiān)膜溫度:100到1300C堅(jiān)膜時(shí)間：1到2分鐘堅(jiān)膜工藝：

烘箱、紅外燈堅(jiān)膜不足：光刻膠不能充分聚合，黏附性變差，顯影時(shí)易浮膠、鉆蝕。過堅(jiān)膜：光刻膠流動造成分辨率變差，易翹曲和剝落若T>300℃：光刻膠分解，失去抗蝕能力。堅(jiān)膜控制正常堅(jiān)膜過堅(jiān)膜8.1.1光刻工藝流程光刻10－圖形檢測（PatternInspection）?

檢查發(fā)現(xiàn)問題，剝?nèi)ス饪棠z，重新開始–

光刻膠圖形是暫時(shí)的–

刻蝕和離子注入圖形是永久的?

光刻工藝是可以返工的，刻蝕和注入以后就不能再返工?

檢測手段：SEM（掃描電子顯微鏡）、光學(xué)顯微鏡問題：能否用光學(xué)顯微鏡檢查0.25μm尺寸的圖形?

不能。因?yàn)樘卣鞒叽?0.25mm=250nm)小于可見光的波長，可見光波長為390nm(紫光)to750nm(紅光)。8.1.1光刻工藝流程8.1.2分辨率分辨率R－表征光刻精度，光刻時(shí)所能得到的光刻圖形的最小尺寸。表示方法：每mm最多可容納的線條數(shù)。若可分辨的最小線寬為L線條間隔也是L），則分辨率R為R＝1/(2L)(mm-1)1.影響R的主要因素：①曝光系統(tǒng)（光刻機(jī)）：如X射線（電子束）的R高于紫外光。②光刻膠：正膠的R高于負(fù)膠；③其他：掩模版、襯底、顯影、工藝、操作者等。表1影響光刻工藝效果的一些參數(shù)8.1.2分辨率2.衍射對R的限制設(shè)一任意粒子（光子、電子），根據(jù)不確定關(guān)系，有

ΔLΔp≥h粒子束動量的最大變化為Δp=2p，相應(yīng)地若ΔL為線寬，即為最細(xì)線寬，則最高分辨率

8.1.2分辨率①對光子：p=h/λ，故。物理含義：光的衍射限制了線寬≥λ/2。最高分辨率限制：②對電子、離子：具有波粒二象性（德布羅意波），則，

最細(xì)線寬：a.E給定：m↑→ΔL↓→R↑，即R離子>R電子

b.m給定：E↑→ΔL↓→R↑8.1.2分辨率3.光衍射影響分辨率衍射光投射光強(qiáng)度偏離的折射光被凸鏡收集的衍射光波長越短，衍射越弱光學(xué)凸鏡能夠收集衍射光并增強(qiáng)圖像8.1.2分辨率1）數(shù)值孔徑NA

（NumericalAperture）NA：表示凸鏡收集衍射光的能力NA=2r0/D

–

r0

:凸鏡的半徑

–

D：目標(biāo)（掩膜）與凸鏡的距離NA越大，凸鏡收集更多的衍射光，產(chǎn)生更尖銳的圖形可產(chǎn)生、可重復(fù)的最小特征尺寸由曝光系統(tǒng)的光波長和數(shù)值孔徑?jīng)Q定分辨率表達(dá)式：R=K1λ/NAK1

為系統(tǒng)常數(shù),λ光波長,NA數(shù)值孔徑。2）分辨率R

Resolution8.1.2分辨率提高NA

–更大的凸鏡,可能很昂貴而不實(shí)際

–減小DOF（焦深），會引起制造困難減小光波長λ

–開發(fā)新光源,PR和設(shè)備

–

波長減小的極限：UV到DUV,到EUV,到X-Ray減小K1

–

相移掩膜（Phaseshiftmask）3)提高分辨率的途徑8.1.2分辨率8.1.3光刻膠-Photoresist(PR)光敏性材料：光照時(shí)發(fā)生化學(xué)分解或聚合反應(yīng)臨時(shí)性地涂覆在硅片表面通過曝光轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)圖形到光刻膠上類似于照相機(jī)膠片上涂覆的光敏材料正性膠和負(fù)性膠NegativePhotoresist負(fù)性光刻膠－負(fù)膠PositivePhotoresist正性光刻膠－正膠曝光后不可溶解曝光后可溶解顯影時(shí)未曝光的被溶解顯影時(shí)曝光的被溶解便宜高分辨率負(fù)膠Negativehotoresists：Comparisonof

Photoresists8.1.3光刻膠-Photoresist(PR)正膠PositivePhotoresists：聚合反應(yīng)：顯影時(shí)光照部分不溶解留下，未光照部分溶解；分辨率低分解反應(yīng)：顯影時(shí)光照部分被溶解，未光照部分留下分辨率高正膠（重氮萘醌）的光分解機(jī)理8.1.3光刻膠-Photoresist(PR)負(fù)膠（聚乙烯醇肉桂酸脂）的光聚合機(jī)理8.1.3光刻膠-Photoresist(PR)1)聚合物材料固體有機(jī)材料光照下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)作用：保證光刻膠薄膜的附著性和抗腐蝕性2)感光材料當(dāng)被曝光時(shí)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而改變?nèi)芙庑哉怨饪棠z：由不溶變?yōu)榭扇茇?fù)性光刻膠：由可溶變?yōu)椴蝗芄饪棠z基本組成8.1.3光刻膠-Photoresist(PR)3)溶劑使光刻膠在涂到硅片表面之前保持液態(tài)允許采用旋涂的方法獲得薄層光刻膠薄膜4)添加劑不同的添加劑獲得不同的工藝結(jié)果增感劑：增大曝光范圍；染料：降低反射。

光刻膠基本組成8.1.3光刻膠-Photoresist(PR)完成所需圖形的最小曝光量；表征：S=n/E，E-曝光量（lx·s，勒克斯·秒）；n-比例系數(shù)；光敏度S是光刻膠對光的敏感程度的表征；正膠的S大于負(fù)膠光刻膠光敏度S8.1.3光刻膠-Photoresist(PR)光刻膠抗蝕能力表征光刻膠耐酸堿（或等離子體）腐蝕的程度。對濕法腐蝕：抗蝕能力較強(qiáng)；干法腐蝕：抗蝕能力較差。負(fù)膠抗蝕能力大于正膠；抗蝕性與分辨率的矛盾：分辨率越高，抗蝕性越差；1）紫外-汞燈g-line（436nm），–常用在0.5μm光刻i-line（365nm），–常用在0.35μm光刻8.1.4光源KrF（248nm），0.25μm,0.18μmand0.13μmArF（193nm），<0.13μm（目前32nm）F2（157nm），–應(yīng)用<0.10μm2）深紫外DUV

--準(zhǔn)分子激光器3）下一代光刻

NGL(NextGenerationLithography)極紫外ExtremeUV(EUV)lithography

波長：10-14nmX射線X-Raylithography

波長：