半导体器件与工艺-光刻教材

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1、第八章 光 刻 哈尔滨工程大学 微电子学 半导体器件与工艺 光刻工艺是半导体工艺过程中非常重要的一道工序，它是 用来在晶圆表面建立图形的工艺过程。这个工艺过程的目标有 两个。首先是在晶圆表面建立尽可能接近设计规则中所要求尺 寸的图形；第二个目标是在晶圆表面正确定位图形。整个电路 图形必须被正确地定位于晶圆表面，电路图形上单独的每一部 分之间的相对位置也必须是正确的。最终的图形是用多个掩膜 版按照特定的顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来的。因为 在光刻工艺过程中的每一步都会有变化，所以对特征图形尺寸 和缺陷水平的控制是很难的。光刻操作步骤的数目之多和光刻 工艺层的数量之大，可看出光刻工艺在半导体

2、工艺过程中是一 个主要的缺陷来源。 引言 引言 光刻工艺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圆表面的 每一层。 图形转移是通过两步来完成的。首先，图形被转移到光刻胶层。 光刻胶是一种感光物质。曝光后会导致它自身性质和结构的变化。光 刻胶被曝光的部分由可溶性物质变成了非溶性物质。这种光刻胶类型 被称为负胶，这种化学变化称为聚合。通过化学溶剂（显影剂）把可 以溶解的部分去掉，在光刻胶层就会留下一个孔，这个孔就是和掩膜 版不透光的部分相对应的。 光刻工艺概述 第二次图形转移是从光刻胶层到晶圆层。当刻蚀剂把晶圆 表面没有被光刻胶盖住的部

3、分去掉的时候，图形转移就发生了 。 光刻蚀工艺概述 对光有负效应的光刻胶，称为负胶。同样还有对光有正效 应的光刻胶，称为正胶。光可以改变正胶的化学结构从不可溶 到可溶。 光刻蚀工艺概述 对准容差、晶圆表 面情况和光刻层数都会 影响到特定光刻工艺的 难易程度和每一步骤的 工艺。许多光刻工艺都 被定制成特定的工艺条 件。然而，大部分都是 基本光刻10步法的变化 。我们所举例的这个工 艺过程是一个亮场掩膜 版和负胶相作用的过程 。 光刻10步法 基本的光刻胶化学 光刻胶的组成 光刻胶会根据不同的光的波长和不同的曝光源而进行调试 。光刻胶具有特定的热流程特点，用特定的方法配制而成，与 特定的表面结合。

4、在光刻胶里面有4种基本的成分：聚合物、 溶剂、感光剂和添加剂。 基本的光刻胶化学 光敏性和对能量敏感的聚合物 对光刻胶光敏性有影响的成分是一些对光和能量敏感的特 殊聚合物。普通应用的光刻胶被设计成与紫外线和激光反应, 称为光学光刻胶。还有其他光刻胶可以与X射线或者电子束反 应。当负胶被正常光照射也会发生聚合反应。为了防止意外曝 光，负胶的生产是在黄光的条件下进行的。在正胶中，聚合物 是相对不可溶的。在用适当的光能量曝光后，光刻胶转变成可 溶状态。这种反应称为光溶解反应。光刻胶中光溶解部分会在 显影工艺中用溶剂去掉。 基本的光刻胶化学 溶剂 光刻胶中容量最大的成分是溶剂。溶剂使光刻胶处于液 态，

5、并且使光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶圆表面。 光敏剂 化学光敏剂被添加到光刻胶中用来产生或者控制聚合物 的特定反应。光敏剂被加到光刻胶中用来限制反应光的波谱范 围或者把反应光限制到某一特定波长的光。 添加剂 不同类型的添加剂和光刻胶混合在一起来达到特定的结果 。一些负胶包含有染色剂，它在光刻胶薄膜中用来吸收和控制 光线。正胶可能会有化学的抗溶解系统。这些添加剂可以阻止 光刻胶没有被曝光的部分在显影过程被溶解。 基本的光刻胶化学 光刻胶的表现要素 光刻胶的选择是一个复杂的程序。主要的决定 因素是晶圆表面对尺寸的要求。光刻胶首先必须具 有产生所要求尺寸的能力，必须有在刻蚀过程中阻 隔刻蚀的功能。在

6、阻隔刻蚀的作用中，保持有特定 厚度的光刻胶层中一定不能存在针孔。另外，光刻 胶必须能和晶圆表面很好地黏结，否则刻蚀后的图 形就会发生扭曲。以上连同阶梯覆盖度，都是光刻 胶的表现要素。 正胶和负胶的比较 用掩膜版和两种不同光刻 胶结合而在晶圆表面光刻得到 的尺寸是不一样的。由于光在 图形周围会有衍射，用负胶和 亮场掩膜版组合在光刻胶层上 得到的图形尺寸要比掩膜版上 的图形尺寸小。用正胶和暗场 掩膜版组合会使光刻胶层上的 图形尺寸变大。这些变化必须 在掩膜版的制作和光刻工艺的 设计过程中考虑到。换句话说 ，光刻胶类型的转变需要一个 全新的光刻工艺。 正胶和负胶的比较 负胶的另一个问题是氧化。这是光

7、刻胶和空气中氧气的 反应，它能使光刻胶膜厚变薄20。而正胶没有这种属性。 正胶比负胶的成本要高，但这种高成本可以通过高良品率来抵 消。 两种类型的光刻胶的显影属性也是不同的。负胶所用的 显影剂非常容易得到，聚合和非聚合区域的可溶性有很大的不 同。在显影过程中，图形尺寸相对保持恒定。相对于正胶来讲 ，聚合区域和非聚合区域的可溶性区别较小，它需要用仔细准 备过的显影剂来显影，并且在显影过程中要进行温度控制。 光刻工艺 一、表面准备 为确保光刻胶能和晶圆表面很好粘贴，必须要进行表面 准备。这一步骤是由三个阶段来完成的：微粒清除、脱水和涂 底胶。 微粒清除 晶圆几乎总是从一个清洁的区域来到光刻蚀区域的

8、，例如 氧化、掺杂、化学气相淀积。然而，晶圆在存储，装载和卸载 到片匣过程中，可能会吸附到一些颗粒状污染物，而这些污染 物是必须要清除掉。根据污染的等级和工艺的需要，可以用几 种不同的微粒清除方法。 光刻工艺 脱水烘焙 干燥的表面称做憎水性表面，在憎水性表面上液体会形成 小滴。憎水性表面有益于光刻胶的粘贴。有两个重要的方法来 保持憎水性表面。一是把室内湿度保持在50以下，并且在晶 圆完成前一步工艺之后尽可能快地对晶圆进行涂胶。另一种方 法是把晶圆存储在干燥器中。在大多数光刻蚀工艺中，只用低 温烘焙。通过热板，箱式对流传导或者真空烤箱很容易完成。 晶圆涂底胶 除了脱水烘焙外，晶圆还可以通过涂底胶

9、步骤来保证它能 和光刻胶粘贴得很好。在半导体光刻蚀工艺中，底胶的作用是 从化学上把晶圆表面的水分子系在一起，因此增加了表面的附 着能力。 光刻工艺 二、涂光刻胶 涂胶工艺的目的就是在晶圆表面建立薄的、均匀 的、并且没有缺陷的光刻胶膜。一般来说，光刻胶膜 厚从0.5微米到1.5微米不等，而且它的均匀性必须要 达到只有正负0.01微米的误差。也就是说，对于1.0微 米厚的光刻胶膜只有1的变化。涂胶工艺需防止或 是降低晶圆外边缘部分光刻胶的堆起，这种堆起会在 曝光和刻蚀过程中造成图形的变形。 光刻工艺 静态涂胶工艺 晶圆在涂完底胶之后会停在针孔吸盘上面，光刻胶被堆积 在晶圆的中心。所涂光刻胶总量的大

10、小是非常关键的，它是由 晶圆的大小和所用光刻胶的类型决定的。如果量少了会导致晶 圆表面涂胶不均，如果量大了会导致晶圆边缘光刻胶的堆积或 光刻胶流到晶圆背面。当胶液达到规定的直径，吸盘会很快地 加速到一个事先设定好的速度。在加速过程中，离心力会使光 刻胶向晶圆边缘部扩散并且甩走多余的光刻胶，只把平整均匀 的光刻胶薄膜留在晶圆表面。在光刻胶被分散开之后，高速旋 转还会维持一段时间以便使光刻胶干燥。 光刻工艺 光刻工艺 动态喷洒 大直径晶圆对均匀胶膜的需求促成了动态旋转喷洒技术的 研发。对于这种技术，晶圆在以500rpm低速旋转的时候，光 刻胶被喷洒在晶圆表面。低速旋转的作用是帮助光刻胶最初的 扩散

11、。用这种方法我们可以用较少量的光刻胶而达到更均匀的 光刻胶膜。光刻胶扩展开之后，旋转器加速至高速来完成最终 的光刻胶扩展并得到薄而且均匀的光刻胶膜。 光刻工艺 背面涂胶 在某些器件的工艺中，需要在光刻过程中保持晶圆背面氧 化物的存在。一种方法是通过在晶圆背面涂光刻胶来完成的。 这种背面涂胶的要求仅仅是一个足够厚的光刻胶膜来阻隔刻蚀 。通常晶圆是在正面涂胶完成之后通过一个滚动机在晶圆背面 进行涂胶的。另外还有一种背面刻蚀保护系统，它是通过在晶 圆背面附加上一种塑料薄片来达到的。 软烘焙是一种以蒸发掉光刻胶中一部分溶剂为 目的的加热过程。软烘焙完成之后，光刻胶还保持 一定软度。蒸发溶剂有两个原因。

12、溶剂的主要作用 是能够让光刻胶在晶圆表面涂一薄层，在这个作用 完成以后，溶剂的存在干扰余下的工艺过程。第一 个干扰是在曝光的过程中发生的。光刻胶里面的溶 剂会吸收光，进而干扰光敏感聚合物中正常的化学 变化。第二个问题是和光刻胶黏结有联系的。 软烘焙 软烘焙 在光刻过程中，两大主要目标是正确的图形定 义和在刻蚀过程中光刻胶和晶圆表面良好的黏结。 这两个目标都会受软烘温度的影响。不完全烘焙会 在曝光过程中造成图像成形不完整和在刻蚀过程中 造成多余的光刻胶漂移。过分烘焙会造成光刻胶中 的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应。 光刻胶供应商会提供软烘温度和时间的范围，之后 光刻工艺师再把这些参数优

13、化。负胶必须要在氮气 中进行烘焙，而正胶可以在空气中烘焙。 软烘焙 对流烘箱 对流烘箱是非自动化生产线的主要烘焙设备。它是一个 在隔热封闭环境中的不锈钢反应室。环绕反应室的管道提供氮 气或空气，气体在被导入反应室前先经过一个加热器加热。反 应室内配有放置晶圆承片器的搁架。承片器要在烘箱中停留预 先设定的一段时间，这时加热气体会把它们的温度升高。 软烘焙 移动带式热板 在集成系统中，使用单片晶圆热板在生产率上的局限在于回转 工步的总体时间。典型的回转时间为2040秒，这就意味着要想使 晶圆连续不停地“流动”，软烘焙就必须在这个时间范围内完成。这个 时间长度对某些光刻胶和某些工艺来说太短了。把晶圆

14、放到加热过的 移动带上，设定温度和钢带速度以满足软烘焙的要求。这样就可以使 晶圆连续不断地“流动”。 软烘焙 移动带式红外烘箱 对快速、均匀和不结壳的软烘焙方法的渴望，使得红外 辐射源得以发展。红外烘焙比传导式烘焙要快得多，而且是“ 由内至外”加热的。红外波穿过光刻胶涂层，但并不将其加热 。晶圆吸收了能量，变热，继而从底部加热光刻胶涂层。 对准和曝光 对准和曝光的第一步是把所需图形在晶圆表面 上定位或对准。第二步是通过曝光灯或其他辐射源 将图形转移到光刻胶涂层上。光刻胶是此工艺的“材 料”核心，而对准和曝光则是该工艺的“设备”核心。 图形的准确对准，以及光刻胶上精确的图形尺寸的 形成是器件和电

15、路正常工作的决定性因素。此外， 晶圆加工时间的60都在光刻区域中。 对准系统的性能表现 一个对准系统包括两个主要的子系统。一个子系统是要 把图形在晶圆表面上准确定位。另一个是曝光子系统，该子系 统包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向到晶圆表面上的机 械装置。最重要的参数要算分辨力（机器产生特定尺寸图形的 能力）。除所需图形尺寸的分辨率以外，对准机还必须具有将 图形准确定位的能力。这一性能参数叫做对准机的套准能力。 这两项指标都必须在整个晶圆上体现，这就是尺寸控制。 对准和曝光 对准与曝光系统 直到20世纪70年代中期，可供选择的光刻和曝光设备只有 两种：接触式光刻机和接近式光刻机。而今，光刻机

16、已发展到 包括光学和非光学两种类型。光学光刻机采用紫外光作为光源 ，而非光学光刻机的光源则来自电磁光谱的其他部分。为满足 减小特征图形尺寸，增加电路密度，以及ULSI时代对产品缺 陷的要求，光刻设备不断得以发展。 对准和曝光 光刻设备 接触式光刻机 接触式光刻机的掩膜版包括了要复制到硅片表面的所有 芯片阵列图形。硅片被涂上光刻胶，并被装到一个由手动按 钮控制左右和旋转的台子上（台子有X、Y方向和旋转的定位 功能）。掩膜版和硅片通过分立视场显微镜同时观察。于是 操作者用手动控制台子定位就把掩膜版图形和硅片上的图形 对准了。 一旦掩膜版和硅片对准，掩膜版就开始和硅片表面的光 刻胶涂层直接接触，这就是称这种设备为接触式光刻机的原 因。此时硅片和掩膜版经紫外（UV）光曝光。紫外光通过掩 膜版透明部分，掩膜版的图形就被转移到光刻胶上。 接触式光刻系统依赖人操作，并且容易被沾污，因为掩 膜版和光刻胶是直接接触的。颗粒沾污损坏了光刻胶层、 掩膜版或两者都损坏了，每5次到25次操作就需更换掩膜版 。颗粒周围的