光刻過程與問題分析

1、§2光刻工藝過程 在平面管和集成電路生產(chǎn)中，都要經(jīng)過多次光刻。雖然各次光刻的目的要求和工藝條件有所差別，但其工藝過程是基本相同的。光刻工藝一般都要經(jīng)過涂膠，前烘，暴光，顯影，堅(jiān)膜，腐蝕和去膠等七個(gè)步驟   1涂膠  涂膠就是在SIO2或其他薄膜表面，涂布一層粘附良好，厚度適當(dāng)，厚薄均勻的光刻膠膜。涂膠前的硅片表面必須清潔干燥，如果硅片擱置較久或光刻返工，則應(yīng)重新進(jìn)行清洗并烘干后再涂膠。生產(chǎn)中，最好在氧化或蒸發(fā)后立即涂膠，此時(shí)硅片表面清潔干燥，光刻膠的粘附性較好。   涂膠一般采用旋轉(zhuǎn)法，其原理是利用轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力，將滴在

2、硅片的多余膠液甩去，在光刻膠表面張力和旋轉(zhuǎn)離心力共同作用下，擴(kuò)展成厚度均勻的膠膜。膠膜厚度可通過轉(zhuǎn)速和膠的濃度來調(diào)節(jié)。   涂膠的厚度要適當(dāng)，膜厚均勻，粘附良好。膠膜太薄，則針孔多，抗蝕能力差；膠膜太厚，則分辨率低。在一般情況下，可分辨線寬約為膜厚的58倍。 2前烘  前烘就是在一定的溫度下，使膠膜里的溶劑緩慢地?fù)]發(fā)出來，使膠膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。 前烘的溫度和時(shí)間隨膠的種類及膜厚的不同而有所差別，一般通過實(shí)驗(yàn)來加以確定。 前烘的溫度和時(shí)間必須適當(dāng)。溫度過高會(huì)引起抗蝕劑的熱交聯(lián)，在顯影時(shí)留下底膜，或者增感劑升華揮發(fā)使感光靈敏

3、度下降；前烘溫度過低或時(shí)間過短，則抗蝕劑中的有機(jī)溶劑不能充分揮發(fā)，殘留的溶劑分子會(huì)妨礙光交鏈反應(yīng)，從而造成針孔密度增加，浮膠或圖形變形等。同時(shí)，前烘時(shí)還不能驟熱，以免引起表面鼓泡，產(chǎn)生針孔甚至浮膠。一般前烘是在80恒溫干燥箱中烘烤1015分鐘；也可以用紅外燈在硅片背面烘烤，使膠膜的干燥從里到外，以獲得良好的前烘效果。  3暴光 暴光就是對(duì)涂有光刻膠的基片進(jìn)行選擇性光化學(xué)反應(yīng)，使暴光部分的光刻膠改變?cè)陲@影液中的溶解性，經(jīng)顯影后在光刻膠膜上得到和掩膜版相對(duì)應(yīng)的圖形。          &#

4、160;     生產(chǎn)上，通常都采用紫外光接觸暴光法，其基本步驟是定位對(duì)準(zhǔn)和暴光。定位對(duì)準(zhǔn)是使掩膜版的圖形和硅片上的圖形精確套合，因此要求光刻機(jī)有良好的對(duì)準(zhǔn)裝置，即具有精密的微調(diào)和壓緊機(jī)構(gòu)，特別是在壓緊時(shí)保證精確套合不發(fā)生位移。此外，光刻機(jī)還應(yīng)具有合適的光學(xué)觀察系統(tǒng)，要求有一個(gè)景深較大，同時(shí)又有足夠高分辨率的顯微鏡。   暴光量的選擇決定于光刻膠的吸收光譜，配比，膜厚和光源的光譜分布。最佳暴光量的確定，還要考慮襯底的光反射特性。在實(shí)際生產(chǎn)中，往往以暴光時(shí)間來控制暴光量，并通過實(shí)驗(yàn)來確定最佳暴光時(shí)間。 暴光時(shí)影響分辨率的因素有：

5、0;             掩膜版于光刻膠膜的接觸情況  若硅片彎曲，硅片表面有灰塵或突起，膠膜厚度不均勻，光刻機(jī)壓緊機(jī)構(gòu)不良等都會(huì)影響掩膜版與光刻膠膜的接觸情況，從而使分辨率降低。              暴光光線的平行度  暴光光線應(yīng)與掩膜版和膠膜表面垂直，否則將使光刻圖形發(fā)生畸變。   &

6、#160;          光的衍射和反射  光波在掩膜版圖形邊緣的衍射和反射將使分辨率降低。              光刻膠膜的質(zhì)量和厚度  膠膜越厚，光刻膠中固態(tài)微粒含量越高，則光線在膠膜中因散射而產(chǎn)生的側(cè)向光化學(xué)反應(yīng)越嚴(yán)重，光刻圖形的分辨率也越低。        

7、60;     暴光時(shí)間  暴光時(shí)間越長(zhǎng)，由于光的衍射，反射和散射作用，使分辨率降低。但暴光不足，則光反應(yīng)不充分，顯影時(shí)部分膠被溶解，從而使膠膜的抗蝕能力降低，針孔密度增加。              掩膜版的分辨率和質(zhì)量  掩膜版的分辨率和質(zhì)量將影響光刻分辨率。此外，顯影，腐蝕以及光刻膠的性能也是影響光刻分辨率的因素。  4顯影  顯影是把暴光后的基片放在適當(dāng)?shù)娜軇├铮瑢?yīng)去

8、除的光刻膠膜溶除干凈，以獲得腐蝕時(shí)所需要的抗蝕劑膜的保護(hù)圖形，KPR膠通常用丁酮 5堅(jiān)膜 堅(jiān)膜是在一定溫度下對(duì)顯影后的硅片進(jìn)行烘焙，除去顯影時(shí)膠膜所吸收的顯影液和殘留的水份，改善膠膜與硅片的粘附性，增強(qiáng)角膜的抗蝕能力。 堅(jiān)膜的溫度和時(shí)間要適當(dāng)。堅(jiān)膜不足，則抗蝕劑膠膜沒有烘透，膜與基片粘附性差，腐蝕時(shí)易浮膠；堅(jiān)膜溫度過高，則抗蝕劑膠膜會(huì)因熱膨脹而翹曲或剝落，腐蝕時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生鉆蝕或浮膠。溫度更高時(shí)，聚合物將分解，影響粘附性和抗蝕能力。此外，堅(jiān)膜時(shí)最好采用緩慢升溫和自然冷卻的烘焙過程。對(duì)于腐蝕時(shí)間較長(zhǎng)的厚膜刻蝕，可在腐蝕一半后再進(jìn)行一次堅(jiān)膜，以提高膠膜的抗蝕能力。 6

9、腐蝕 腐蝕就是用適當(dāng)?shù)母g劑，對(duì)未被膠膜覆蓋的SiO2或其他薄膜進(jìn)行腐蝕，以獲得完整、清晰、準(zhǔn)確的光刻圖形，達(dá)到選擇性擴(kuò)散或金屬布線的目的。 光刻工藝對(duì)腐蝕劑的要求是：只對(duì)需要除去的物質(zhì)進(jìn)行腐蝕，而對(duì)抗蝕劑膠膜不腐蝕或腐蝕量很小。同時(shí)，還要求腐蝕因子要足夠大。腐蝕因子的定義是腐蝕深度與一邊的橫向腐蝕量很小。同時(shí)， 還要求腐蝕因子要足夠大。腐蝕因子的定義是腐蝕深度與一邊的橫向腐蝕量之比。腐蝕因子越大，表示橫向腐蝕量越小。此外，還要求腐蝕圖形邊緣整齊、清晰；腐蝕液毒性小，使用方便。 腐蝕方法有兩種類型，即濕式化學(xué)腐蝕和干式等離子體腐蝕。 （1）  

10、             濕式化學(xué)腐蝕 二氧化硅腐蝕是以氫氟酸為基礎(chǔ)的水溶液。在腐蝕液中存在如下的電離平衡：HF=H+F 腐蝕時(shí)，腐蝕液中的氟離子與二氧化硅中的硅離子結(jié)合成六氟硅酸根絡(luò)離子SiO2。它與氫離子結(jié)合而生成六氟硅酸H2SiF6。同時(shí)腐蝕液中的氫離子與SiO2中的氧離子結(jié)合成難電離的水。由于六氟硅酸是可溶性的絡(luò)合物，使SiO2被氫氟酸溶解，其反應(yīng)式為：  SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O 顯然，F(xiàn)-和H+的濃度越大，反應(yīng)速度越快

11、，并且所消耗的F-和H+是等量的，如果在腐蝕液中加入氟化氨，它在水溶液中電離成氟離子和氨離子。此時(shí)，腐蝕液中F+濃度增大，根據(jù)同離子效應(yīng)原理，HF的電離平衡式將向生成HF的方向移動(dòng)，這樣就降低了溶液中H+的濃度，使HF 和SiO2的反應(yīng)速度減弱，起著緩沖的作用。所以，氟化氨在SiO2腐蝕液中起緩沖劑的作用。這種加有氟化氨的氫氟酸溶液，習(xí)慣上稱為HF緩沖液。常用的配方為：HF：NH4F：H20=3ml：6g：10ml 影響SiO2腐蝕質(zhì)量的因素很多。光刻膠與SiO2表面粘附良好是保證腐蝕質(zhì)量的重要條件，粘附不良會(huì)使腐蝕液沿界面鉆蝕，圖形遭到破壞。不同方法生長(zhǎng)的SiO2腐蝕速率不同，低溫

12、沉積的SiO2比熱生長(zhǎng)SiO2的腐蝕速率快得多。SiO2中含有硼，會(huì)使腐蝕速率降低；而含有磷，又會(huì)使腐蝕速率增大，如圖所示。腐蝕SiO2的速率一般都在3040攝氏度范圍內(nèi)。溫度過高，腐蝕速度過快，不易控制，易產(chǎn)生鉆蝕現(xiàn)象；溫度太低，腐蝕速度太慢，膠膜長(zhǎng)期浸泡，也易產(chǎn)生浮膠。腐蝕時(shí)間取決于腐蝕速率和SiO2的厚度，腐蝕不足，氧化層未去干凈，將影響雜質(zhì)擴(kuò)散或使電極接觸不良；腐蝕時(shí)間過長(zhǎng)又會(huì)造成側(cè)向腐蝕，使分辨率下降。 2 氮化硅腐蝕 氮化硅的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，在氫氟酸中腐蝕速率很慢。對(duì)于厚度為10-2um的較薄氮化硅膜，可用SiO2作掩膜的間接光刻方法刻蝕。它是在Si3N4膜上用熱分解法

13、淀積一層SiO2膜，然后用普通光刻方法在SiO2膜上刻蝕出所需圖形后，再放入180攝氏度的熱磷酸中繼續(xù)刻蝕圖形窗口內(nèi)的Si3N4膜。由于熱磷酸對(duì)Si3N4的腐蝕速率比對(duì)SiO2的大得多，所以SiO2起到掩膜腐蝕的作用。 3 鋁的腐蝕  目前常用的腐蝕液有磷酸和高錳酸鉀腐蝕液。對(duì)于磷酸，是利用它與鋁反應(yīng)能生成可溶于水的酸式磷酸鋁，以達(dá)到腐蝕的目的，其反應(yīng)式為： 2Al+6H3PO4=2Al（H2PO4）3+3H2 腐蝕時(shí)反應(yīng)激烈，會(huì)有氣泡不斷冒出，影響腐蝕的均勻性。為此，可在腐蝕液中加入少量無(wú)水乙醇或在腐蝕時(shí)采用超聲振動(dòng)，以去除反應(yīng)生成的氣泡。 

14、光刻質(zhì)量分析 平面晶體管和集成電路制造中要進(jìn)行多次光刻,而光刻工藝的質(zhì)量不僅影響器件特性而且對(duì)器件的成品率和可靠性也有很大影響.半導(dǎo)體器件生產(chǎn)對(duì)光刻質(zhì)量的要求是:刻蝕圖形完整、尺寸準(zhǔn)確、邊緣整齊;圖形外氧化層上沒有針孔,圖形內(nèi)沒有殘留的被腐蝕物質(zhì);同時(shí)要求套合準(zhǔn)確,無(wú)沾污等.但在光刻過程中常會(huì)出現(xiàn)浮膠、毛刺、鉆蝕、針孔和小島等缺陷.本結(jié)討論這些缺陷產(chǎn)生的原因及其對(duì)器件特性的影響. 1、浮膠 浮膠就是在顯影或腐蝕過程中,由于化學(xué)試劑不斷侵入光刻膠膜與SIO2或其他薄膜間的界面,引起抗蝕劑膠膜皺起或剝落的現(xiàn)象.光刻時(shí)產(chǎn)生浮膠,將嚴(yán)重影響光刻圖形的質(zhì)量,甚至造成整批硅片的報(bào)廢.產(chǎn)生浮膠的原

15、因往往和膠膜與似底的粘附性有密切關(guān)系. (1)    顯影時(shí)產(chǎn)生的原因      涂膠前硅片表面不清潔，沾有油污或水汽，使膠膜表面間沾污不良。      光刻配制有誤或膠液陳舊變質(zhì)，膠的光化學(xué)反應(yīng)性能不好，與硅片表面粘附能力差。      前烘時(shí)間不足或過度。      暴光不足，光化學(xué)反應(yīng)不徹底，部分膠膜容于顯影液中，引起浮膠。  &#

16、160;   顯影時(shí)間過長(zhǎng)。 （2）腐蝕時(shí)產(chǎn)生浮膠的原因 堅(jiān)膜不足，膠膜沒有烘透，沾附性差，在腐蝕液作用下引起浮膠。 腐蝕液配比不當(dāng)。如腐蝕的氫氟酸緩沖腐蝕液中氫化銨太少，腐蝕液活潑性太強(qiáng)。 腐蝕溫度太高或太低。溫度太低，腐蝕時(shí)間太長(zhǎng)，腐蝕液穿透或從膠膜底部滲入，引起浮膠，溫度太高，則腐蝕液活潑性強(qiáng)，也可能產(chǎn)生浮膠。 此外，顯影時(shí)產(chǎn)生浮膠的因素也可能造成腐蝕時(shí)浮膠。腐蝕時(shí)浮膠會(huì)使掩蔽區(qū)的氧化層受到嚴(yán)重破壞。在光刻時(shí)必須加以注意。 2、毛刺和鉆蝕 腐蝕時(shí)，如果腐蝕液滲入光刻膠膜的邊緣，使圖形邊緣受到腐蝕，從而破壞掩蔽

17、擴(kuò)散的氧化層或捛條的完整性。若滲透腐蝕較輕，圖形邊緣出現(xiàn)針狀的局部破壞，習(xí)慣上稱為毛刺。若圖形邊緣腐蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)鋸齒狀或花斑狀的破壞，稱為鉆蝕。當(dāng)SIO2掩蔽膜窗口存在毛刺和鉆蝕時(shí)，會(huì)引起側(cè)面擴(kuò)散結(jié)特性變壞，影響器件的成品率和可靠性。 產(chǎn)生毛刺或鉆蝕的原因有：      基片表面不清潔，存在油污，灰塵或水汽，使光刻膠和氧化層粘附不良，引起毛刺或局部鉆蝕。      氧化層表面存在磷硅玻璃，特別是磷的濃度較大時(shí)，表面與光刻膠粘附性不好，耐腐蝕性能差，容易造成鉆蝕。  

18、    光刻膠中存在顆粒狀物質(zhì)，造成局部粘附不良。      對(duì)于光聚合型光刻膠，暴光不足，顯影時(shí)產(chǎn)生鉆溶，腐蝕時(shí)造成毛刺或鉆蝕。      顯影時(shí)過長(zhǎng)，圖形邊緣發(fā)生鉆溶，腐蝕時(shí)造成鉆溶。      掩模圖形的邊緣有毛刺狀缺陷，以及硅片表面有突起或固體顆粒，在對(duì)準(zhǔn)定位時(shí)掩模與硅片表面間有摩擦，使圖形的邊緣有劃痕，腐蝕時(shí)產(chǎn)生毛刺。 3、針孔 在光刻圖形外面的氧化層上，經(jīng)光刻后會(huì)出現(xiàn)直徑為微米數(shù)量級(jí)的小孔洞，稱

19、為針孔。     針孔的存在，將使氧化層不能有效地起到雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽作用和絕緣作用。在平面器件生產(chǎn)中，尤其對(duì)集成電路和大功率器件，氧化層針孔是影響成品率的主要因素。例如，光刻集成電路隔離槽時(shí)，在隔離區(qū)上的針孔經(jīng)隔離擴(kuò)散后會(huì)形成P型管道，將使晶體管的集電結(jié)結(jié)面不平整，甚至造成基區(qū)與村底路。對(duì)于大功率平面晶體官，光刻引線孔時(shí)，在延伸電極處的SIO2，膜上產(chǎn)生針孔，則會(huì)造成金屬化電極與集電區(qū)之間的短路，因此，在大功率晶體管和集成電路產(chǎn)生中，往往在刻引線孔之后，進(jìn)行低溫沉積SIO2，然后套引線孔，以減少氧化層針孔。光刻時(shí)產(chǎn)生針孔的原因有：  

20、    氧化硅薄膜表面有塵土、石英屑、硅渣等外來顆粒，使得涂膠與基片表面未充分沾潤(rùn)，留有未覆蓋的小區(qū)域，腐蝕時(shí)產(chǎn)生針孔。      光刻膠中含有固體顆粒，影響暴光效果，顯影時(shí)剝落，腐蝕時(shí)產(chǎn)生針孔。      光刻膠模本身抗蝕能力差，或膠模太薄，腐蝕液局部穿透膠模，造成針孔。      前烘不足，殘存溶劑阻礙抗腐蝕劑揮發(fā)過快而鼓泡，腐蝕時(shí)產(chǎn)生針孔。      暴光不足，關(guān)聯(lián)不充分，或暴光時(shí)間過長(zhǎng)，膠層發(fā)生皺皮，腐蝕液穿透膠模而產(chǎn)生腐蝕斑點(diǎn)。      腐蝕液配方不當(dāng)，腐蝕能力太強(qiáng)。      掩模版透光