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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 光刻胶的三维图形 硅片的制造流程 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 几个光刻的重要概念 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 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 正性光刻 掩膜版与光刻胶之间的关系 光刻的八个步骤 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 2 旋转涂胶 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 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 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 负性光刻胶交联 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I线光刻胶 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 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 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 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 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 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优化光刻胶的光吸收特性 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 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 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 光学曝光 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 汞灯强度峰 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 入射光和反射光在光刻胶中干涉 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 底部抗发射涂层的光相移相消 顶部抗反射涂层 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 光刻设备 接触 接近式光刻机系统 扫描投影光刻机 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 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 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 负胶显影 正胶显影 显影方法 1连续喷雾显影 2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 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 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 显影后检查的目的 为了查找光刻胶中形成图形的缺陷 显影后检查出现有问题的硅片有两种处理方法 1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 2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 坚膜烘焙 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 刻蚀 刻蚀的两种工艺 干法刻蚀和湿法刻蚀 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 湿法刻蚀一般只用于尺寸较大的情况下 干法刻蚀按刻蚀材料可分为三类 介质刻蚀 接触孔和通孔结构的制作需要刻蚀介质 从而在ILD中 刻蚀出窗口 而具有高深宽比的窗口刻蚀具有一定的挑战性硅刻蚀 应用于需要去除掉硅的场合 如刻蚀多晶硅晶体管栅和硅槽电容 金属刻蚀 主要是在金属层上去掉铝合金复合层 制作出互连线 干法刻蚀的主要缺点 对下层材料的差的刻蚀选择比 等离子体带来的器件损伤和昂贵的设备 干法刻蚀与湿法腐蚀相比的优点 刻蚀作用 干法刻蚀系统中 刻蚀作用是通过化学作用或物理作用 或者化学和物理共同作用来实现 刻蚀类型的优点取决于刻蚀工艺的目的 多晶硅的刻蚀 刻蚀多晶硅通常是一个三步工艺流程 第一步是预刻蚀 用于去除自然氧化层 硬的掩蔽层和表面污染物来获得均匀的刻蚀 这减少了刻蚀中作为微掩蔽层的污染物带来的表面缺陷 结下来的是刻至终点的主刻蚀 这一步用来刻蚀掉大部分的多晶硅 并不损伤栅氧化层和获得理想的各向异性的侧壁剖面 最后一步是过刻蚀 用于去除刻蚀残留物和剩余多晶硅 并保证对栅氧化层的高选择比 这一步应避免在多晶硅周围的栅氧化层形成微槽 小槽形成 在多晶硅栅刻蚀中不期望的微槽 单晶硅的刻蚀 单晶硅刻蚀主要用于制作沟槽 如器件隔离沟槽或高密度的DRAMIC中的垂直电容制作 硅槽的刻蚀 在集成电路中硅槽要求对每一个沟槽都进行精确控制 硅槽的刻蚀 金属的干法刻蚀 金属的刻蚀要求主要有以下几点 高刻蚀速率 对下面层的高选择比 对掩蔽层和层间介质层 高的均匀性 且CD控制很好 没有微负载效应 没有等离子体诱导充电带来的器件损伤 残留物污染少 快速去胶 不会腐蚀金属 铝和金属的复合层 通常用氯基气体来刻蚀铝 湿法腐蚀 湿法腐蚀的种类 1 湿法腐蚀氧化硅 氧化硅用氢氟酸 HF 来湿法腐蚀 常用被氟化铵缓冲的稀氢氟酸喷射或浸泡硅片来有选择地去除氧化硅 氧化硅的腐蚀速率与它是热氧化硅还是淀积的氧化硅有关 因为干氧比湿氧致密 干氧的腐蚀速率慢 2 湿法化学剥离 由于湿法腐蚀的高选择比特性 湿法化学剥离有时用于去除包括光刻胶和掩蔽层的表面层材料 刻蚀检查 刻蚀工艺的最后一步是进行刻蚀检查以确保刻蚀质量 这种检查是在有图形的硅片上刻蚀和去胶全部完成后进行的 传统上是用白光或紫外光手动显微镜来检查缺陷 如检查污点和大的颗粒沾污 刻蚀参数 刻蚀速率刻蚀剖面刻蚀偏差选择比均匀性残留物聚合物等离子体诱导损伤颗粒沾污和缺陷 刻蚀速率 指在刻蚀过程中去掉硅片表面材料的速度 通常用 min表示 刻蚀窗口的深度称为台阶高度 为了高的产量 希望有高的刻蚀速率 刻蚀速率用下式来计算 刻蚀速率 T t min 其中 T 去掉的材料厚度 或 m t 刻蚀所用的时间 分 负载效应 刻蚀速率通常正比于刻蚀浓度 要刻蚀硅片表面的大面区域 则会耗尽刻蚀剂浓度使刻蚀速率慢下来 如果刻蚀的面积比较小 责则刻蚀会快些 这被称为负载效应 刻蚀速率 刻蚀速率 刻蚀剖面 刻蚀剖面的定义 指的是被刻蚀图形的侧壁形状 两种基本的刻蚀剖面 各向同性和各向异性刻蚀剖面 各向同性刻蚀剖面 在所有方向上 横向和垂直方向 以相同的刻蚀速率进行刻蚀 导致被刻蚀材料在掩膜下面产生钻蚀而形成 这带来不希望的线宽损失 湿法刻蚀在本质上是各向同性的 各向异性刻蚀剖面 对于亚微米尺寸的图形来说 希望刻蚀剖面是各向异性的 即刻蚀只在垂直于硅片表面的方向进行 只有很少的横向刻蚀 这种垂直的侧壁使得在芯片上可制作高密度的刻蚀图形 各向异性刻蚀大部分是通过干法等离子体刻蚀来实现的 刻蚀偏差 刻蚀偏差 是指刻蚀以后线宽或关键尺寸间距的变化 它通常是由于横向钻蚀引起的 当刻蚀中要去除掩膜下过量的材料时 会