《集成電路工藝原理》8.1光刻工藝流程

1、第八章 光刻與刻蝕工藝1. 光刻的基本概念1定義：光刻-通過光化學(xué)反應(yīng)，將光刻（mask）上的圖 形轉(zhuǎn)移到光刻膠上。2光刻三要素： 光刻機；光刻版（掩膜版）；光刻膠。3ULSI對光刻的要求： 高分辨率源自對更小器件結(jié)構(gòu)的無休止的要求； 高靈敏的光刻膠源自芯片尺寸不停的增加，而同時每次曝光又應(yīng)曝出至少一個完整芯片（越多越好）； 低缺陷和產(chǎn)率缺陷可直接導(dǎo)致成品率降低，產(chǎn)率將直接轉(zhuǎn)化成制造成本； 精密的套刻對準(zhǔn)； 對大尺寸硅片的加工。2. 光刻原理3.光刻、制版的環(huán)境要求 潔凈等級： 100級：3500 深亞微米器件（塵埃尺寸為0.1m） 10級：350，光刻、制版； 1級： 35，光刻、制版；4.

2、掩膜版的質(zhì)量要求 若每塊掩膜版上圖形成品率90，則 6塊光刻版，其管芯圖形成品率(90)653； 10塊光刻版，其管芯圖形成品率(90)1035； 15塊光刻版，其管芯圖形成品率(90)1521； 最后的管芯成品率當(dāng)然比其圖形成品率還要低。5.與光刻工藝相聯(lián)系的兩個主要領(lǐng)域1用來在硅片上印制圖形的曝光系統(tǒng)- 當(dāng)前業(yè)界的主宰： 光學(xué)曝光系統(tǒng)以步進重復(fù)或步進掃描方式進行縮 小投影曝光。2光刻膠材料本身 主要問題：靈敏度、分辨率和抗蝕性。 典型的膠：碳基有機材料。3光刻工藝系統(tǒng)的三大部分：光源、曝光系統(tǒng)、所有與光刻膠相關(guān)的部分（曝光、顯影、烘烤等）8.1 光刻工藝流程主要步驟：曝光顯影刻蝕光刻膠的特

3、性： 受到光輻照后發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在顯影液中感光與未感光部分的溶解速度相差很大8.1.1 涂膠1.目的：在硅片表面形成厚度均勻、附著性強且沒有缺陷的光刻膠薄膜。2 .光刻膠的作用：在刻蝕（腐蝕）或離子注入過程中，保護被光刻膠覆蓋的材料。3.涂膠前的Si片處理 脫水烘焙:去除水分（SiO2-親水性；光刻膠-疏水性） 分三個溫度： a)在150-200C釋放硅片表面吸附的水分子；b)400C左右使硅片上含水化合物脫水；c)進行750C以上的脫水。HMDS以及TMSDEA：增強附著力HMDS：六甲基乙硅氮烷，(CH3)6Si2NHTMSDEA:三甲基甲硅烷二乙胺作用：去掉Si

4、O2表面的-OH 反應(yīng)見圖8.24.涂膠（甩膠只有1%留在硅片上，約0.6-1um） 對涂膠的要求：粘附良好，均勻，薄厚適當(dāng)。膜厚：膠膜太薄針孔多，抗蝕性差； 膠膜太厚分辨率低（分辨率是膜厚的58倍）旋轉(zhuǎn)速度：膜厚與其平方根成反比 涂膠方法：浸涂，噴涂，旋涂 涂膠工藝： 第一步：將光刻膠溶液噴灑到硅片表面上； 第二步：加速旋轉(zhuǎn)托盤（硅片），直至達到需要的旋轉(zhuǎn)速度； 第三步：達到所需旋轉(zhuǎn)速度后，保持一定時間的旋轉(zhuǎn)。注意：超凈環(huán)境下進行，且光刻膠溶液中不能含有空氣。8.1.2 前烘對涂膠后的硅片在一定溫度下烘烤作用：促進膠膜內(nèi)溶劑充分揮發(fā)，使膠膜干燥（使光刻膠中溶劑含量降至5% ） ；增加膠膜與S

5、iO2 （Al膜等）的粘附性及耐磨性。影響因素：溫度，時間。烘焙不足（溫度太低或時間太短）顯影時易浮膠，圖形易變形。烘焙時間過長增感劑揮發(fā)，導(dǎo)致曝光時間增長，甚至顯不出圖形。烘焙溫度過高感光劑反應(yīng)（膠膜硬化），不易溶于顯影液，導(dǎo)致顯影不干凈。方法: ）80恒溫干燥烘箱1015分鐘； ）紅外燈烘焙； ）真空熱平板烘烤（ULSI):加熱均勻（背面加熱）。 8.1.3 曝光利用感光與未感光的光刻膠對堿性溶液的不同溶解度，就可進行掩模圖形的轉(zhuǎn)移。 駐波效應(yīng)在曝光區(qū)與非曝光區(qū)邊界出現(xiàn)，形成曝光強弱相間的過渡區(qū)，將影響顯影后所形成的圖形尺寸和分辨率。 降低方法：曝光后進行烘焙（PEB），這樣，非曝光區(qū)的感

6、光劑會向曝光區(qū)擴散，從而在在曝光區(qū)與非曝光區(qū)的邊界形成了平均的曝光效果。 曝光方法： 光學(xué)曝光、X射線曝光、電子束曝光 光學(xué)曝光紫外，深紫外 )光源： 高壓汞燈，紫外(UV），300450nm。 準(zhǔn)分子激光：深紫外(DUV），180nm330nm。 KrF：= 248nm； ArF：= 193nm； F2：= 157nm。 ）曝光方式 a.接觸式：硅片與光刻版緊密接觸。 b.接近式：硅片與光刻版保持5-50m間距。 c.投影式：利用光學(xué)系統(tǒng)，將光刻版的圖形投影在硅片上。電子束曝光： 幾十100；優(yōu)點：分辨率高；不需光刻版（直寫式）；缺點：產(chǎn)量低；曝光方式：掃描式，投影式。X射線曝光：2-40

7、，軟X射線；X射線源： a.電子束（激光束）激發(fā)靶材料：Cu、Al、Mo； b.同步加速器X射線曝光的特點：分辨率高，產(chǎn)量大。8.1.4 顯影作用：將未感光的負(fù)膠或感光的正膠溶解去除，顯現(xiàn)出所需的圖形。 顯影液：專用正膠顯影液：含水的堿性顯影液，如KOH、 TMAH (四甲基氫氧化胺水溶液)，等。負(fù)膠顯影液：有機溶劑，如丙酮、甲苯等。 例，KPR（負(fù)膠）的顯影液： 丁酮最理想； 甲苯圖形清晰度稍差； 三氯乙烯毒性大。影響顯影效果的主要因素： ）曝光時間； ）前烘的溫度與時間； ）膠膜的厚度； ）顯影液的濃度； ）顯影液的溫度； 顯影時間適當(dāng)t太短：可能留下光刻膠薄層阻擋腐蝕SiO2(金屬） 氧化層“小島”。t太長：光刻膠軟化、膨脹、鉆溶、浮膠 圖形邊緣破壞。8.1.5 堅膜高溫處理過程 作用：使軟化、膨脹的膠膜與硅片粘附更牢； 增加膠膜的抗蝕能力。 方法： ）恒溫烘箱：180200，30min； ）紅外燈：照射10min，距離6cm。 溫度與時間： ）堅膜不足：腐蝕時易浮膠，易側(cè)蝕； ）堅膜過度：膠膜熱膨脹翹曲、剝落 腐蝕時易浮膠或鉆蝕。 若T300：光刻膠分解，失去抗蝕能力。8.1.6 腐蝕（刻蝕）對腐蝕液（氣體）的要求： 既能腐蝕掉裸露的SiO2（金屬），又不損傷光刻膠。腐蝕的方法：）濕法腐蝕：腐