微电子材料与制程：第三章 光刻及光刻材料

1、2018年深圳大学材料学院本科生课程微电子材料与制程第三章 光刻及光刻材料23.1 微电子制造流程微电子工业就是用微米级、纳米级的加工技术，生产出来各种各样的半导体分立器件和集成电路，微电子材料是微电子工业重要的物质基础。3三极管的结构NecNPb二氧化硅发射区集电区基区3.1 微电子制造流程43.1 微电子制造流程5硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25%硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，这也是半导体制造产业的基础。硅熔炼：通过多步净化得到可用于半导体制造质量的电子级硅 通过硅净化熔炼得到大晶体硅锭。单晶硅锭：整体基本呈圆柱形，重约100千克，硅纯度99.

2、9999%。硅锭切割：横向切割成圆形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆(Wafer)。晶圆抛光及氧化：晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，氧化后可得到介质层。光刻胶(Photo Resist)：晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。3.1 微电子制造流程6光刻：光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线(UV)之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。溶解光刻胶：光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致。蚀刻：使用化学物质溶解掉暴露出来的晶

3、圆部分，而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。清除光刻胶：蚀刻完成后，光刻胶全部清除后就可以看到设计好的电路图案。光刻胶：再次浇上光刻胶(蓝色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶用来保护不会离子注入的那部分材料。3.1 微电子制造流程7离子注入：在真空系统中，用要掺杂的原子的离子照射(注入)固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区域硅的导电性。清除光刻胶：离子注入完成后，光刻胶也被清除，而注入区域(绿色部分)也已掺杂，注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。晶体管就绪：至此，晶体管已经基本完成。在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它

4、晶体管互连。电镀：在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子沉淀到晶体管上。铜层：电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层。抛光：将多余铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。3.1 微电子制造流程8金属层：在不同晶体管之间形成复合互连金属层，具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看起来异常平滑，但事实上可能含20多层复杂的电路。晶圆测试：内核级别，图中是晶圆的局部，正在接受第一次功能性测试，使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。晶圆切片(Slicing)：晶圆级别，将晶圆切割成块，每一块就是一个处理器的内核(Die)丢弃瑕疵内核：晶圆级别，测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的

5、准备进入下一步。单个内核：内核级别，从晶圆上切割下来的单个内核封装：封装级别，20毫米/1英寸。衬底(基片)、内核、散热片堆叠在一起，就形成了我们看到的处理器的样子。衬底(绿色)相当于一个底座，并为处理器内核提供电气与机械界面，便于与PC系统的其它部分交互。散热片(银色)是负责内核散热。3.1 微电子制造流程93.1 微电子制造流程103.2 光刻技术重要性113.2 光刻技术重要性123.2 光刻技术重要性IC制造中最重要的工艺占用40 to 50% 芯片制造时间成本占IC制造成本达1/3决定着芯片的最小特征尺寸光刻材料：光刻胶、掩膜版133.3 光刻技术原理光刻：利用照相复制与化学腐蚀相结

6、合的技术，在工件表面制取精密、微细和复杂薄层图形的化学加工方法。多用于半导体器件与集成电路的制作。143.3 光刻技术原理光刻基本原理 利用光刻胶感光后因光化学反应而形成耐蚀性的特点，与化学腐蚀相结合，将掩模板上的图形刻制到被加工表面上。15在集成电路制造中，利用光刻胶图形作为保护膜，对选定区域进行刻蚀，或进行离子注入，形成器件和电路结构。3.3 光刻技术原理163.4 光刻胶光学曝光过程中，为了将掩模上的图形转移到圆片上，辐照必须作用在光敏物质上，该光敏物质必须通过光照，改变材料性质，使在完成光刻工艺后，达到转移图形的目的。该光敏物质称为光刻胶。 传统I线光刻胶（I线紫外波长365nm，0.

7、35mCD）深紫外（DUV）光刻胶（248nm，0.25mCD）深紫外光刻胶的化学放大（193nm，0.18mCD）173.4 光刻胶光刻胶是长链聚合物，酚醛树脂基化合物是IC制造中最常用的光刻胶的主要成分。胶中通常有三种成分，即树脂或基体材料、感光化合物（PAC）、溶剂、添加剂。PAC是抑制剂，感光前，抑制光刻胶在显影液中的溶解。感光后，起化学反应，增加了胶的溶解速度。183.4 光刻胶光刻胶的类型显影后图形与掩膜版相反。凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以交联反应为主的光刻胶称为 负性光刻胶，简称 负胶。负胶在曝光后，使聚合物发生交联，在显影液中溶解变慢。显影后图形与掩膜版相

8、同。凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以降解反应为主的光刻胶称为 正性光刻胶，简称 正胶。正胶在感光时，曝光对聚合物起断链作用，使长链变短，使聚合物更容易在显影液中溶解。193.4 光刻胶两种光刻胶的性能显影液：正胶：典型的正胶显影液为碱性水溶液，如： 25%的四甲 基氢氧化氨TMAH-NH4（OH）4 水溶液。负胶：典型的负胶显影液为二甲苯。正胶和负胶的工艺温度：正胶 前烘：90C，20分；坚膜：130 C，30分。负胶 前烘：85 C，10分；坚膜：140 C，30分；过高的前烘温度，将会使光刻胶的光敏剂失效。 203.4 光刻胶对比：正、负光刻胶负胶：显影泡胀而变形，使分辨

9、率下降 曝光速度快，与硅片粘附性好 价格便宜 2m分辨率正胶：无膨胀，良好的线宽分辨率 和基片之间的粘附性差 当前主要使用正胶213.4 光刻胶灵敏度: 单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或最小电荷量（对电子束胶），称为光刻胶的灵敏度，记为 S ，也就是前面提到过的 D100 。S 越小，则灵敏度越高。 通常负胶的灵敏度高于正胶。 灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高的灵敏度。但灵敏度太高会影响分辨率。 光刻胶的特性223.4 光刻胶分辨率：将硅片上两个邻近的特征图形区分开的能力233.4 光刻胶对比度：光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度敏感度：产生一个良好图形所

10、需的最低能量粘滞度：液体光刻胶的流动特性的定量指标粘附性：光刻胶粘着衬底的强度抗蚀性：在后面的加工工艺中保持化学稳定性243.4 光刻胶DQN正胶的典型反应 目前，常用的正胶DQN是由感光剂DQ和基体材料N组成。它适合于436nm的g 线和365nm的i 线曝光，不能用于极短波长的曝光。基体材料N是酚醛树脂，它是一种聚合物，单体是一个带有两个甲基和一个OH的芳香环烃组成。酚醛树脂易于溶解在含水溶液中。正胶的溶剂通常是芳香烃化合物的组合，如二甲苯和各种醋酸盐。正胶的感光剂（PAC）是重氮醌（DQ）。它作为抑制剂，以十倍或更大的倍数降低光刻胶在显影液中的溶解速度。253.4 光刻胶曝光后，UV光子

11、使氮分子脱离碳环，留下一个高活性的碳位。为使结构稳定，环内的一个碳原子将移到环外，氧原子将与它形成共价键，实现重组，成为乙烯酮。在有水的情况下，环与外部碳原子间的双化学键被一个单键和一个OH基替代，最终形成羟酸。羟酸易于溶解在显影液中，直到曝过光的正胶全部去除，而未曝光的正胶则全部保留。263.4 光刻胶正胶的感光剂、基体结构正胶的基体材料：偏甲氧基酚醛树脂正胶的感光剂：重氮醌（DQ）273.4 光刻胶正胶的感光反应283.4 光刻胶负胶的成分和感光反应 负胶为包含聚乙烯肉桂衍生物或环化橡胶衍生物双键的聚合物。典型的负胶是叠氮感光胶，如环化聚异戊二烯。在负胶曝光时，产生大量的交联聚合，成为互相

12、连接的大树脂分子，很难在显影液中溶解。从而负胶的曝光部分在显影后保留。而未曝光部分则在显影时去除。293.5 掩模版掩膜版：包含整个硅片上所有管芯303.5 掩模版两个基本部分：基板（石英版）+不透光材料基板要求：低温度膨胀、高光学透射、耐腐蚀、材料表面和内部没有缺陷超微粒干版：AgBr（卤化银） 铬版：Cr（铬）+氧化铬 氧化铁版：Fe2O3（氧化铁）313.5 掩模版采用电子束光刻直写式 投影掩模板的损伤： 掉铬、表面擦伤、静电放电、灰尘颗粒 投影掩模板的保护膜：32正性和负性光刻工艺 ： 负性光刻3.6 光刻工艺流程333.6 光刻工艺流程正性光刻343.6 光刻工艺流程351、清洗硅片

13、 Wafer Clean3.6 光刻工艺流程去除污染物去除颗粒减少针孔和其它缺陷提高光刻胶黏附性基本步骤 化学清洗 漂洗 烘干363.6 光刻工艺流程2、预烘和底胶蒸气涂覆 Pre-bake and Primer Vapor预烘：脱水烘焙去除圆片表面的潮气增强光刻胶与表面的黏附性通常大约100 C与底胶涂覆合并进行底胶涂覆：增强光刻胶(PR)和圆片表面的黏附性广泛使用: (HMDS)六甲基二硅胺在PR旋转涂覆前HMDS蒸气涂覆PR涂覆前用冷却板冷却圆片373.6 光刻工艺流程3、光刻胶涂覆 Photoresist Coating进行底模处理后，便可进行涂胶，即在底模上涂一层粘附良好厚度适当，均

14、匀的光刻胶。一般采用旋转法进行涂胶，其原理是利用底模转动时产生的离心力，将滴于模上的胶液甩开。在光刻胶表面张力和旋转离心力的共同作用下，最终形成光刻胶膜。增粘层光刻胶膜底膜涂胶383.6 光刻工艺流程滴胶光刻胶吸回Photoresist Spin CoatingEdge Bead RemovalReady For Soft Bake393.6 光刻工艺流程4、前烘 Soft Bake蒸发光刻胶中的溶剂溶剂能使涂覆的光刻胶更薄但吸收热量且影响光刻胶的黏附性过多的烘烤使光刻胶聚合，感光灵敏度变差烘烤不够影响黏附性和曝光前烘，又称软烘，就是在一定的温度下，使光刻胶膜里面的溶剂缓慢的、充分的逸出来，使

15、光刻胶膜干燥。403.6 光刻工艺流程Baking Systems413.6 光刻工艺流程5、对准 Alignment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，位于切割槽上。另外层间对准，即套刻精度,保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准。 423.6 光刻工艺流程6、曝光Exposure曝光中最重要的两个参数是：1.曝光能量（Energy）2.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曝光就是对涂有光刻胶的基片进行选择性的光化学反应，使接受到光照的光刻胶的光学特性发生改变。

16、掩模板光刻胶膜增粘层底膜曝光光源433.6 光刻工艺流程曝光方式和设备： 接触式/接近式光刻机光学 扫描投影光刻机 步进扫描光刻机 电子束光刻机非光学 X射线光刻机 离子束光刻机443.6 光刻工艺流程接触式光刻机20世纪70年代使用，用于5m及以上尺寸特点： 掩膜版容易损坏 易受颗粒沾污 高分辨率，可以实现亚微米（0.4m）线宽453.6 光刻工艺流程接近式光刻机由接触式发展来，70年代使用，用于2m4m尺寸线宽特点： 与接触式相比减少了沾污问题 掩膜版的寿命也较长 由于光的衍射而分辨率降低463.6 光刻工艺流程接触和接近式光刻机473.6 光刻工艺流程扫描投影式光刻机70年代末80年代初

17、，现在仍有使用，用来实现1m的非关键层使用1：1掩膜版特点：亚微米尺寸的掩膜版制作困难483.6 光刻工艺流程步进扫描式光刻机近年主流设备，用于形成0.25m及以下尺寸使用投影掩膜版（1：1，4：1，5：1，10：1）特点： 高分辨率 精度易受环境影响（如振动） 光路复杂，设备昂贵 493.6 光刻工艺流程曝光光源选择 光源的波长对光刻胶的感光性有很大影响，每种光刻胶都有自己的吸收峰和吸收范围，它只对波长在吸收范围内的光才比较敏感，因此选择的曝光光源必须要满足光刻胶的感光特性。503.6 光刻工艺流程513.6 光刻工艺流程523.4 光刻工艺流程分辨率和焦深的对应关系在光刻中，对图像质量起关

18、键作用的两个因素是分辨率和焦深。硅片的表面起伏，影响光学系统不能充分聚焦硅片表面所有地方。533.4 光刻工艺流程影响曝光质量因素： 光刻胶对光的吸收 光反射 临近效应驻波：表征入射光波和反射光波之间的干涉 驻波沿着光刻胶厚度引起不均匀曝光 驻波本身降低光刻胶成像的分辨率防反射涂层： 防反射涂层切断了从晶圆表面反射的光线 降低驻波效应和增强图形对比度543.6 光刻工艺流程光反射引起的光刻胶反射切口553.6 光刻工艺流程驻波本身降低光刻胶成像的分辨率驻波沿着光刻胶厚度引起不均匀曝光563.6 光刻工艺流程抗反射涂层 底部抗反射涂层顶部抗反射涂层573.6 光刻工艺流程7、后烘 Post Ex

19、posure Bake驻波效应：微电子制造工艺中的一种现象。 在微细图形光刻过程中，一般曝光光源为单色或窄带光源，在由基片、氧化物层和抗蚀剂等组成的多层膜系情况下，由于膜系各层折射率不同，曝光时入射光将在各层膜的界面处发生多次反射，在光致抗蚀剂中形成驻波。目的：提高光刻胶的粘附性和减少驻波影响曝光后烘重新分布了光刻胶中的光敏化合物（PAC），并通过减少驻波获得了较陡直的光刻胶侧墙剖面583.6 光刻工艺流程8、显影 Development显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分从掩膜版转移图形到光刻胶上三个基本步骤: 显影、漂洗、 干燥显影就是用显影液溶解掉不需要的光刻胶，将光刻掩模板上的图形转移到光刻胶上。显影液的选择原则是：对需要去除的那部分光刻胶膜溶解的快，溶解度大；对需要保留的那部分光刻胶膜溶解度极小。593.6 光刻工艺流程显影问题603.6 光刻工艺流程9、坚膜 Hard Bake1.完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂2.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3.进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性4.减少驻波效应（Standing Wave