光刻工艺123.doc

集成电路制造工艺8光刻工艺陈琼（陕西国防工业职业技术学院 应用电子技术 电子3084班，西安市 710300）摘要: 光刻工艺是半导体制造中最为重要的工艺步骤之一。主要作用是将掩膜板上的图形复制到硅片上，为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备。光刻的成本约为整个硅片制造工艺的1/3，耗费时间约占整个硅片工艺的4060%。 光刻工艺的要求：光刻工具具有高的分辨率；光刻胶具有高的光学敏感性；准确地对准；大尺寸硅片的制造；低的缺陷密度。关键词：掩模板 曝光 刻蚀Abstract: lithography process is the most important in the semiconductor manufacturing process is one of the steps. Main function is to mask the graphic board to slice, for the next etching or ion implantation process ready. The cost is about the lithography wafer manufacturing process of 1/3, time-consuming process of the wafer about 40 60%.Photolithography process requirements: high resolution lithography tools, The photoresist high optical sensitivity, Accurate alignment; Large size wafer manufacturing, The defects of low density.Key words: etching mask exposure1. 光刻工艺过程 一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。1.1硅片清洗烘干（Cleaning and Pre-Baking） 方法：湿法清洗去离子水冲洗脱水烘焙（热板1502500C,12分钟，氮气保护） 目的：a、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；b、除去水蒸气，是基底表面由亲水性变为憎水性，增强表面的黏附性（对光刻胶或者是HMDS-六甲基二硅胺烷）。 1.2涂底（Priming） 方法：a、气相成底膜的热板涂底。HMDS蒸气淀积，2002500C,30秒钟；优点：涂底均匀、避免颗粒污染； b、旋转涂底。缺点：颗粒污染、涂底不均匀、HMDS用量大。目的：使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性。1.3旋转涂胶（Spin-on PR Coating） 方法： a、静态涂胶（Static）。硅片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶剂（原光刻胶的溶剂约占6585%,旋涂后约占1020%）； b、动态（Dynamic）。低速旋转（500rpm_rotation per minute）、滴胶、加速旋转（3000rpm）、甩胶、挥发溶剂。 决定光刻胶涂胶厚度的关键参数：光刻胶的黏度（Viscosity），黏度越低，光刻胶的厚度越薄；旋转速度，速度越快，厚度越薄；影响光刻胶厚度均运性的参数：旋转加速度，加速越快越均匀；与旋转加速的时间点有关。一般旋涂光刻胶的厚度与曝光的光源波长有关（因为不同级别的曝光波长对应不同的光刻胶种类和分辨率）： I-line最厚，约0.73m；KrF的厚度约0.40.9m；ArF的厚度约0.20.5m。1.4软烘（Soft Baking） 方法：真空热板，85120,3060秒； 目的：除去溶剂（47%）；增强黏附性；释放光刻胶膜内的应力；防止光刻胶玷污设备；边缘光刻胶的去除（EBR，Edge Bead Removal）。光刻胶涂覆后，在硅片边缘的正反两面都会有光刻胶的堆积。边缘的光刻胶一般涂布不均匀，不能得到很好的图形，而且容易发生剥离（Peeling）而影响其它部分的图形。所以需要去除。1.5对准并曝光（Alignment and Exposure） 对准方法：a、预对准，通过硅片上的notch或者flat进行激光自动对准；b、通过对准标志（Align Mark），位于切割槽（Scribe Line）上。另外层间对准，即套刻精度（Overlay），保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准。 曝光中最重要的两个参数是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。如果能量和焦距调整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的图形。表现为图形的关键尺寸超出要求的范围。1.5.1曝光方法： a、接触式曝光（Contact Printing）。掩膜板直接与光刻胶层接触。曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相当，设备简单。缺点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，寿命很低（只能使用525次）；1970前使用，分辨率0.5m。b、接近式曝光（Proximity Printing）。掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为1050m。可以避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤。但是同时引入了衍射效应，降低了分辨率。1970后适用，但是其最大分辨率仅为24m。c、投影式曝光（Projection Printing）。在掩膜板与光刻胶之间使用透镜聚集光实现曝光。一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作。优点：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影响减小。1.5.2投影式曝光分类： a.扫描投影曝光（Scanning Project Printing）。70年代末80年代初，1m工艺；掩膜板1：1，全尺寸； b.步进重复投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或称作Stepper）。80年代末90年代，0.35m（I line）0.25m（DUV）。掩膜板缩小比例（4：1），曝光区域（Exposure Field）2222mm（一次曝光所能覆盖的区域）。增加了棱镜系统的制作难度。 c.扫描步进投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。90年代末至今，用于0.18m工艺。采用6英寸的掩膜板按照4：1的比例曝光，曝光区域（Exposure Field）2633mm。优点：增大了每次曝光的视场；提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。但是，同时因为需要反向运动，增加了机 械系统的精度要求。 在曝光过程中，需要对不同的参数和可能缺陷进行跟踪和控制，会用到检测控制芯片/控片 （Monitor Chip）。根据不同的检测控制对象，可以分为以下几种：a、颗粒控片（Particle MC）：用于芯片上微小颗粒的监控，使用前其颗粒数应小于10颗；b、卡盘颗粒控片（Chuck Particle MC）：测试光刻机上的卡盘平坦度的专用芯片，其平坦度要求非常高；c、焦距控片（Focus MC）：作为光刻机监控焦距监控；d、关键尺寸控片（Critical Dimension MC）：用于光刻区关键尺寸稳定性的监控；e、光刻胶厚度控片（PhotoResist Thickness MC）：光刻胶厚度测量；f、光刻缺陷控片（PDM，Photo Defect Monitor）：光刻胶缺陷监控。举例：0.18m的CMOS扫描步进光刻工艺。光源：KrF氟化氪DUV光源（248nm） ；数值孔径NA：0.60.7； 焦深DOF：0.7m分辨率Resolution：0.180.25m（一般采用了偏轴照明OAI_Off- Axis Illumination和相移掩膜板技术PSM_Phase Shift Mask增强）；套刻精度Overlay：65nm；产能Throughput：3060wafers/hour（200mm）；视场尺寸Field Size：2532mm；1.6后烘（PEB，Post Exposure Baking）方法：热板，1101300C,1分钟。目的：a、减少驻波效应；b、激发化学增强光刻胶的PAG产生的酸与光刻胶上的保护基团发生反应并移除基团使之能溶解于显影液。1.7显影（Development） 方法：a、整盒硅片浸没式显影（Batch Development）。缺点：显影液消耗很大；显影的均匀性差；b、连续喷雾显影（Continuous Spray Development）/自动旋转显影（Auto-rotation Development）。一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面，同时硅片低速旋转（100500rpm）。喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶 解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。c、水坑（旋覆浸没）式显影（Puddle Development）。喷覆足够（不能太多，最小化背面湿度）的显影液到硅片表面，并形成水坑形状（显影液的流动保持较低，以减少边缘显影速率的变 化）。硅片固定或慢慢旋转。一般采用多次旋覆显影液：第一次涂覆、保持1030秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。然后用去离子水冲洗（去除硅片两面的 所有化学品）并旋转甩干。优点：显影液用量少；硅片显影均匀；最小化了温度梯度。 显影中的常见问题：a、显影不完全（Incomplete Development）。表面还残留有光刻胶。显影液不足造成；b、显影不够（Under Development）。显影的侧壁不垂直，由显影时间不足造成；c、过度显影（Over Development）。靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。显影时间太长。1.8硬烘（Hard Baking）方法：热板，1001300C（略高于玻璃化温度Tg），12分钟。目的：a、完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂（以免在污染后续的离子注入环境，例如DNQ酚醛树脂 光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂）；b、坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力；c、进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性；d、进 一步减少驻波效应（Standing Wave Effect）。常见问题： a、烘烤不足（Underbake）。减弱光刻胶的强度（抗刻蚀能力和离子注入中 的阻挡能力）；降低针孔填充能力（Gapfill Capability for the needle hole）；降低与基底的黏附能力。b、烘烤过度（Overbake）。引起光刻胶的流动，使图形精度降低，分辨率变差。另外还可以用深紫外线（DUV，Deep Ultra-Violet）坚膜。使正性光刻胶树脂发生交联形成一层薄的表面硬壳，增加光刻胶的热稳定性。在后面的等离子刻蚀和离子注入（1252000C）工艺中减少因光刻胶高温流动而引起分辨率的降低。2. 掩膜板/光罩掩膜板/光罩（Photo Mask/Reticle）硅片上的电路元件图形都来自于版图，因此掩膜板的质量在光刻工艺中的扮演着非常重要的角色。2.1掩膜板的分类：光掩膜板（Photo Mask）包含了整个硅片的芯片图形特征，进行1：1图形复制。这种掩膜板用于比较老的接近式光刻和扫描对准投影机中。投影掩膜板（Reticle）只包含硅片上的一部分图形（例如四个芯片），一般为缩小比例 （一般为4：1）。需要步进重复来完成整个硅片的图形复制。一般掩膜板为6X6inch（152mm）大小，厚度约为0.09”0.25” （2.28mm6.35mm）。投影掩膜板的优点：1、投影掩膜板的特征尺寸较大（4），掩膜板制造更加容易；2、掩膜板上的缺陷会缩小转移到硅片 上，对图形复制的危害减小；3、使曝光的均匀度提高。掩膜板的制造：掩膜板的基材一般为熔融石英（quartz），这种材料对深紫外光（DUV，KrF-248nm，ArF-193nm）具有高的光学透射，而且具有非常低的温度膨胀和低的内部缺陷。掩膜板的掩蔽层一般为铬（Cr，Chromium）。在基材上面溅射一层铬，铬层的厚度一般为8001000埃，在铬层上面需要涂布一层抗反射涂层（ARC，Anti-Reflective Coating）。制作过程：a、在石英表面溅射一层铬层，在铬层上旋涂一层电子束光刻胶；b、利用电子束（或 激光）直写技术将图形转移到电子束光刻胶层上。电子源产生许多电子，这些电子被加速并聚焦（通过磁方式或者电方式被聚焦）成形投影到电子束光刻胶上，扫描 形成所需要的图形；c、曝光、显影；d、湿法或者干法刻蚀（先进的掩膜板生产一般采用干法刻蚀）去掉铬薄层；e、去除电子束光刻胶；d、粘保护膜 （Mount Pellicle）。保护掩膜板杜绝灰尘（Dust）和微小颗粒（Particle）污染。保护膜被紧绷在一个密封框架上，在掩膜板上方约510mm。 保护膜对曝光光能是透明的，厚度约为0.712m（乙酸硝基氯苯为0.7m；聚酯碳氟化物为12m）。2.2掩膜板的损伤和污染掩膜板是光刻复制图形的基准和蓝本，掩膜板上的任何缺陷都会对最终图形精度产生严重的影响。所以掩膜板必须保持“完美”。使用掩膜板存在许多损伤来源：掩膜板掉铬；表面擦伤，需要轻拿轻放；静电放电（ESD），在 掩膜板夹子上需要连一根导线到金属桌面，将产生的静电导出。另外，不能用手触摸掩膜板；灰尘颗粒，在掩膜板盒打开的情况下，不准进出掩膜板室（Mask Room），在存取掩膜板时室内最多保持2人。因为掩膜板在整个制造工艺中的地位非常重要。在生产线上，都会有掩膜板管理系统（RTMS，Reticle Management System）来跟踪掩膜板的历史（History）、现状（Status）、位置（Location）等相关信息，以便于掩膜板的管理。3. 光刻胶光刻胶是一种有机化合物，它受紫外光曝光后，在显影液中的溶解度会发生变化。一般光刻胶以液态涂覆在硅片表面上，曝光后烘烤成固态。3.1光刻胶的作用：a、将掩膜板上的图形转移到硅片表面的氧化层中；b、在后续工序中，保护下面的材料（刻蚀或离子注入）。3.2光刻胶的物理特性参数： a、分辨率（resolution）。区别硅片表面相邻图形特征的能力。一般用关键尺寸（CD，Critical Dimension）来衡量分辨率。形成的关键尺寸越小，光刻胶的分辨率越好。b、对比度（Contrast）。指光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡度。对比度越好，形成图形的侧壁越陡峭，分辨率越好。c、敏感度（Sensitivity）。光刻胶上产生一个良好的图形所需一定波长光的最小能量值（或最小曝光量）。单位：毫焦/平方厘米或mJ/cm2。光刻胶的敏感性对于波长更短的深紫外光（DUV）、极深紫外光（EUV）等尤为重要。d、粘滞性/黏度（Viscosity）。衡量光刻胶流动特性的参数。粘滞性随着光刻胶中的 溶剂的减少而增加；高的粘滞性会产生厚的光刻胶；越小的粘滞性，就有越均匀的光刻胶厚度。光刻胶的比重（SG，Specific Gravity）是衡量光刻胶的密度的指标。它与光刻胶中的固体含量有关。较大的比重意味着光刻胶中含有更多的固体，粘滞性更高、流动性更差。粘度的单 位：泊（poise），光刻胶一般用厘泊（cps，厘泊为1%泊）来度量。百分泊即厘泊为绝对粘滞率；运动粘滞率定义为：运动粘滞率=绝对粘滞率/比重。 单位：百分斯托克斯（cs）cps/SG。e、粘附性（Adherence）。表征光刻胶粘着于衬底的强度。光刻胶的粘附性不足会导致硅片表面的图形变形。光刻胶的粘附性必须经受住后续工艺（刻蚀、离子注入等）。f、抗蚀性（Anti-etching）。光刻胶必须保持它的粘附性，在后续的刻蚀工序中保护衬底表面。耐热稳定性、抗刻蚀能力和抗离子轰击能力。g 、表面张力（Surface Tension）。液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间吸引力。光刻胶应该具有比较小的表面张力，使光刻胶具有良好的流动性和覆盖。h、存储和传送（Storage and Transmission）。能量（光和热）可以激活光刻胶。应该存储在密闭、低温、不透光的盒中。同时必须规定光刻胶的闲置期限和存贮温度环境。一旦超过存储时间或较高的温度范围，负胶会发生交联，正胶会发生感光延迟。3.3光刻胶的分类a、根据光刻胶按照如何响应紫外光的特性可以分为两类：负性光刻胶和正性光刻胶。负性光刻胶（Negative Photo Resist）。最早使用，一直到20世纪70年代。曝光区域发生交联，难溶于显影液。特性：良好的粘附能力、良好的阻挡作用、感光速度快；显影时发生变形和膨胀。所以只能用于2m的分辨率。正性光刻胶（Positive Photo Resist）。20世纪70年代，有负性转用正性。正性光刻胶的曝光区域更加容易溶解于显影液。特性：分辨率高、台阶覆盖好、对比度好；粘附性差、抗刻蚀能力差、高成本。b、根据光刻胶能形成图形的最小光刻尺寸来分：传统光刻胶和化学放大光刻胶。传统光刻胶。适用于I线（365nm）、H线（405nm）和G线（436nm），关键尺寸在0.35m及其以上。化学放大光刻胶（CAR，Chemical Amplified Resist）。适用于深紫外线（DUV）波长的光刻胶。KrF（248nm）和ArF（193nm）。3.4光刻胶的具体性质a、传统光刻胶：正胶和负胶。光刻胶的组成：树脂（resin/polymer），光刻胶中 不同材料的粘合剂，给与光刻胶的机械与化学性质（如粘附性、胶膜厚度、热稳定性等）；感光剂，感光剂对光能发生光化学反应；溶剂（Solvent），保持 光刻胶的液体状态，使之具有良好的流动性；添加剂（Additive），用以改变光刻胶的某些特性，如改善光刻胶发生反射而添加染色剂等。b、负性光刻胶。树脂是聚异戊二烯，一种天然的橡胶；溶剂是二甲苯；感光剂是一种经过曝光后释放出氮气的光敏剂，产生的自由基在橡胶分子间形成交联。从而变得不溶于显影液。负性光刻胶在曝光区由溶剂引起泡涨；曝光时光刻胶容易与氮气反应而抑制交联。a、正性光刻胶。树脂是一种叫做线性酚醛树脂的酚醛甲醛，提供光刻胶的粘附性、化学抗蚀性， 当没有溶解抑制剂存在时，线性酚醛树脂会溶解在显影液中；感光剂是光敏化合物（PAC，Photo Active Compound），最常见的是重氮萘醌（DNQ），在曝光前，DNQ是一种强烈的溶解抑制剂，降低树脂的溶解速度。在紫外曝光后，DNQ在光刻胶中化学 分解，成为溶解度增强剂，大幅提高显影液中的溶解度因子至100或者更高。这种曝光反应会在DNQ中产生羧酸，它在显影液中溶解度很高。正性光刻胶具有很 好的对