集成电路制造工艺 课件 第3章 光刻

集成电路制造工艺

--光刻工艺的基本原理光刻胶第三章光刻工艺光刻的工艺流程本章要点先进光刻工艺介绍光刻工艺的基本原理光刻胶第三章光刻工艺光刻的工艺流程本章要点先进光刻工艺介绍光刻工艺的基本原理§3.1光刻工艺的基本原理一、光刻的重要性光刻工艺是一种非常精细的表面加工技术，器件的横向尺寸控制几乎全由光刻来实现。因此，光刻的精度和质量将直接影响器件的性能指标，同时它们也是影响器件成品率和可靠性的重要因素。光刻工艺常被认为是集成电路生产制造中最为关键和重要的步骤，需要高性能以便结合其他工艺获得高成品率。§3.1光刻工艺的基本原理光刻的定义：

光刻是一种图像复印和刻蚀技术相结合的精密表面加工技术。光刻是利用光刻胶的感光性和抗蚀性，首先通过光化学反应，将掩膜版上的电路图形暂时转移到半导体晶圆表面涂覆的光刻胶上，然后以光刻胶为抗蚀层，对下方薄膜材料进行选择性刻蚀，最终在半导体晶圆的薄膜层上获得与掩膜版相同或相反的图形。对位曝光显影刻蚀去胶掩膜版光刻胶薄膜紫外光源二、光刻的定义第一次图形转移图像复印技术第二次图形转移刻蚀技术三、光刻的任务完成两次图形的转移：第一次通过图像复印技术，把掩模版的图像复印到光刻胶上；第二次利用刻蚀技术把光刻胶的图像传递到薄膜层上，最终得到与掩膜版相对应的几何图形。§3.1光刻工艺的基本原理光刻胶掩膜版的图像薄膜层光刻胶的图像§3.1光刻工艺的基本原理四、光刻工艺的三要素光刻胶掩模版曝光机谢谢！集成电路制造工艺

--光刻胶单位：江苏信息职业技术学院微电子教研室光刻胶第三章光刻工艺光刻的工艺流程本章要点先进光刻工艺介绍光刻工艺的基本原理光刻胶第三章光刻工艺光刻的工艺流程本章要点先进光刻工艺介绍光刻工艺的基本原理§3.2光刻胶一、光刻胶简介光刻胶，又称光致抗蚀剂，是由高分子聚合物（即感光剂）、溶剂和其他添加剂按一定比例配制而成。光刻工艺的原理是利用光刻胶在曝光前后溶解性的变化，即光刻胶具有光化学敏感性。按照光刻胶感光前后溶解性变化的不同，可以把光刻胶分成两大类，正性光刻胶和负性光刻胶。简称正胶和负胶。§3.2光刻胶二、光刻胶的主要性能指标光刻胶的技术参数，主要包括：灵敏度、分辨率、黏附性、抗蚀性等。灵敏度(Sensitivity)灵敏度，又称感光度，是表征光刻胶对光线敏感程度的性能指标。光刻胶的灵敏度越高，曝光过程越快。应当注意只有某一波长范围的光线才能使光刻胶发生光化学反应，也就是在这一波长范围才有最大灵敏度。S=K/ES：灵敏度K：常数E：曝光量曝光量是光照度和曝光时间的乘积灵敏度的测量方法§3.2光刻胶二、光刻胶的主要性能指标分辨率(Resolution)分辨率，是指能在光刻胶上得到的最小特征尺寸，也就是关键尺寸CD。分辨率是表征半导体工艺发展水平的重要标志之一，其对曝光设备和光刻胶自身工艺有很强的依赖性。§3.2光刻胶二、光刻胶的主要性能指标黏附性(Adherence)黏附性，是指光刻胶与衬底之间黏附的牢固程度。光刻胶的黏附性不足，会导致硅片表面的图形变形，直接影响光刻的质量。影响黏附性的因素：光刻胶本身的性质，衬底的性质和表面状态（如亲水性、疏水性），以及光刻的工艺条件等。离子徙动法测量黏附力§3.2光刻胶二、光刻胶的主要性能指标对比度(Contrast)对比度，是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。对比度差的形貌对比度较好的形貌§3.2光刻胶二、光刻胶的主要性能指标表面张力(SurfaceTension)表面张力，是指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能力。§3.2光刻胶三、正性光刻胶正胶重点掌握不溶性经曝光可溶性正性光刻胶定义：经曝光过的区域被溶解，而未曝光的区域被保留的一类光刻胶，称之为正性光刻胶。由于正性光刻胶的分辨率较高，因此在集成电路制造中的应用非常广泛。邻叠氮萘醌类感光机理邻叠氮萘醌类化合物经紫外光照射后，分解释放出氮气，同时分子结构进行重排，产生环的收缩作用，再经水解生成羰酸衍生物，成为能溶于碱性溶液的物质，从而显示图形。三、正性光刻胶目前最常用的正性光刻胶是重氮醌类化合物，称为DQN。四、负性光刻胶§3.2光刻胶负性光刻胶定义：经曝光过的区域被保留，而未曝光的区域被溶解的一类光刻胶，称之为负性光刻胶。负性光刻胶是最早使用的光刻胶，由于光刻后在薄膜上得到的图形与掩膜版的图形相反，故而称为负胶。对位曝光显影刻蚀去胶掩膜版光刻胶薄膜紫外光源四、负性光刻胶负性光刻胶主要有两类：聚肉桂酸脂类和环化橡胶类。典型的聚乙烯醇肉桂酸酯（KPR胶）的感光机理KPR胶的特点是，在紫外光的作用下，肉桂酰基官能团里的碳碳双键发生二次聚合反应，引起聚合物分子间的交联，线状结构变成了网状结构，增加了强度，降低了聚合物在常用溶剂中的溶解能力。负胶重点掌握可溶性经曝光不溶性§3.2光刻胶四、正胶和负胶的性能比较负胶正胶优点具有较好的灵敏度有更高的光刻分辨率对硅片有良好的黏附性和对刻蚀有良好的阻挡性有较强的抗干法刻蚀能力缺点成本低，适合大批量生产对硅片的黏附性较差显影易膨胀，分辨率较低，不能用于深亚微米以下的工艺成本较高掩膜版与光刻胶之间的关系谢谢！集成电路制造工艺

--光刻工艺的基本流程单位：江苏信息职业技术学院微电子教研室光刻胶第三章光刻工艺光刻的工艺流程本章要点先进光刻工艺介绍光刻工艺的基本原理光刻胶第三章光刻工艺光刻的工艺流程本章要点先进光刻工艺介绍光刻工艺的基本原理§3.3光刻的工艺流程后烘、刻蚀去胶对位曝光光源涂胶、前烘显影负胶正胶整个图形制备的工艺流程核心：涂胶前烘曝光显影后烘一、光刻工艺流程1.涂胶前的预处理：检查硅片表面的清洁度检查硅片表面的性质----接触角检查硅片的平面度高温烘焙增粘剂处理六甲基二硅胺烷（HMDS)增粘剂—蒸汽法涂布θ

邻氨基酚（OAP）增粘剂-蒸汽法涂布二、涂胶2.涂胶的方法-----旋涂法片架到片架的涂胶法送片未涂胶片架传感器感知有无硅片滴胶涂布前烘有无送片送片真空泵（1）将硅片上覆盖的光刻胶溶剂去除（2）增强光刻胶的粘附性以便在显影时光刻胶可以很好地粘附（3）缓和在旋转过程中光刻胶膜内产生的应力三、前烘（软烘）1.前烘的目的：2.前烘的方法烘箱：设备简单，操作方便，但溶剂挥发不够充分，且设备易对操作人员造成伤害红外光：利用硅片对红外光透明的原理，光线从底部照射，有利于溶剂的充分挥发热板：从硅片底部开始加热，有利于溶剂挥发，且设备简单，是普遍采用的方法烘胶台3.前烘的质量控制溶剂挥发不充分，影响光化学反应的发生前烘不足发生热交联、胶膜翘曲、胶膜碳化前烘过度前烘时关键控制好前烘的温度和时间一般工艺条件：60-100°C,时间1-2min(1)对准是什么？1.对准：四、对准和曝光对准就是确定硅片上图形的位置、方向和变形的过程，利用这些数据与掩膜图形建立起正确的关系。为什么要对准？通过对准，把掩膜版的图形准确地通过紫外光投影到硅片表面的光刻胶上，是集成电路具有相应功能的必要前提。（3）对准的指标：套准精度，测量对准系统把版图套准到硅片上图形的能力。具体是指要形成的图形层与前层的最大相对位移。一般而言大约是关键尺寸的三分之一。套准容差+Y-Y+X-X+Y-Y+X-X完美的套准精度套准偏移-Y2.曝光光源：常规光学光刻所用的光源为紫外光，目前主要有汞灯和准分子激光来产生紫外光UV光波长(nm)描述符CD分辨率(μm)436g0.5405h0.4365i0.35248深紫外0.253.曝光方式：接触式曝光光源掩膜版硅片光刻胶透镜特点：由于掩膜版与光刻胶紧密接触，无衍射效应，分辨率高，但有尘埃粒子会造成硅片与掩膜版的损伤光刻胶透镜接近式曝光光源掩膜版硅片特点：由于掩膜版浮在圆片表面，不存在任何接触，掩膜版寿命长，但由于有间隙，分辨率下降。既有接触式光刻的分辨率，又不会产生缺陷。投影曝光：扫描投影曝光步进（step)投影曝光步进扫描投影曝光特点：4.曝光控制：曝光过程中要严格控制曝光量。分辨率能精确转移到晶片表面抗蚀剂上图案的最小尺寸套准精度后续掩膜版与先前掩膜版刻在硅片上的图形互相对准的程度产率对一给定的掩膜，每小时能曝光完成的晶片的数量曝光后的光刻胶结构重新排列，使驻波的影响减轻。烘焙温度：110℃到130℃烘焙时间：1到2分钟五、曝光后的烘焙显影液负胶：二甲苯溶剂正胶：四甲基氢氧化铵（TMAH)有机溶剂使有机的光刻胶易产生溶涨现象

水性显影液不会使光刻胶产生溶涨现象，仅需去离子水冲洗显影方式连续喷雾显影旋覆浸没式显影六、显影目的：利用化学显影液把通过曝光后可溶性光刻胶溶解掉，从而把掩膜版的图形准确复制到光刻胶中。显影参数显影温度：15℃到25℃显影时间：在线溶解率检测（DRM)显影液量：显影不足或清洗不适当硅片

表面就会有光刻胶残膜负胶的漂洗：在显影时有溶胀现象,在漂洗时能够使图形收缩,有助于提高图形质量。通常采用醋酸丁酯或专用漂洗液进行漂洗。显影中的三个主要问题：显影不足、不完全显影、过显影目的：蒸发掉剩余的溶剂，使光刻胶变硬，提高光刻胶与衬底的粘附性。温度正胶：130℃负胶：150℃七、坚膜谢谢！集成电路制造工艺

--先进的光刻工艺单位：江苏信息职业技术学院微电子教研室光刻胶第三章光刻工艺光刻的工艺流程本章要点先进光刻工艺介绍光刻工艺的基本原理光刻胶第三章光刻工艺光刻的工艺流程本章要点先进光刻工艺介绍光刻工艺的基本原理判断光刻工艺是否具有生命力的三个标准：分辨率、套准精度、产出率，其中分辨率是关键图形最小线宽与曝光光源波长、间距之间的关系:Wmin为最小线宽K是取决于光刻工艺条件的的一个常数是入射光的波长g是掩膜版与硅片之间的间隙从公式看出，要使Wmin减小，可以减小k、λ或g,但k的典型值接近1，g如果减小，会增加接触的风险，更有吸引力的方法是减小波长λ§3.4先进光刻工艺介绍远紫外线光刻是建立在光学光刻技术基础上，使用激光产生等离子源，产生约13nm的紫外波长，这种光源工作在真空环境下以产生极外射线，由光学聚焦成光束经投影掩膜版反射扫描硅片。目前光刻图形的精度可达到30nm.EUV掩膜示意图一、极紫外线EUV曝光紫外光谱图目前深紫外线光刻采用１９３nm和２４８nm的谱线1.电子束曝光的原理与种类电子束扫描曝光电子束投影曝光矢量扫描曝光光栅扫描曝光种类

(a)矢量扫描系统(b)光栅扫描系统电子束扫描原理：利用电子枪发射具有一定能量的电子并聚焦成电子束，打在光刻胶上，使光刻胶发生反应，改变溶解度，完成曝光。二、电子束光刻2.电子束光刻胶PMMA系列，ZEP系列，HSQ系列，SAL系列2.X射线光源：1.X射线曝光的原理X射线曝光系统图阴极靶电子束X射线真空室s真空窗口掩模版衬底薄膜光刻胶靶：钯（Pd）X射线作为光源，透过X射线掩膜，X射线抗蚀剂上，抗蚀剂吸收X射线后,逐出二次电子,二次电子使得抗蚀剂链断裂(正性)或交联(负性)，从而实现光刻。420A即软X射线区，利用高能电子束轰击靶。三、X射线光刻3.X射线掩膜版基体材料：必须对X射线透明，用SiC掩模材料：必须对X射线很好地吸收，一般用Au

X射线掩膜版基体材料掩模材料4.X射线光刻胶电子束抗蚀剂1.利用透镜减少衍射k1表示系统常数，λ是光的波长，NA=2r0/D是数值孔径，表示透镜聚集折射光的能力。D是光刻版与透镜间的距离，2r0表示透镜的直径四、分辨率增强技术2.移相掩膜技术移相掩膜的光强分布

在光掩膜的某些透明图形上增加或减少一个透明的介质层，使光波通过这个介质层后产生180的相位差，与邻近透明