半导体工艺课件

第八章光刻光刻：图形由光刻版转移到光刻胶上！光刻次数和光刻版个数表征了工艺的难易决定了特征尺寸起源于印刷技术中的照相制版。第八章光刻光刻：图形由光刻版转移到光刻胶上！1 1光刻的目的 光刻工艺首先是光刻工艺首先是 在晶园表面建立尽可在晶园表面建立尽可 能接近设计规则中所能接近设计规则中所 要求尺寸的图形，其要求尺寸的图形，其 次是在晶园表面正确次是在晶园表面正确 定位图形。定位图形。光刻的目的2 2 因因为为最最终终的的图图形形是是用用多多个个掩掩膜膜版版按按照照特特定定的的顺顺序序在在晶晶园园表表面面一一层层一一层层叠叠加加建建立立起起来来的的。图图形定位的要求就好像是一幢建筑物每一形定位的要求就好像是一幢建筑物每一 层之间所要求的正确对准。如层之间所要求的正确对准。如果每一次的定位不准，将会导果每一次的定位不准，将会导致整个电路失效。除了对特征致整个电路失效。除了对特征图形尺寸和图形对准的控制，图形尺寸和图形对准的控制，在工艺过程中的缺陷水平的控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，所以光刻工艺层的数量之大，所以光刻工艺是一个主要的缺陷来源艺是一个主要的缺陷来源。因为最终的图形是用多个掩膜版按照特定3 3VLSI对光刻的要求高分辨率：集成度越高，特征尺寸越小，要求光学系统分辨率越高；高灵敏度：曝光时间越短越好；套刻精度：套刻误差应小于特征尺寸的10%；大尺寸硅片加工：膨胀系数；低缺陷VLSI对光刻的要求高分辨率：集成度越高，特征尺寸越小，要求4 4光刻工艺流程去水烘烤（Dehydration）涂胶（Priming）软烤（SoftBake）曝光（Exposure）烘烤（Bake）显影（Develop）硬烤（HardBake）腐蚀（Etch）去胶（Photoresiststrip）正光刻胶：光致不抗蚀负光刻胶：光致抗蚀光刻工艺流程去水烘烤（Dehydration）涂胶（Pri5 5TransferofapatterntoaphotosensitiveTransferofapatterntoaphotosensitivematerialmaterialTransferofapatterntoa6 6a)Patterndefinitioninpositiveresist,b)a)Patterndefinitioninpositiveresist,b)PatterndefinitioninnegativeresistPatterndefinitioninnegativeresista)Patterndefinitioninposi7 7a)Patterntransferfrompatternedphotoresisttoa)Patterntransferfrompatternedphotoresisttounderlyinglayerbyetching,b)Patterntransferfromunderlyinglayerbyetching,b)Patterntransferfrompatternedphotoresisttooverlyinglayerbylift-off.patternedphotoresisttooverlyinglayerbylift-off.a)Patterntransferfrompatt8 8 如如果果掩掩膜膜版版的的图图形形是是由由不不透透光光的的区区域域决决定定的的，称称其其为为亮亮场场掩掩膜膜版版；而而在在一一个个暗暗场场掩掩膜膜版版中中，掩掩膜膜版版上上的的图图形形是是用用相相反反的的方方式式编编码码的的，如如果果按按照照同同样样的的步步骤骤，就就会会在在晶晶园园表表面面留留下下凸凸起起的图形。的图形。暗暗场场掩掩膜膜版版主主要要用用来来制制作作反反刻刻金金属属互联线。互联线。如果掩膜版的图形是由不透光的区域决定的9 9 刚刚才才介介绍绍了了对对光光有有负负效效应应的的光光刻刻胶胶，称称为为负负性性胶胶。同同样样还还有有对对光光有有正正效效应应的的光光刻刻胶胶，称称为为正正胶胶。用用正正性性胶胶和和亮亮场场掩掩膜膜版版在在晶晶园园表表面面建建立立凸凸起图形的情况如图起图形的情况如图8.78.7所示。所示。右图显示了用不同极右图显示了用不同极性的掩膜版和不同极性的掩膜版和不同极性的光刻胶相结合而性的光刻胶相结合而产生的结果。通常是产生的结果。通常是根据尺寸控制的要求根据尺寸控制的要求和缺陷保护的要求来和缺陷保护的要求来选择光刻胶和掩膜版选择光刻胶和掩膜版极性的。极性的。刚才介绍了对光有负效应的光刻胶，称为1010光刻胶的组成光刻胶的组成光刻胶的组成光刻胶的组成光刻胶由光刻胶由4 4种种成分组成：成分组成：聚合物聚合物聚合物聚合物溶剂溶剂溶剂溶剂感光剂感光剂感光剂感光剂添加剂添加剂添加剂添加剂光刻胶的组成1111 正正正正性性性性胶胶胶胶的的基基本本聚聚合合物物是是苯苯苯苯酚酚酚酚甲甲甲甲醛醛醛醛聚聚合合物物，也称为也称为苯酚甲醛树脂苯酚甲醛树脂苯酚甲醛树脂苯酚甲醛树脂。如图所示。如图所示。在在光光刻刻胶胶中中聚聚合合物物是是相相对对不不可可溶溶的的，用用适适当当能能量量的的光光照照后后变变成成可可溶溶状状态态。这这种种反反应应称称为为光溶解反应。光溶解反应。正性胶的基本聚合物是苯酚甲醛聚合物1212 正胶和负胶的比较正胶和负胶的比较正胶和负胶的比较正胶和负胶的比较 在在工工艺艺发发展展的的早早期期，负负胶胶一一直直在在光光刻刻工工艺艺中中占占主主导导地地位位，随随着着VLSI VLSI ICIC和和2 25 5微微米米图图形形尺尺寸寸的的出出现现，负负胶胶已已不不能能满满足足要要求求。随随后后出出现现了正胶，但正胶的缺点是粘结能力差。了正胶，但正胶的缺点是粘结能力差。用用正正胶胶需需要要改改变变掩掩膜膜版版的的极极性性，这这并并不不是是简简单单的的图图形形翻翻转转。因因为为用用掩掩膜膜版版和和两两种种不不同同光光刻刻胶胶结结合合，在在晶晶园园表表面面光光刻刻得得到到的的尺尺寸寸是是不不一一样样的的（见见下下图图）由由于于光光在在图图形形周周围围的的衍衍射射效效应应，使使得得用用负负胶胶和和亮亮场场掩掩膜膜版版组组合合在在光光刻刻胶胶层层上上得得到到的的图图形形尺尺寸寸要要比比掩掩膜膜版版上上的的图图形形尺尺寸寸小小。用用正正胶胶和和暗暗场场掩掩膜膜版版组组合合会会使使光光刻刻胶胶层层上上的的图图形形尺寸变大。尺寸变大。正胶和负胶的比较1313（a a）亮场掩膜）亮场掩膜版和负胶组合版和负胶组合图形尺寸变图形尺寸变图形尺寸变图形尺寸变小小小小（b b）暗场掩膜）暗场掩膜版和正胶组合版和正胶组合图形尺寸变图形尺寸变图形尺寸变图形尺寸变大大大大（a）亮场掩膜版和负胶组合1414正胶成本比负胶高，但良品率高；正胶成本比负胶高，但良品率高；负胶所用的显影剂容易得到，显影过程中图形尺负胶所用的显影剂容易得到，显影过程中图形尺寸相对稳定。寸相对稳定。对于要求高的制作工艺选择正胶，而对于那些图对于要求高的制作工艺选择正胶，而对于那些图形尺寸大于形尺寸大于2 2微米的工艺还是选择负胶。图微米的工艺还是选择负胶。图正胶成本比负胶高，但良品率高；1515涂胶涂胶1616静态旋转工艺静态旋转工艺 光光刻刻胶胶膜膜的的最最终终厚厚度度是是由由光光刻刻胶胶的的粘粘度度、旋旋转转速速度度、表表面面张张力力和和国国光光刻刻胶胶的的干干燥燥性性来来决决定的。定的。1717阶梯覆盖度阶梯覆盖度阶梯覆盖度阶梯覆盖度 随随着着晶晶园园表表面面上上膜膜层层的的不不断断增增加加，表表面面不不再再是是完全平坦化的，完全平坦化的，如图所示。如图所示。所以要求光刻所以要求光刻胶必须具有良胶必须具有良好的阶梯覆盖好的阶梯覆盖特性。特性。阶梯覆盖度1818光刻胶覆盖光刻胶覆盖光刻胶覆盖1919 软烘焙软烘焙软烘焙软烘焙 因因为为光光刻刻胶胶是是一一种种粘粘稠稠体体，所所以以涂涂胶胶结结束束后后并并不不能能直直接接进进行行曝曝光光，必必须须经经过过烘烘焙焙，使使光光刻刻胶胶中中的的溶溶剂剂蒸蒸发发。烘烘焙焙后后的的光光刻刻胶胶仍仍然然保保持持“软软”状态。但和晶园的粘结更加牢固。状态。但和晶园的粘结更加牢固。时间和温度时间和温度是软烘焙的参数，是软烘焙的参数，不完全的烘焙在不完全的烘焙在曝光过程中造成图像形成不完整和在刻蚀过程曝光过程中造成图像形成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，并且不与曝光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应。射线反应。负负胶胶必必须须在在氮氮气气中中进进行行烘烘焙焙，而而正正胶胶可可以以在空气中烘焙。在空气中烘焙。软烘焙2020 下下表总结了不同的烘焙方式。表总结了不同的烘焙方式。下表总结了不同的烘焙方式。2121曝光光源曝光光源曝光光源曝光光源 普普通通光光源源光光的的波波长长范范围围大大，图图形形边边缘缘衍衍射射现现象象严严重重，满满足足不不了了特特征征尺尺寸寸的的要要求求。所所以以作作为为晶晶园园生生产产用用的的曝曝光光光光源源必必须须是是某某一一单单一一波波长长的的光光源源；另另外外光光源源还还必必须须通通过过反反射射镜镜和和透透镜镜，使使光光源源发发出出的的光光转转化化成成一一束束平平行行光光，这这样样才才能能保证特征尺寸的要求。保证特征尺寸的要求。最最广广泛泛使使用用的的曝曝光光光光源源是是高高压压汞汞灯灯，它它所所产产生生的的光光为为紫紫外外光光（UVUV），为为获获得得更更高高的的清清晰晰度度，光光刻刻胶胶被被设设计计成成只只与与汞汞灯灯光光谱谱中中很很窄窄一一段波长的光（称为深紫外区或段波长的光（称为深紫外区或DUVDUV）反应。）反应。除自之外，现今用的光源还有：除自之外，现今用的光源还有：准分子准分子激光器、激光器、X X射线和电子束射线和电子束。曝光光源2222接触式曝光接触式曝光2323投影式曝光投影式曝光2424X射线曝光X射线曝光2525对准法则对准法则对准法则对准法则 第第一一次次光光刻刻只只是是把把掩掩膜膜版版上上的的Y Y轴轴与与晶晶园园上上的平边成的平边成9090，如图所示。，如图所示。接下来的掩膜版都用对准接下来的掩膜版都用对准 标记与上一层带有图形的标记与上一层带有图形的 掩膜对准。对准标记是一掩膜对准。对准标记是一 个特殊的图形（见图），个特殊的图形（见图），分布在每个芯片图形的边分布在每个芯片图形的边 缘。经过光刻工艺对准标缘。经过光刻工艺对准标 记就永远留在芯片表面，同时作为下一次对准使记就永远留在芯片表面，同时作为下一次对准使用。用。对准法则2626对准标记对准标记半导体工艺课件2727未对准种类：未对准种类：(a)X(a)X方向方向(b)(b)转动转动(c)(c)伸伸出出半导体工艺课件2828对准系统比较对准系统比较对准系统比较对准系统比较光刻机的分类光刻机的分类光刻机的分类光刻机的分类 接触式接触式 接近式接近式 扫描投影扫描投影 步进式步进式 分步扫描分步扫描 X X射线射线 电子束电子束 混合和匹配混合和匹配 对准系统比较2929OPCOPC3030