光刻工藝PPT教學課件

1、1第1頁/共59頁2第2頁/共59頁3光刻 光刻工藝、光刻技術、刻蝕 在半導體制造技術中，最為關鍵的是用于電路圖形生成和復制的光刻技術，光刻技術的研究和開發(fā)，在每一代集成電路技術的更新中扮演著技術先導的作用。 隨著集成電路的不斷提高，光刻技術也面臨著越來越多的難題。第3頁/共59頁4 IC對光刻技術的要求 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； 可對大尺寸硅片進行光刻加工；第4頁/共59頁5 第9章 光刻工藝光刻（photolithography）就是將掩膜版（光刻版）上的幾何圖形轉移到覆蓋在半導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。第

2、5頁/共59頁6 第9章 光刻工藝 第6頁/共59頁79.1 概述 光刻(photolithography)就是將掩模版（光刻版）上的幾何圖形轉移到覆蓋在半導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、如注入區(qū)、接觸窗口和壓焊區(qū)等。第7頁/共59頁8 用光刻工藝確定的光刻膠圖并不是最后器件的構成部分，僅是圖形的印模，為了制備出實際器件的結構圖形，還必須再一次把光刻膠圖形轉移到光刻膠下面組成器件的材料層上。也就是使用能夠對非掩膜部分進行選擇性去除的刻蝕工藝來實現圖形的轉移。 光刻工藝的目

3、標是根據電路設計的要求，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聯(lián)正確。第8頁/共59頁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)的主要指標包括：-分辨率、-焦深、-對比度、-特征線寬控制、-對準和套刻精度、-產率以及價格。第9頁/共59頁10 9.1.1 分辨率 R 分辨率是指一個光學系統(tǒng)精確區(qū)分目標的能力。 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，能分辨的線寬越小，分辨率越高。其由瑞利定律決定：NAkR1分辨率系數k1=0.60.8數值孔徑NA=0.160.8提高分

4、辨率：提高分辨率：NA ， ，k1 第10頁/共59頁11 光源光源波長波長 (nm)術語術語技術節(jié)點技術節(jié)點汞燈汞燈436g線線0.5mm汞燈汞燈365i線線0.5/0.35mmKrF(激光激光)248DUV0.25/0.13mmArF (激光激光)193193DUV90/6532nmF2 (激光激光)157VUVCaF2 lenses等離子體等離子體13.5EUVReflective mirrors光源光源第11頁/共59頁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/L L 光刻分辨率是指光刻工藝得到的光刻膠

5、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表示。光刻分辨率是決定芯片最小特征尺寸的最主要因素。第12頁/共59頁13 9.1.3 焦深（DOF）n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。焦深遠大，對光刻圖形的制作越有利。2=()DOF kNANA，焦深 第13頁/共59頁14 14焦深焦平面光刻膠IC技術中，焦深只有技術中，焦深只有1m mm，甚至更小，甚至更小第14頁/共59頁15 對比度（CON）n對比度：評價成像圖形質量的重要指標。對比度越高，光刻出來的微細圖形越好。第15頁/共59頁16 16對比度minmaxminmaxIIIIMTF一般要求一般要求

6、MTF0.5與尺寸有關與尺寸有關第16頁/共59頁17 對比度n 尺寸控制的要求以高準度和高精度在完整硅片表面產生器件特征尺寸。首先要在圖形轉移工具（光刻掩膜版）上正確的再造出特征尺寸，然后再準確地在硅片表面刻印出來。n由于光刻應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。第17頁/共59頁18 9.2 基本光刻工藝流程 一般的光刻工藝要經歷底膜處理、涂膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、刻蝕、去膠、檢驗工序。 第18頁/共59頁19第19頁/共59頁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

7、表面進行處理，以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）。第20頁/共59頁21 9.2.2 涂膠 在硅片表面涂敷的光刻膠應厚度均勻、附著性強、沒有缺陷。 在涂膠之前，硅片一般需要經過脫水烘焙，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) 第21頁/共59頁22 22涂膠工藝示意圖 30006000 rpm，0.51 m mm第22頁/共59頁23涂膠厚度主要由光刻膠粘度和轉速決定涂膠厚度主要由光刻膠粘度和轉速決定第23頁/共59頁24涂膠步驟：n將光刻膠溶液噴射到硅片表面上；n加速旋轉托盤；n達到所需的旋轉

8、速度后，保持一定時間的旋轉。甩膠：？第24頁/共59頁25 9.2.3 前烘 液態(tài)光刻膠中，溶劑的成份占65-85。經過甩膠之后，雖然液態(tài)的光刻膠已經成為固態(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行烘焙，可以使溶劑從光刻膠內揮發(fā)出來。 前烘方法：熱平板傳導；紅外線輻射；干燥循環(huán)熱風。 1030 min，80110 C第25頁/共59頁26第26頁/共59頁27第27頁/共59頁289.2.4 曝光 曝光是使光刻掩模版與涂上光刻膠的襯底對準，用光源經過光刻掩模版照射襯底，使接受到光照的光刻膠的光學特性發(fā)生變化。 曝光中要特別注意曝光光源的選擇和對準。第28頁/共59頁

9、29 簡單的光學系統(tǒng)曝光圖 第29頁/共59頁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。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：是指光刻掩膜版與光刻機之間的對準，二者均刻有對準標記，使標記對準即可達到光刻掩膜版與光刻機的對準。 套準：對準的結果，或者每個連續(xù)圖形與先前層匹配的精度，稱為套準。第30頁/共59頁31 曝光，曝光劑量等于光強與曝光時間的乘積。曝光過度會導致圖形側墻傾斜； 入射光波長越短，可實現的特征尺寸越小，圖形分辨率越高，但能量越??； 首次曝光需要對準晶向，多次曝光之間需要進行圖形對準。對準曝光第31頁/共59頁3

10、2第32頁/共59頁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)生干涉形成駐波現象。引起不均勻曝光。第33頁/共59頁34第34頁/共59頁35第35頁/共59頁36 9.2.5 顯影 在顯影過程中，正膠的曝光區(qū)和負膠的非曝光區(qū)的光刻膠在顯影液中溶解，而正膠的非曝光區(qū)和負膠的曝光區(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，顯影后便顯現出來，在光刻膠上形成三維圖形，這一步驟稱為顯影。3060 s第36頁/共59頁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

11、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。第37頁/共59頁38 顯影方式可以分為三個階段： 硅片置與旋轉臺上旋轉，并且在硅片表面上噴灑顯影液； 硅片在靜止的狀態(tài)下進行顯影； 顯影完成之后，需要經過漂洗，之后再旋干。第38頁/共59頁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的膠膜軟化、溶脹現象，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。且光刻膠內部拉伸應力的增加會使光刻膠的附著性下降，因此必須適當的控制堅膜溫度 。103

12、0 min，100140 C第39頁/共59頁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，同時也是熱融效應的結果，因為熱融效應可以使光刻膠與硅片之間的接觸面積達到最大。 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，光刻膠的內部拉伸應力會增加，會使光刻膠的附著性下降，所以必須適當控制溫度。堅膜第40頁/共59頁41 堅膜后還需要光學穩(wěn)定。通過光學穩(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。 光學穩(wěn)定是通過紫外光輻照和加熱來完成的。 光學穩(wěn)定可以使光刻膠產生

13、均勻的交叉鏈接，提高光刻膠的抗刻蝕能力，進而提高刻蝕工藝的選擇性。堅膜第41頁/共59頁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據，以及分出需要重做的襯底。第42頁/共59頁43 檢測內容： 掩膜版選用是否正確； 光刻膠層的質量是否滿足要求； 圖形質量； 套準精度是否滿足要求。第43頁/共59頁44 光刻膠鉆蝕 圖形尺寸變化 套刻對準不良 光刻膠膜損傷 線條是否齊、陡 針孔、小島鉆蝕針孔、小島、劃傷第44頁/共59頁45 9.2.8 刻蝕 為了制作集成電路元器件，須

14、將光刻膠上的圖形進一步轉移到光刻膠下層的材料上。這個任務由刻蝕完成。 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的那部分除掉，到達將光刻膠上的圖形轉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。第45頁/共59頁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移媒介外，還可以作為刻蝕時不需刻蝕區(qū)的保護膜。 當刻蝕完成后，光刻膠已經不再有用，需要將其去除，就是去膠。此外刻蝕過程中殘留的各種試劑也要清除。第46頁/共59頁47 去膠分為：濕法去膠和干法去膠； 濕法去膠中又有有機溶液和無機溶液去膠； 濕法去膠

15、：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 等離子去膠第47頁/共59頁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、對準檢查。 第48頁/共59頁499.3 光刻技術中的常見問題半導體器件和集成電路的制造對光刻質量有如下要求： 一、刻蝕的圖形完整，尺寸準確，邊緣整齊陡直； 二、圖形內沒有針孔； 三、圖形外沒有殘留的被腐蝕物質。 同時要求圖形套刻準確

16、，無污染等。 但在光刻過程中，常出現浮膠、毛刺、鉆蝕、針孔和小島等缺陷。 第49頁/共59頁509.3.1 浮膠 n 浮膠就是在顯影和腐蝕過程中，由于化學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象。第50頁/共59頁51顯影時產生浮膠的原因有： 膠膜與基片表面粘附不牢。 膠的光化學反應性能不好，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。例如，腐蝕SiO2的氟化氫緩沖腐蝕液中，氟化銨太少，化學活潑性太強。 腐蝕溫度太低或太高。 第5

17、1頁/共59頁529.3.2 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，圖形邊緣出現針狀的局部破壞，習慣上就稱為毛刺；若腐蝕嚴重，圖形邊緣出現“鋸齒狀”或“繡花球”樣的破壞，就稱它為鉆蝕。當SiO2等掩蔽膜窗口存在毛刺和鉆蝕時，擴散后結面就很不平整，影響結特性，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。第52頁/共59頁53 9.3.2 毛刺和鉆蝕 產生毛刺和鉆蝕的原因有： 基片表面存在污物，油垢，小顆粒或吸附水汽，使光刻膠與氧化層粘附不良。 氧化層表面存在磷硅玻璃，與光刻膠粘附不好，耐

18、腐蝕性能差，引起鉆蝕。 光刻膠中存在顆粒狀物質，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。第53頁/共59頁549.3.3 針孔 在氧化層上，除了需要刻蝕的窗口外，在其它區(qū)域也可能產生大小一般在13微米的細小孔洞。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。在器件生產中，尤其在集成電路和大功率器件生產中，針孔是影響成品率的主要因素之一。 第54頁/共59頁559.3.3 針孔 針孔產生的原因有： 薄膜表面有外來顆?；蚰z膜與基片表面未充分沾潤，涂膠時留有未覆蓋的小區(qū)域，腐蝕時產生針孔。 光刻膠含有固體顆粒，影響曝光效果，顯影時易剝落，造成腐蝕時產生針孔。 光刻膠膜本身抗