1、半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ),重慶郵電大學(xué) 微電子系,1,2,3,光刻,光刻工藝、光刻技術(shù)、刻蝕 在半導(dǎo)體制造技術(shù)中，最為關(guān)鍵的是用于電路圖形生成和復(fù)制的光刻技術(shù)，光刻技術(shù)的研究和開發(fā)，在每一代集成電路技術(shù)的更新中扮演著技術(shù)先導(dǎo)的作用。 隨著集成電路的不斷提高，光刻技術(shù)也面臨著越來越多的難題。,4,IC對光刻技術(shù)的要求,高分辨率； 高靈敏度的光刻膠； 低缺陷； 精密的套刻精度：誤差 10%L； 可對大尺寸硅片進(jìn)行光刻加工；,5,第9章 光刻工藝,光刻（photolithography）就是將掩膜版（光刻版）上的幾何圖形轉(zhuǎn)移到覆蓋在半導(dǎo)體襯底表面的對光輻照敏感的薄膜材料（光刻膠）上去的工藝工程。,6,第9章

2、光刻工藝,9.1 概述 9.2 基本光刻工藝流程 9.3 光刻技術(shù)中的常見問題,7,9.1 概述,光刻(photolithography)就是將掩模版（光刻版）上的幾何圖形轉(zhuǎn)移到覆蓋在半導(dǎo)體襯底表面的對光輻照敏感薄膜材料（光刻膠）上去的工藝過程 。 光刻是微電子工藝中最重要的單項工藝之一。 用光刻圖形來確定分立元器件和集成電路中的各個區(qū)域、如注入?yún)^(qū)、接觸窗口和壓焊區(qū)等。,8,用光刻工藝確定的光刻膠圖并不是最后器件的構(gòu)成部分，僅是圖形的印模，為了制備出實際器件的結(jié)構(gòu)圖形，還必須再一次把光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠下面組成器件的材料層上。也就是使用能夠?qū)Ψ茄谀げ糠诌M(jìn)行選擇性去除的刻蝕工藝來實現(xiàn)圖形的轉(zhuǎn)移

3、。 光刻工藝的目標(biāo)是根據(jù)電路設(shè)計的要求，生成尺寸精確的特征圖形，并且在襯底表面的位置正確且與其他部件的關(guān)聯(lián)正確。,9,完整的集成電路工藝中通常需要多次光刻才能完成。 光刻系統(tǒng)的主要指標(biāo)包括： -分辨率、 -焦深、 -對比度、 -特征線寬控制、 -對準(zhǔn)和套刻精度、 -產(chǎn)率以及價格。,10,9.1.1 分辨率 R,分辨率是指一個光學(xué)系統(tǒng)精確區(qū)分目標(biāo)的能力。 微圖形加工的最小分辨率是指光刻系統(tǒng)所能分辨和加工的最小線條尺寸或機(jī)器能充分打印出的區(qū)域。 分辨率是決定光刻系統(tǒng)最重要的指標(biāo)，能分辨的線寬越小，分辨率越高。其由瑞利定律決定：,分辨率系數(shù)k1=0.60.8 數(shù)值孔徑NA=0.160.8,提高分辨率

4、： NA，k1,11,使用光源縮小 l,光源,12,光刻分辨率,分辨率 R=1/2L (mm-1)； 直接用線寬L表示 存在物理極限，由衍射決定： L/2, Rmax 1/,光刻分辨率是指光刻工藝得到的光刻膠圖形能分辨線條的最小線寬L，也可以用單位尺寸的線條數(shù)表示。光刻分辨率是決定芯片最小特征尺寸的最主要因素。,13,9.1.3 焦深（DOF）,表示在一定的工藝條件下，能刻出最小線寬的像面偏離理想焦面的范圍。焦深遠(yuǎn)大，對光刻圖形的制作越有利。,NA，焦深 ,14,15,焦深,焦平面,光刻膠,IC技術(shù)中，焦深只有1mm，甚至更小,15,對比度（CON）,對比度：評價成像圖形質(zhì)量的重要指標(biāo)。對比度

5、越高，光刻出來的微細(xì)圖形越好。,16,17,對比度,一般要求MTF0.5 與尺寸有關(guān),17,對比度,尺寸控制的要求以高準(zhǔn)度和高精度在完整硅片表面產(chǎn)生器件特征尺寸。首先要在圖形轉(zhuǎn)移工具（光刻掩膜版）上正確的再造出特征尺寸，然后再準(zhǔn)確地在硅片表面刻印出來。 由于光刻應(yīng)用的特征尺寸非常小，且各層都須精確匹配，所以需要配合緊密。圖形套準(zhǔn)精度是衡量被刻印的圖形能否匹配前面刻印圖形的一種尺度。,18,9.2 基本光刻工藝流程,一般的光刻工藝要經(jīng)歷底膜處理、涂膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、刻蝕、去膠、檢驗工序。,19,20,9.2.1 底膜處理,底膜處理是光刻工藝的第一步，其主要目的是對硅襯底表面進(jìn)行處理，以

6、增強襯底與光刻膠之間的黏附性。 底膜處理包括以下過程： 1、清洗；2、烘干；3、增粘處理（涂底）。,21,9.2.2 涂膠,在硅片表面涂敷的光刻膠應(yīng)厚度均勻、附著性強、沒有缺陷。 在涂膠之前，硅片一般需要經(jīng)過脫水烘焙，或涂敷能增加光刻膠與硅片表面附著能力的化合物。六甲基乙硅氮烷 (HMDS),22,23,涂膠工藝示意圖,30006000 rpm，0.51 mm,23,涂膠厚度主要由光刻膠粘度和轉(zhuǎn)速決定,24,涂膠步驟：,將光刻膠溶液噴射到硅片表面上； 加速旋轉(zhuǎn)托盤； 達(dá)到所需的旋轉(zhuǎn)速度后，保持一定時間的旋轉(zhuǎn)。 甩膠：？,25,9.2.3 前烘,液態(tài)光刻膠中，溶劑的成份占65-85。經(jīng)過甩膠之后

7、，雖然液態(tài)的光刻膠已經(jīng)成為固態(tài)的薄膜，但仍含有10-30的溶劑，容易玷污灰塵，通過在較高溫度下進(jìn)行烘焙，可以使溶劑從光刻膠內(nèi)揮發(fā)出來。 前烘方法：熱平板傳導(dǎo)；紅外線輻射；干燥循環(huán)熱風(fēng)。,1030 min，80110 C,26,27,28,9.2.4 曝光,曝光是使光刻掩模版與涂上光刻膠的襯底對準(zhǔn)，用光源經(jīng)過光刻掩模版照射襯底，使接受到光照的光刻膠的光學(xué)特性發(fā)生變化。 曝光中要特別注意曝光光源的選擇和對準(zhǔn)。,29,簡單的光學(xué)系統(tǒng)曝光圖,30,曝光光源的選擇：紫外光用于光刻膠的曝光是因為光刻膠與這個特定波長的光反應(yīng)。波長很重要，因為較短波長的可以獲得光刻膠上較小尺寸的分辨率。 對準(zhǔn)：是指光刻掩膜版

8、與光刻機(jī)之間的對準(zhǔn)，二者均刻有對準(zhǔn)標(biāo)記，使標(biāo)記對準(zhǔn)即可達(dá)到光刻掩膜版與光刻機(jī)的對準(zhǔn)。 套準(zhǔn)：對準(zhǔn)的結(jié)果，或者每個連續(xù)圖形與先前層匹配的精度，稱為套準(zhǔn)。,31,曝光，曝光劑量等于光強與曝光時間的乘積。曝光過度會導(dǎo)致圖形側(cè)墻傾斜； 入射光波長越短，可實現(xiàn)的特征尺寸越小，圖形分辨率越高，但能量越??； 首次曝光需要對準(zhǔn)晶向，多次曝光之間需要進(jìn)行圖形對準(zhǔn)。,對準(zhǔn)曝光,32,33,光的反射、干涉、衍射與駐波,可反光的表面將入射光反射，并在光刻膠中于入射光發(fā)生干涉形成駐波現(xiàn)象。引起不均勻曝光。,34,35,36,9.2.5 顯影,在顯影過程中，正膠的曝光區(qū)和負(fù)膠的非曝光區(qū)的光刻膠在顯影液中溶解，而正膠的非曝

9、光區(qū)和負(fù)膠的曝光區(qū)的光刻膠則不會在顯影液中溶解。 曝光后在光刻膠層中形成的潛在圖形，顯影后便顯現(xiàn)出來，在光刻膠上形成三維圖形，這一步驟稱為顯影。,3060 s,37,顯影后所留下的光刻膠圖形將在后續(xù)的刻蝕或離子注入工藝中作為掩膜，因此，顯影也是一步重要工藝。 顯影效果主要因素包括：曝光時間、前烘的溫度和時間、光刻膠的膜厚、顯影液的濃度、顯影液的溫度、顯影液的攪動情況等。,38,顯影方式可以分為三個階段： 硅片置與旋轉(zhuǎn)臺上旋轉(zhuǎn)，并且在硅片表面上噴灑顯影液； 硅片在靜止的狀態(tài)下進(jìn)行顯影； 顯影完成之后，需要經(jīng)過漂洗，之后再旋干。,39,9.2.6 堅膜,堅膜也叫后烘，是為了去除由于顯影液的浸泡引起

10、的膠膜軟化、溶脹現(xiàn)象，能使膠膜附著能力增強，抗腐蝕能力提高。 堅膜溫度要高于前烘和曝光后烘烤溫度，較高的堅膜溫度可使堅膜后光刻膠中的溶劑含量更少，但增加了去膠時的困難。且光刻膠內(nèi)部拉伸應(yīng)力的增加會使光刻膠的附著性下降，因此必須適當(dāng)?shù)目刂茍阅囟?。,1030 min，100140 C,40,通過堅膜，光刻膠的附著力會得到提高，這是由于除掉了光刻膠中的溶劑，同時也是熱融效應(yīng)的結(jié)果，因為熱融效應(yīng)可以使光刻膠與硅片之間的接觸面積達(dá)到最大。 較高的堅膜溫度可使堅膜后光刻膠中的溶劑含量更少，但是增加了去膠的困難。而溫度太高，光刻膠的內(nèi)部拉伸應(yīng)力會增加，會使光刻膠的附著性下降，所以必須適當(dāng)控制溫度。,堅膜

11、,41,堅膜后還需要光學(xué)穩(wěn)定。通過光學(xué)穩(wěn)定，使光刻膠在干法刻蝕過程中的抗蝕得到增強，而且還可以減少離子注入過程中從光刻膠中逸出的氣體，防止在光刻層中形成氣泡。 光學(xué)穩(wěn)定是通過紫外光輻照和加熱來完成的。 光學(xué)穩(wěn)定可以使光刻膠產(chǎn)生均勻的交叉鏈接，提高光刻膠的抗刻蝕能力，進(jìn)而提高刻蝕工藝的選擇性。,堅膜,42,9.2.7 顯影檢驗,在顯影和烘焙之后就要完成光刻掩膜工藝的第一次質(zhì)檢，通常叫顯影檢驗。 目的是區(qū)分那些有很低可能性通過最終掩膜檢驗的襯底，提供工藝性能和工藝控制數(shù)據(jù)，以及分出需要重做的襯底。,43,檢測內(nèi)容： 掩膜版選用是否正確； 光刻膠層的質(zhì)量是否滿足要求； 圖形質(zhì)量； 套準(zhǔn)精度是否滿足要

12、求。,44,光刻膠鉆蝕 圖形尺寸變化 套刻對準(zhǔn)不良 光刻膠膜損傷 線條是否齊、陡 針孔、小島,45,9.2.8 刻蝕,為了制作集成電路元器件，須將光刻膠上的圖形進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到光刻膠下層的材料上。這個任務(wù)由刻蝕完成。 刻蝕就是將涂膠前所淀積的薄膜沒有被光刻膠覆蓋和保護(hù)的那部分除掉，到達(dá)將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到其下層材料上的目的。 SiO2、Al、poly-Si等薄膜 光刻和刻蝕是兩個不同的加工工藝，光刻。,46,9.2.9 去膠,光刻膠除了在光刻過程中作為從光刻掩膜版到襯底的圖形轉(zhuǎn)移媒介外，還可以作為刻蝕時不需刻蝕區(qū)的保護(hù)膜。 當(dāng)刻蝕完成后，光刻膠已經(jīng)不再有用，需要將其去除，就是去膠。此外刻蝕過程中

13、殘留的各種試劑也要清除。,47,去膠分為：濕法去膠和干法去膠； 濕法去膠中又有有機(jī)溶液和無機(jī)溶液去膠； 濕法去膠：用溶劑、用濃硫酸 98%H2SO4+H2O2+膠CO+CO2+H2O 干法去膠：氧氣加熱去膠 O2+膠 CO+CO2+H2O 等離子去膠,48,9.2.10 最終檢驗,在基本的光刻工藝過程中，最終步驟是檢驗。襯底在入射白光或紫外光下首先接受表面目檢，以檢查污點和大的微粒污染。之后是顯微鏡檢驗或自動檢驗來檢驗缺陷和圖案變形。 顯微鏡目檢、線寬控制、對準(zhǔn)檢查。,49,9.3 光刻技術(shù)中的常見問題,半導(dǎo)體器件和集成電路的制造對光刻質(zhì)量有如下要求： 一、刻蝕的圖形完整，尺寸準(zhǔn)確，邊緣整齊陡

14、直； 二、圖形內(nèi)沒有針孔； 三、圖形外沒有殘留的被腐蝕物質(zhì)。 同時要求圖形套刻準(zhǔn)確，無污染等。 但在光刻過程中，常出現(xiàn)浮膠、毛刺、鉆蝕、針孔和小島等缺陷。,50,9.3.1 浮膠,浮膠就是在顯影和腐蝕過程中，由于化學(xué)試劑不斷侵入光刻膠膜與SiO2或其它薄膜間的界面，所引起的光刻膠圖形膠膜皺起或剝落的現(xiàn)象。,51,顯影時產(chǎn)生浮膠的原因有： 膠膜與基片表面粘附不牢。 膠的光化學(xué)反應(yīng)性能不好，膠膜過厚，或者收縮膨脹不均。 烘焙時間不足或過度。 曝光不足。 顯影時間過長，使膠膜軟化。 腐蝕時產(chǎn)生浮膠的原因： 堅膜時膠膜沒有烘透，膜不堅固。 腐蝕液配方不當(dāng)。例如，腐蝕SiO2的氟化氫緩沖腐蝕液中，氟化銨

15、太少，化學(xué)活潑性太強。 腐蝕溫度太低或太高。,52,9.3.2 毛刺和鉆蝕,腐蝕時，如果腐蝕液滲透光刻膠膜的邊緣，會使圖形邊緣受到腐蝕，從而破壞掩蔽擴(kuò)散的氧化層或鋁條的完整性。 若滲透腐蝕較輕，圖形邊緣出現(xiàn)針狀的局部破壞，習(xí)慣上就稱為毛刺； 若腐蝕嚴(yán)重，圖形邊緣出現(xiàn)“鋸齒狀”或“繡花球”樣的破壞，就稱它為鉆蝕。 當(dāng)SiO2等掩蔽膜窗口存在毛刺和鉆蝕時，擴(kuò)散后結(jié)面就很不平整，影響結(jié)特性，甚至造成短路。同時，光刻的分辨率和器件的穩(wěn)定性、可靠性也會變壞。,53,9.3.2 毛刺和鉆蝕,產(chǎn)生毛刺和鉆蝕的原因有： 基片表面存在污物，油垢，小顆?；蛭剿构饪棠z與氧化層粘附不良。 氧化層表面存在磷硅玻

16、璃，與光刻膠粘附不好，耐腐蝕性能差，引起鉆蝕。 光刻膠中存在顆粒狀物質(zhì)，造成局部粘附不良。 對于光硬化型光刻膠，曝光不足，顯影時產(chǎn)生溶鉆，腐蝕時造成毛刺或鉆蝕。 顯影時間過長，圖形邊緣發(fā)生溶鉆，腐蝕時造成鉆蝕。 掩模圖形的黑區(qū)邊緣有毛刺狀缺陷。,54,9.3.3 針孔,在氧化層上，除了需要刻蝕的窗口外，在其它區(qū)域也可能產(chǎn)生大小一般在13微米的細(xì)小孔洞。這些孔洞，在光刻工藝中稱為針孔。 針孔的存在，將使氧化層不能有效地起到掩蔽的作用。在器件生產(chǎn)中，尤其在集成電路和大功率器件生產(chǎn)中，針孔是影響成品率的主要因素之一。,55,9.3.3 針孔,針孔產(chǎn)生的原因有： 薄膜表面有外來顆?；蚰z膜與基片表面未充

17、分沾潤，涂膠時留有未覆蓋的小區(qū)域，腐蝕時產(chǎn)生針孔。 光刻膠含有固體顆粒，影響曝光效果，顯影時易剝落，造成腐蝕時產(chǎn)生針孔。 光刻膠膜本身抗蝕能力差，或膠膜太薄，腐蝕過程中局部蝕穿，造成針孔。 前烘不足，殘存溶劑阻礙光刻膠交聯(lián)；或前烘驟熱，溶劑揮發(fā)過快，引起鼓泡穿孔，造成針孔。 曝光不足，交聯(lián)不充分，或時間過長，膠層發(fā)生皺皮，腐蝕液穿透膠膜，在SiO2表面產(chǎn)生腐蝕斑點。 腐蝕液配方不當(dāng)，腐蝕能力太強。 掩模版透光區(qū)存在黑斑，或沾有灰塵，曝光時局部膠膜未曝光，顯影時被溶解，腐蝕時產(chǎn)生針孔。,56,9.3.4 小島,小島，是指在應(yīng)該將氧化層刻蝕干凈的擴(kuò)散窗口內(nèi)，還留有沒有刻蝕干凈的氧化層局部區(qū)域，它的形狀不規(guī)則，很象“島嶼”，尺寸一般比針孔大些，習(xí)慣上稱這些氧化層“島嶼”為小島。 小島的存在，使擴(kuò)散區(qū)域的某些局部點