《精编》集成电路制造技术

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1、集成电路制造技术第八章光刻与刻蚀工艺 西安电子科技大学微电子学院戴显英2013年9月 主要内容 光刻的重要性光刻工艺流程光源光刻胶分辨率湿法刻蚀干法刻蚀 第八章光刻与刻蚀工艺 IC制造中最重要的工艺 决定着芯片的最小特征尺寸 占芯片制造时间的40 50 占制造成本的30 光刻 通过光化学反应 将光刻版 mask 上的图形转移到光刻胶上 刻蚀 通过腐蚀 将光刻胶上图形完整地转移到Si片上光刻三要素 光刻机 光刻版 掩膜版 光刻胶ULSI对光刻的要求 高分辨率 高灵敏的光刻胶 低缺陷 精密的套刻对准 第八章光刻与刻蚀工艺 特征尺寸与栅长的摩尔定律与特征尺寸相应的光源 第八章光刻与刻蚀工艺 接触式与

2、投影式光刻机 掩模版 掩膜版的质量要求若每块掩膜版上图形成品率 90 则6块光刻版 其管芯图形成品率 90 6 53 10块光刻版 其管芯图形成品率 90 10 35 15块光刻版 其管芯图形成品率 90 15 21 最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低 掩膜版尺寸 接触式接近式和投影式曝光机 1 1 分步重复投影光刻机 Stepper 4 1 5 1 10 1 CleanRoom净化间 洁净等级 尘埃数 m3 尘埃尺寸为0 5 m 10万级 350万 单晶制备 1万级 35万 封装 测试 1000级 35000 扩散 CVD 100级 3500 光刻 制版 深亚微米器件 尘埃尺寸为0 1

3、 m 10级 350 光刻 制版 1级 35 光刻 制版 光刻工艺的基本步骤 涂胶Photoresistcoating 曝光Exposure 显影Development 8 1光刻工艺PhotolithographyProcess 光刻工艺的主要步骤涂胶前烘曝光后烘显影坚膜 1 清洗硅片WaferClean 2 预烘和打底胶Pre bakeandPrimerVapor 3 涂胶PhotoresistCoating 4 前烘SoftBake 8 1 1光刻工艺流程 5 对准Alignment 6 曝光Exposure 7 后烘PostExposureBake 8 显影Development 8

4、1 1光刻工艺流程 9 坚膜HardBake 10 图形检测PatternInspection 8 1 1光刻工艺流程 光刻1 清洗 光刻2 预烘和打底膜 SiO2 亲水性 光刻胶 疏水性 预烘 去除Si片水汽 增强光刻胶与表面的黏附性 大约1000C 打底膜 涂HMDS 六甲基乙硅氮烷 去掉SiO2表面的 OH 增强光刻胶与表面的黏附性 RCA标准清洗 8 1 1光刻工艺流程 光刻3 涂胶SpinCoating 圆片放置在涂胶机的真空卡盘上高速旋转液态光刻胶滴在圆片中心光刻胶以离心力向外扩展均匀涂覆在圆片表面 EBR Edgebeadremoval边缘修复 要求 粘附良好 均匀 薄厚适当胶膜

5、太薄 针孔多 抗蚀性差 胶膜太厚 分辨率低 分辨率是膜厚的5 8倍 涂胶方法 浸涂 喷涂 旋涂 旋转涂胶SpinCoating 8 1 1光刻工艺流程 光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系 与涂胶旋转速率成反比与光刻胶粘性成正比 光刻4 前烘SoftBake BakingSystems 作用 促进胶膜内溶剂充分挥发 使胶膜干燥 增加胶膜与SiO2 Al膜等 的粘附性及耐磨性 影响因素 温度 时间 烘焙不足 温度太低或时间太短 显影时易浮胶 图形易变形 烘焙时间过长 增感剂挥发 导致曝光时间增长 甚至显不出图形 烘焙温度过高 感光剂反应 胶膜硬化 不易溶于显影液 导致显影不干净 8 1 1光刻工艺流

6、程 5 6 对准与曝光AlignmentandExposure MostcriticalprocessforICfabricationMostexpensivetool stepper inanICfab DeterminestheminimumfeaturesizeCurrently45nmandpushingto32nm 接触式曝光机接近式曝光机投影式曝光机步进式曝光机 Stepper 1 对准和曝光设备 光刻机 8 1 1光刻工艺流程 接触式曝光示意图 步进 重复 Stepper 曝光示意图 接近式曝光示意图 投影式曝光示意图 光学曝光 X射线曝光 电子束曝光 光学曝光 紫外 深紫外高压

7、汞灯 紫外 UV 300 450nm i线365nm h线405nm g线436nm 准分子激光 KrF 248nm ArF 193nm F2激光器 157nm 高压汞灯紫外光谱 2 曝光光源 8 1 1光刻工艺流程 电子束曝光 几十 100 优点 分辨率高 不需光刻版 直写式 缺点 产量低 适于制备光刻版 X射线曝光 2 40 软X射线 X射线曝光的特点 分辨率高 产量大 极短紫外光 EUV 10 14nm 下一代曝光方法 8 1 1光刻工艺流程 商用X ray光刻机 光刻7 曝光后烘焙 后烘 PEB 烘焙温度高于光刻胶玻璃化转变温度 Tg 光刻胶分子发生热运动过曝光和欠曝光的光刻胶分子发生

8、重分布平衡驻波效应 平滑光刻胶侧墙 目的 提高分辨率 8 1 1光刻工艺流程 光刻胶中的驻波效应 光刻8 显影 Development 显影液溶解掉光刻胶中软化部分 曝光的正胶或未曝光的负胶 从掩膜版转移图形到光刻胶上三个基本步骤 显影 漂洗 干燥 8 1 1光刻工艺流程 显影液 专用正胶显影液 含水的碱性显影液 如KOH TMAH 四甲基氢氧化胺水溶液 等 负胶显影液 有机溶剂 如丙酮 甲苯等 例 KPR 负胶 的显影液 丁酮 最理想 甲苯 图形清晰度稍差 三氯乙烯 毒性大 8 1 1光刻工艺流程 光刻8 显影 Development 影响显影效果的主要因素 曝光时间 前烘的温度与时间 胶膜

9、的厚度 显影液的浓度 显影液的温度 显影时间适当t太短 可能留下光刻胶薄层 阻挡腐蚀SiO2 金属 氧化层 小岛 t太长 光刻胶软化 膨胀 钻溶 浮胶 图形边缘破坏 8 1 1光刻工艺流程 光刻8 显影 Development 正常显影 过显影 不完全显影 欠显影 显影后剖面 光刻8 显影 Development 8 1 1光刻工艺流程 光刻9 坚膜 HardBake 蒸发PR中所有有机溶剂提高刻蚀和注入的抵抗力提高光刻胶和表面的黏附性 坚膜温度 100到1300C坚膜时间 1到2分钟 坚膜工艺 烘箱 红外灯 坚膜不足 光刻胶不能充分聚合 黏附性变差 显影时易浮胶 钻蚀 过坚膜 光刻胶流动造成

10、分辨率变差 易翘曲和剥落若T 300 光刻胶分解 失去抗蚀能力 坚膜控制 正常坚膜 过坚膜 8 1 1光刻工艺流程 光刻10 图形检测 PatternInspection 检查发现问题 剥去光刻胶 重新开始 光刻胶图形是暂时的 刻蚀和离子注入图形是永久的 光刻工艺是可以返工的 刻蚀和注入以后就不能再返工 检测手段 SEM 扫描电子显微镜 光学显微镜 问题 能否用光学显微镜检查0 25 m尺寸的图形 不能 因为特征尺寸 0 25mm 250nm 小于可见光的波长 可见光波长为390nm 紫光 to750nm 红光 8 1 1光刻工艺流程 8 1 2分辨率 分辨率R 表征光刻精度 光刻时所能得到的

11、光刻图形的最小尺寸 表示方法 每mm最多可容纳的线条数 若可分辨的最小线宽为L线条间隔也是L 则分辨率R为R 1 2L mm 1 1 影响R的主要因素 曝光系统 光刻机 如X射线 电子束 的R高于紫外光 光刻胶 正胶的R高于负胶 其他 掩模版 衬底 显影 工艺 操作者等 表1影响光刻工艺效果的一些参数 8 1 2分辨率 2 衍射对R的限制设一任意粒子 光子 电子 根据不确定关系 有 L p h粒子束动量的最大变化为 p 2p 相应地若 L为线宽 即为最细线宽 则最高分辨率 8 1 2分辨率 对光子 p h 故 物理含义 光的衍射限制了线宽 2 最高分辨率限制 对电子 离子 具有波粒二象性 德布

12、罗意波 则 最细线宽 a E给定 m L R 即R离子 R电子b m给定 E L R 8 1 2分辨率 3 光衍射影响分辨率 波长越短 衍射越弱光学凸镜能够收集衍射光并增强图像 8 1 2分辨率 1 数值孔径NA NumericalAperture NA 表示凸镜收集衍射光的能力NA 2r0 D r0 凸镜的半径 D 目标 掩膜 与凸镜的距离NA越大 凸镜收集更多的衍射光 产生更尖锐的图形 可产生 可重复的最小特征尺寸由曝光系统的光波长和数值孔径决定分辨率表达式 R K1 NAK1为系统常数 光波长 NA数值孔径 2 分辨率RResolution 8 1 2分辨率 提高NA 更大的凸镜 可能很

13、昂贵而不实际 减小DOF 焦深 会引起制造困难减小光波长 开发新光源 PR和设备 波长减小的极限 UV到DUV 到EUV 到X Ray减小K1 相移掩膜 Phaseshiftmask 3 提高分辨率的途径 8 1 2分辨率 8 1 3光刻胶 Photoresist PR 光敏性材料 光照时发生化学分解或聚合反应临时性地涂覆在硅片表面通过曝光转移设计图形到光刻胶上类似于照相机胶片上涂覆的光敏材料正性胶和负性胶 负胶Negativehotoresists ComparisonofPhotoresists 8 1 3光刻胶 Photoresist PR 正胶PositivePhotoresists

14、聚合反应 显影时光照部分不溶解留下 未光照部分溶解 分辨率低 分解反应 显影时光照部分被溶解 未光照部分留下分辨率高 正胶 重氮萘醌 的光分解机理 8 1 3光刻胶 Photoresist PR 负胶 聚乙烯醇肉桂酸脂 的光聚合机理 8 1 3光刻胶 Photoresist PR 1 聚合物材料 固体有机材料光照下不发生化学反应作用 保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性 2 感光材料 当被曝光时发生光化学反应而改变溶解性正性光刻胶 由不溶变为可溶负性光刻胶 由可溶变为不溶 光刻胶基本组成 8 1 3光刻胶 Photoresist PR 3 溶剂 使光刻胶在涂到硅片表面之前保持液态允许采用旋涂的方法

15、获得薄层光刻胶薄膜 4 添加剂 不同的添加剂获得不同的工艺结果增感剂 增大曝光范围 染料 降低反射 光刻胶基本组成 8 1 3光刻胶 Photoresist PR 完成所需图形的最小曝光量 表征 S n E E 曝光量 lx s 勒克斯 秒 n 比例系数 光敏度S是光刻胶对光的敏感程度的表征 正胶的S大于负胶 光刻胶光敏度S 8 1 3光刻胶 Photoresist PR 光刻胶抗蚀能力 表征光刻胶耐酸碱 或等离子体 腐蚀的程度 对湿法腐蚀 抗蚀能力较强 干法腐蚀 抗蚀能力较差 负胶抗蚀能力大于正胶 抗蚀性与分辨率的矛盾 分辨率越高 抗蚀性越差 1 紫外 汞灯 g line 436nm 常用在

16、0 5 m光刻i line 365nm 常用在0 35 m光刻 8 1 4光源 KrF 248nm 0 25 m 0 18 mand0 13 mArF 193nm 0 13 m 目前32nm F2 157nm 应用 0 10 m 2 深紫外DUV 准分子激光器 3 下一代光刻NGL NextGenerationLithography 极紫外ExtremeUV EUV lithography波长 10 14nmX射线X Raylithography波长 1nm电子束Electronbeam E beam lithography波长 0 1nm 未来技术趋势 8 1 4光源 接触式曝光 硅片与光刻版紧密接触 优点 光衍射效应小 分辨率高 缺点 对准困难 掩膜图形易损伤 成品率低 8 1 5曝光方式 接触 接近 投影 步进重复 硅片与光刻版保持5 50 m间距 优点 光刻版寿命长 缺点 光衍射效应严重 分辨率低 线宽 3 m 接近式曝光 8 1 5曝光方式 利用光学系统 将光刻版的图形投影在硅片上 投影式曝光 优点 光刻版不受损伤 对准精度高 缺点 光学系统复杂 对物镜成像要求高 应用 3