微电子制造技术 第 13 章 光刻 气相成底膜到软烘 学 习 目 标 1 了解光刻的基本概念 包括工艺概述 关键尺寸划分 光谱 分辨率 工艺宽 容度等 2 讨论正性胶和负性胶的区别 3 了解光刻的8个基本步骤 4 讨论光刻胶的物理特性 5 解释软烘的目的 并说明它在生产中如 何完成 光刻的基本概念 光刻就是利用光刻胶的感光性和耐蚀性 在 各种薄膜上复印并刻蚀出与掩摸版完全对应的几 何图形 以实现选择性掺杂和金属布线的目的 是一种非常精细的表面加工技术 在芯片生产过 程中广泛应用 光刻精度和质量将直接影响器件 的性能指标 同时也是影响制造成品率和可靠性 的重要因素 光刻过程如图所示 有薄膜的晶圆 光刻制程正胶工艺开孔 或 负胶工艺留岛 光刻是一种多步骤的图形转移过程 首先是在 掩膜版上形成所需要的图形 之后通过光刻工艺把 所需要的图形转移到晶园表面的每一层 图形转移通过两步完成 首先 图形被转移到 光刻胶层 光刻胶经过曝光后自身性质和结构发生 变化 由原来的可溶性物质变为非可溶性物质 或 者相反 再通过化学溶剂 显影剂 把可以溶解 的部分去掉 不能溶解的光刻胶就构成了一个图形 硅片上的器件 隔离槽 接触孔 金属互联线等 而这些图形正好和掩膜版上的图形相对应 形 成的光刻胶图形是三维的 具有长 宽 高物理特 征 见下图 线宽 间距 厚度 Substrate 光刻胶 Figure 13 2 光刻胶的三维图形 掩 膜 版 掩膜版有投影掩膜版和光掩膜版之分 投影掩 膜版 reticle 是一块包含了要在硅片上重复生成 图形的石英版 这种图形可能只有一个管芯 或者 是几个 光掩膜版 photomask 通常也称为掩膜 版 mask 是包含了对于整个芯片来说确定一层 工艺所需的完整管芯阵列的石英板 由于在图形转 移到光刻胶中光是最关键的因素之一 所以光刻有 时被称为光学光刻 对于复杂的集成电路 可能需要30块以上的掩 膜版用于在硅片上形成多层图形 每一个掩膜版都 有独一无二的图形特征 它被置于硅片表面并步进 通过整个硅片来完成每一层 4 1 Reticle1 1 Mask Photo 13 1 光刻掩膜版和投影掩膜版 光 谱 掩膜版上的图形转移到光刻胶上 是通过光 能激活光刻胶完成的 典型光能来自是紫外 UV 光源 能量的传递是通过光辐射完成的 为了使 光刻胶在光刻中发挥作用 必须将光刻胶制成与 特定的紫外线波长有化学反应光刻胶 紫外线一直是形成光刻图形常用的能量源 并会在接下来的一段时间内继续沿用 包括0 1 m 或者更小的工艺节点的器件制造中 电磁光谱用来为光刻引入最合适的紫外光谱 如图13 3所示 对于光刻中重要的几种紫外光 波长在表13 1中列出 大体上说 深紫外光 DUV 指的是波长在300nm以下的光 可见 无线电波微波红外线 射线UVX 射线 f Hz 10101010101010101010 46810121416221820 m 420 2 4 6 8 14 10 12 10101010101010101010 365436405248193157 ghiDUVDUVVUV l nm 在光学光刻中常用的UV波长 Figure 13 3 电磁光谱的片段 表13 1 光刻曝光的重要UV波长 套 准 精 度 光刻要求硅片表面上存在的图形与掩膜版上的 图形准确对准 这种特征指标就是套准精度 对准 十分关键是因为掩膜版上的图形要层对层准确地转 移到硅片上 见图13 4 因为每一次光刻都是将 掩膜版上的图形转移到硅片上 而光刻次数之多 任何一次的套准误差都会影响硅片表面上不同图案 间总的布局宽容度 这种情况就是套准容差 大的 套准容差会减小集成密度 即限制了器件的特征尺 寸 从而降低IC性能 除了对图形对准的控制 在工艺过程中的缺陷 水平的控制也同样是非常重要的 光刻操作步骤的 数目之多和光刻工艺层的数量之大 所以光刻工艺 是一个主要的缺陷来源 Figure 13 4 PMOSFETNMOSFET Cross section of CMOS inverter Top view of CMOS inverter CMOS 掩模版分解图 氧化 P SUB SiO2 N 阱光刻及注入 P SUB N 隔离氧化及光刻 P SUB N 栅氧化 多晶硅生长及光刻 P SUB N P型注入区掩模及注入 P SUB N P N型注入区掩模及注入 P SUB N N 氧化及引线孔光刻 P SUB N 金属化及光刻 P SUB N 工艺宽容度 光刻工艺中有许多工艺是可变量 例如 设 备设定 材料种类 人为操作 机器性能 还有 材料随时间的稳定性等诸多内容都存在可变因素 工艺宽容度表示的是光刻始终如一地处理符合 特定要求产品的能力 目标是获得最大的工艺宽 容度 以达到最大的工艺成品率 为了获得最大的工艺宽容度 设计工程师在 版图设计时要充分考虑工艺过程所存在的可变因 素 在制造过程中 工艺工程师也可通过调整工 艺参量以实现最高的制造成品率 对于光刻 高 的工艺宽容度意味着在生产过程中 即使遇到所 有的工艺发生变化 但只要还在规定的范围内 也就能达到关键尺寸的要求 光 刻 工 艺 光刻包括两种基本类型 负性光刻和正性光刻 负性光刻 负性光刻的基本特征是经过曝光的光刻 胶 由原来的可溶解变为不可容解 并随之 硬化 一旦硬化 被曝光的光刻胶就不能在 溶剂中被洗掉 光刻胶上留下的图形与掩膜 版上的图形相反 见图13 5 所以这种光 刻胶被称为负性光刻胶 Ultraviolet light 岛 被曝光的区域光刻胶发生 交联变成阻止显影的化学 物质 光刻胶显影后的 最终图形 窗口 光刻胶的 曝光区 光刻胶上 的阴影 在掩膜版上 的铬岛 Silicon substrate Photoresist Oxide Photoresist Oxide Silicon substrate Figure 13 5 负性光刻 正性光刻 正性光刻的基本特征是 经过曝光 的光刻胶由原来不可溶解变为可溶解 即经过曝光的光刻胶在显影液中软化并 可溶解 光刻胶上留下的图形与掩膜版 上的图形相同 见图13 6 所以这种 光刻胶被称为正性光刻胶 Figure 13 6正性光刻 photoresist silicon substrate oxideoxide silicon substrate photoresist Ultraviolet light 岛 光刻胶显影后的 最终图形 光刻胶 上的阴 影 光刻胶的 曝光区 在掩膜版 上的铬岛 窗口 Silicon substrate Photoresist Oxide Photoresist Oxide Silicon substrate 期望印在硅片上的 光刻胶结构 窗口 衬底 光刻胶岛 石英铬 岛 使用负性胶时要求掩膜版 上的图形 与想要的结构 相反 使用正性胶时要求掩膜版 上的图形 与想要的结构 相同 Figure 13 7 掩膜版与光刻胶之间的关系 接触孔的模拟 正胶光刻 金属互连线的模拟 正胶光刻 亮场掩膜版暗场掩膜版 Figure 13 8 亮场与暗场掩膜版 8 显影检查5 曝光后的烘焙6 显影7 坚膜烘焙 UV 光 掩膜版 4 对准和曝光 光刻胶 2 旋转涂胶3 软烘1 气相成底膜 HMDS 光刻工艺的8个基本步骤 气相成底膜 气相成底膜主要是为涂胶工艺作前期准备 包含硅片清洗 脱水烘焙及成底膜等内容 硅片清洗 光刻的第一步首先是硅片表面清洗 因为不 清洁的表面通常存在表面颗粒 金属杂质 有机 沾污和自然氧化层等 这些沾污物的一个主要影 响是造成光刻胶与硅片的黏附性变差 这种情况 会在显影和刻蚀中引起光刻胶的 脱胶 从而 导致光刻胶下的底层薄膜的钻蚀 见图13 3 通常进入光刻工艺的硅片刚完成氧化或淀积 操作 并处于洁净状态 为这些洁净硅片涂胶的 最佳条件是尽可能地快 脱胶 Figure 13 13 由于表面沾污引起的黏附性差的效果 脱水烘焙 脱水烘焙的目的是清除硅片表面的 残余潮气 以便使光刻胶和硅片表面有很好的黏 附性能 实际的烘焙温度是可变的 一般为200 250 不超过400 典型的烘焙是在传统的 充满惰性气体的烘箱或真空烘箱中完成 现在几 乎所有的硅片加工厂都使用自动化硅片轨道系统 完成脱水烘焙工艺 硅片成底膜 脱水烘焙后的硅片立即用六甲基 二硅胺烷 HMDS 成底膜 作用是提高光刻胶的 黏附性能 HMDS的作用是影响硅片表面使之 疏离水分子 同时形成对光刻胶的结合力 HMDS可以用浸泡 喷雾和气相方法来涂 硅片 上成底膜的方法一般被集成在硅片轨道系统上 滴浸润形成 旋转硅片除去 多余的液体 Figure 13 14 HMDS滴浸润液和旋转 旋转涂胶 成底膜处理后 硅片要立即用旋转涂胶的方 法涂上液相光刻胶材料 通常硅片被固定在一个 真空载片台上 一定数量的液体光刻胶滴在硅片 上 然后旋转硅片得到一层厚度均匀的光刻胶涂 层 见图13 10 不同的光刻胶要求不同的旋转涂胶条件 例 如最初慢速旋转 约500rpm 接下来跃变到最 大转速3000rpm或者更高 依靠旋转离心力和光 刻胶的表面张力使硅片表面得到一层厚度均匀的 光刻胶 涂胶应用的重要质量指标是 时间 速 度 厚度 均匀性 颗粒沾污及光刻胶缺陷 如 针孔等 3 甩掉多 余的胶 4 溶剂挥发 1 滴胶2 加速旋转 Figure 13 14 旋转涂布光刻胶的4个步骤 工艺小结 硅片置于真空吸盘上 滴约5ml 的光刻胶 以约 500 rpm慢速旋转 加速到约 3000 to 5000 rpm 质量指标 时间 速度 厚度 均匀性 颗粒和缺陷 真空吸盘 与转动机连 接的转杆 至真空泵 滴胶头 Figure 13 10 旋转涂胶 硅片上涂胶的目的 光刻胶是一种有机化合物 经紫外线曝 光后 在显影溶液中的溶解度会发生明显变 化 芯片制造所用的光刻胶以液态形式涂在 硅片表面 然后被干燥成胶膜 硅片制造中 使用光刻胶的目的是 将掩膜版图案转移到硅片表面顶层的光刻胶 上 在刻蚀工艺中 保护光刻胶下面的材料 各 种绝缘介质薄膜 金属薄膜等 完好无损 不被刻蚀 随着电路密度和关键尺寸的不断缩小 为 了将亚微米线宽的图形转移到硅片表面 光刻 胶必须具备如下特性 更好的图形清晰度 分辨率 对硅片表面更好的黏附性 更好的均匀性 工艺宽容度高 对工艺可变量敏感度降低 光刻胶的类型 普通光刻胶可分为正性光刻胶和负性光刻胶 这种分类是基于光刻胶材料对紫外光的响应特性 对于负性光刻胶 经紫外光曝光后发生交联反 应并会硬化 使原来可以被显影液溶解的成分变得 不可溶解 显影后与掩膜版相反的图形留在光刻胶 上 对于正性光刻胶 经紫外光曝光后的区域经历 了一种光化学反应 使原来难以被显影液溶解的特 性变得可溶解 显影后与掩膜版相同的图形留在光 刻胶上 也可以依据光刻胶所形成的最小关键尺寸来给 光刻胶分类 一类是能形成线宽尺寸在0 35 m及其 以上的传统光刻胶 另一类是适用于深紫外 DUV 波长的化学放大光刻胶 正负光刻胶的对比 负性光刻胶因具有与硅片良好的黏附性能和 对刻蚀良好的阻挡作用 在20世纪70年代被广泛 使用 然而 由于显影时的变形和膨胀 通常只 能有2 m的分辨率 随着集成度的提高和关键尺 寸的不断减小 负性光刻胶被正性光刻胶所取代 但正性光刻胶的黏附性能较负性光刻胶差 要在硅片上得到相同图案 使用不同极性的 光刻胶所对应的掩膜版 亮 暗场转换 是不同 的 这种变化不仅仅是改变掩膜版的明暗场 因 为两种不同的光刻胶其复印掩膜尺寸是不同的 主要原因是图形周围光的散射 衍射 所以掩 膜版不仅是明暗场的简单转化 必须考虑该因素 而进行重新设计 光刻胶的物理特性 在芯片制造工艺中 可能会用到许多类型的光 刻胶 每一种都应该具备其与光刻工艺要求直接相 关的自身物理特性 一种专用的光刻胶应该具备以 下物理特性 分辨率 对比度 敏感度 粘滞性 粘附性 抗蚀性 表面张力 沾污和颗粒 分辨率 硅片上形成符