1、1 半導體工藝基礎重慶郵電大學 微電子系234光刻光刻工藝、光刻技術、刻蝕在半導體制造技術中，最為關鍵的是用于電路圖形生成和復制的光刻技術，光刻技術的研究和開發，在每一代集成電路技術的更新中扮演著技術先導的作用。隨著集成電路的不斷提高，光刻技術也面臨著越來越多的難題。5 IC對光刻技術的要求高分辨率；高靈敏度的光刻膠；低缺陷；精密的套刻精度：誤差 10%L；可對大尺寸硅片進行光刻加工；6 第9章 光刻工藝光刻（photolithography）就是將掩膜版（光刻版）上的幾何圖形轉移到覆蓋在半導體襯底表面的對光輻照敏感的薄膜材料（光刻膠）上去的工藝工程。7 第9章 光刻工藝 9.1 概述9.2

2、基本光刻工藝流程9.3 光刻技術中的常見問題89.1 概述光刻(photolithography)就是將掩模版（光刻版）上的幾何圖形轉移到覆蓋在半導體襯底表面的對光輻照敏感薄膜材料（光刻膠）上去的工藝過程 。光刻是微電子工藝中最重要的單項工藝之一。用光刻圖形來確定分立元器件和集成電路中的各個區域、如注入區、接觸窗口和壓焊區等。9用光刻工藝確定的光刻膠圖并不是最后器件的構成部分，僅是圖形的印模，為了制備出實際器件的結構圖形，還必須再一次把光刻膠圖形轉移到光刻膠下面組成器件的材料層上。也就是使用能夠對非掩膜部分進行選擇性去除的刻蝕工藝來實現圖形的轉移。光刻工藝的目標是根據電路設計的要求，生成尺寸精

3、確的特征圖形，并且在襯底表面的位置正確且與其他部件的關聯正確。10完整的集成電路工藝中通常需要多次光刻才能完成。光刻系統的主要指標包括：-分辨率、-焦深、-對比度、-特征線寬控制、-對準和套刻精度、-產率以及價格。11 9.1.1 分辨率 R 分辨率是指一個光學系統精確區分目標的能力。微圖形加工的最小分辨率是指光刻系統所能分辨和加工的最小線條尺寸或機器能充分打印出的區域。分辨率是決定光刻系統最重要的指標，能分辨的線寬越小，分辨率越高。其由瑞利定律決定：分辨率系數k1=0.60.8數值孔徑NA=0.160.8提高分辨率：NA，k112 使用光源縮小 l光源波長(nm)術語技術節點汞燈436g線0

4、.5mm汞燈365i線0.5/0.35mmKrF(激光)248DUV0.25/0.13mmArF (激光)193193DUV90/6532nmF2 (激光)157VUVCaF2 lenses等離子體13.5EUVReflective mirrors光源13 光刻分辨率分辨率R=1/2L (mm-1)；直接用線寬L表示存在物理極限，由衍射決定： L/2, Rmax 1/LL 光刻分辨率是指光刻工藝得到的光刻膠圖形能分辨線條的最小線寬L，也可以用單位尺寸的線條數表示。光刻分辨率是決定芯片最小特征尺寸的最主要因素。14 9.1.3 焦深（DOF）表示在一定的工藝條件下，能刻出最小線寬的像面偏離理想焦

5、面的范圍。焦深遠大，對光刻圖形的制作越有利。NA，焦深 15 15焦深焦平面光刻膠IC技術中，焦深只有1mm，甚至更小16 對比度（CON）對比度：評價成像圖形質量的重要指標。對比度越高，光刻出來的微細圖形越好。17 17對比度一般要求MTF0.5與尺寸有關18 對比度 尺寸控制的要求以高準度和高精度在完整硅片表面產生器件特征尺寸。首先要在圖形轉移工具（光刻掩膜版）上正確的再造出特征尺寸，然后再準確地在硅片表面刻印出來。由于光刻應用的特征尺寸非常小，且各層都須精確匹配，所以需要配合緊密。圖形套準精度是衡量被刻印的圖形能否匹配前面刻印圖形的一種尺度。19 9.2 基本光刻工藝流程一般的光刻工藝要

6、經歷底膜處理、涂膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、刻蝕、去膠、檢驗工序。 2021 9.2.1 底膜處理底膜處理是光刻工藝的第一步，其主要目的是對硅襯底表面進行處理，以增強襯底與光刻膠之間的黏附性。底膜處理包括以下過程： 1、清洗；2、烘干；3、增粘處理（涂底）。22 9.2.2 涂膠在硅片表面涂敷的光刻膠應厚度均勻、附著性強、沒有缺陷。在涂膠之前，硅片一般需要經過脫水烘焙，或涂敷能增加光刻膠與硅片表面附著能力的化合物。六甲基乙硅氮烷 (HMDS) 23 23涂膠工藝示意圖 30006000 rpm，0.51 mm24涂膠厚度主要由光刻膠粘度和轉速決定25涂膠步驟：將光刻膠溶液噴射到硅片表面上；加速

7、旋轉托盤；達到所需的旋轉速度后，保持一定時間的旋轉。甩膠：？26 9.2.3 前烘液態光刻膠中，溶劑的成份占65-85。經過甩膠之后，雖然液態的光刻膠已經成為固態的薄膜，但仍含有10-30的溶劑，容易玷污灰塵，通過在較高溫度下進行烘焙，可以使溶劑從光刻膠內揮發出來。前烘方法：熱平板傳導；紅外線輻射；干燥循環熱風。 1030 min，80110 C2728299.2.4 曝光曝光是使光刻掩模版與涂上光刻膠的襯底對準，用光源經過光刻掩模版照射襯底，使接受到光照的光刻膠的光學特性發生變化。曝光中要特別注意曝光光源的選擇和對準。30 簡單的光學系統曝光圖 31曝光光源的選擇：紫外光用于光刻膠的曝光是因

8、為光刻膠與這個特定波長的光反應。波長很重要，因為較短波長的可以獲得光刻膠上較小尺寸的分辨率。對準：是指光刻掩膜版與光刻機之間的對準，二者均刻有對準標記，使標記對準即可達到光刻掩膜版與光刻機的對準。套準：對準的結果，或者每個連續圖形與先前層匹配的精度，稱為套準。32曝光，曝光劑量等于光強與曝光時間的乘積。曝光過度會導致圖形側墻傾斜；入射光波長越短，可實現的特征尺寸越小，圖形分辨率越高，但能量越小；首次曝光需要對準晶向，多次曝光之間需要進行圖形對準。對準曝光3334光的反射、干涉、衍射與駐波可反光的表面將入射光反射，并在光刻膠中于入射光發生干涉形成駐波現象。引起不均勻曝光。353637 9.2.5

9、 顯影在顯影過程中，正膠的曝光區和負膠的非曝光區的光刻膠在顯影液中溶解，而正膠的非曝光區和負膠的曝光區的光刻膠則不會在顯影液中溶解。曝光后在光刻膠層中形成的潛在圖形，顯影后便顯現出來，在光刻膠上形成三維圖形，這一步驟稱為顯影。3060 s38 顯影后所留下的光刻膠圖形將在后續的刻蝕或離子注入工藝中作為掩膜，因此，顯影也是一步重要工藝。顯影效果主要因素包括：曝光時間、前烘的溫度和時間、光刻膠的膜厚、顯影液的濃度、顯影液的溫度、顯影液的攪動情況等。39 顯影方式可以分為三個階段：硅片置與旋轉臺上旋轉，并且在硅片表面上噴灑顯影液；硅片在靜止的狀態下進行顯影；顯影完成之后，需要經過漂洗，之后再旋干。4

10、0 9.2.6 堅膜堅膜也叫后烘，是為了去除由于顯影液的浸泡引起的膠膜軟化、溶脹現象，能使膠膜附著能力增強，抗腐蝕能力提高。堅膜溫度要高于前烘和曝光后烘烤溫度，較高的堅膜溫度可使堅膜后光刻膠中的溶劑含量更少，但增加了去膠時的困難。且光刻膠內部拉伸應力的增加會使光刻膠的附著性下降，因此必須適當的控制堅膜溫度 。1030 min，100140 C41 通過堅膜，光刻膠的附著力會得到提高，這是由于除掉了光刻膠中的溶劑，同時也是熱融效應的結果，因為熱融效應可以使光刻膠與硅片之間的接觸面積達到最大。較高的堅膜溫度可使堅膜后光刻膠中的溶劑含量更少，但是增加了去膠的困難。而溫度太高，光刻膠的內部拉伸應力會增

11、加，會使光刻膠的附著性下降，所以必須適當控制溫度。堅膜42 堅膜后還需要光學穩定。通過光學穩定，使光刻膠在干法刻蝕過程中的抗蝕得到增強，而且還可以減少離子注入過程中從光刻膠中逸出的氣體，防止在光刻層中形成氣泡。光學穩定是通過紫外光輻照和加熱來完成的。光學穩定可以使光刻膠產生均勻的交叉鏈接，提高光刻膠的抗刻蝕能力，進而提高刻蝕工藝的選擇性。堅膜43 9.2.7 顯影檢驗 在顯影和烘焙之后就要完成光刻掩膜工藝的第一次質檢，通常叫顯影檢驗。目的是區分那些有很低可能性通過最終掩膜檢驗的襯底，提供工藝性能和工藝控制數據，以及分出需要重做的襯底。44 檢測內容：掩膜版選用是否正確；光刻膠層的質量是否滿足要

12、求；圖形質量；套準精度是否滿足要求。45 光刻膠鉆蝕圖形尺寸變化套刻對準不良光刻膠膜損傷線條是否齊、陡針孔、小島鉆蝕針孔、小島、劃傷46 9.2.8 刻蝕 為了制作集成電路元器件，須將光刻膠上的圖形進一步轉移到光刻膠下層的材料上。這個任務由刻蝕完成。刻蝕就是將涂膠前所淀積的薄膜沒有被光刻膠覆蓋和保護的那部分除掉，到達將光刻膠上的圖形轉移到其下層材料上的目的。SiO2、Al、poly-Si等薄膜光刻和刻蝕是兩個不同的加工工藝，光刻。47 9.2.9 去膠 光刻膠除了在光刻過程中作為從光刻掩膜版到襯底的圖形轉移媒介外，還可以作為刻蝕時不需刻蝕區的保護膜。當刻蝕完成后，光刻膠已經不再有用，需要將其去

13、除，就是去膠。此外刻蝕過程中殘留的各種試劑也要清除。48 去膠分為：濕法去膠和干法去膠；濕法去膠中又有有機溶液和無機溶液去膠；濕法去膠：用溶劑、用濃硫酸 98%H2SO4+H2O2+膠CO+CO2+H2O干法去膠：氧氣加熱去膠 O2+膠 CO+CO2+H2O 等離子去膠49 9.2.10 最終檢驗 在基本的光刻工藝過程中，最終步驟是檢驗。襯底在入射白光或紫外光下首先接受表面目檢，以檢查污點和大的微粒污染。之后是顯微鏡檢驗或自動檢驗來檢驗缺陷和圖案變形。顯微鏡目檢、線寬控制、對準檢查。 509.3 光刻技術中的常見問題半導體器件和集成電路的制造對光刻質量有如下要求：一、刻蝕的圖形完整，尺寸準確，

14、邊緣整齊陡直；二、圖形內沒有針孔；三、圖形外沒有殘留的被腐蝕物質。同時要求圖形套刻準確，無污染等。但在光刻過程中，常出現浮膠、毛刺、鉆蝕、針孔和小島等缺陷。 519.3.1 浮膠 浮膠就是在顯影和腐蝕過程中，由于化學試劑不斷侵入光刻膠膜與SiO2或其它薄膜間的界面，所引起的光刻膠圖形膠膜皺起或剝落的現象。52顯影時產生浮膠的原因有： 膠膜與基片表面粘附不牢。 膠的光化學反應性能不好，膠膜過厚，或者收縮膨脹不均。 烘焙時間不足或過度。 曝光不足。 顯影時間過長，使膠膜軟化。腐蝕時產生浮膠的原因： 堅膜時膠膜沒有烘透，膜不堅固。 腐蝕液配方不當。例如，腐蝕SiO2的氟化氫緩沖腐蝕液中，氟化銨太少，

15、化學活潑性太強。 腐蝕溫度太低或太高。 539.3.2 毛刺和鉆蝕 腐蝕時，如果腐蝕液滲透光刻膠膜的邊緣，會使圖形邊緣受到腐蝕，從而破壞掩蔽擴散的氧化層或鋁條的完整性。若滲透腐蝕較輕，圖形邊緣出現針狀的局部破壞，習慣上就稱為毛刺；若腐蝕嚴重，圖形邊緣出現“鋸齒狀”或“繡花球”樣的破壞，就稱它為鉆蝕。當SiO2等掩蔽膜窗口存在毛刺和鉆蝕時，擴散后結面就很不平整，影響結特性，甚至造成短路。同時，光刻的分辨率和器件的穩定性、可靠性也會變壞。54 9.3.2 毛刺和鉆蝕 產生毛刺和鉆蝕的原因有： 基片表面存在污物，油垢，小顆粒或吸附水汽，使光刻膠與氧化層粘附不良。 氧化層表面存在磷硅玻璃，與光刻膠粘附

16、不好，耐腐蝕性能差，引起鉆蝕。 光刻膠中存在顆粒狀物質，造成局部粘附不良。 對于光硬化型光刻膠，曝光不足，顯影時產生溶鉆，腐蝕時造成毛刺或鉆蝕。 顯影時間過長，圖形邊緣發生溶鉆，腐蝕時造成鉆蝕。 掩模圖形的黑區邊緣有毛刺狀缺陷。559.3.3 針孔 在氧化層上，除了需要刻蝕的窗口外，在其它區域也可能產生大小一般在13微米的細小孔洞。這些孔洞，在光刻工藝中稱為針孔。針孔的存在，將使氧化層不能有效地起到掩蔽的作用。在器件生產中，尤其在集成電路和大功率器件生產中，針孔是影響成品率的主要因素之一。 569.3.3 針孔 針孔產生的原因有： 薄膜表面有外來顆粒或膠膜與基片表面未充分沾潤，涂膠時留有未覆蓋

17、的小區域，腐蝕時產生針孔。 光刻膠含有固體顆粒，影響曝光效果，顯影時易剝落，造成腐蝕時產生針孔。 光刻膠膜本身抗蝕能力差，或膠膜太薄，腐蝕過程中局部蝕穿，造成針孔。 前烘不足，殘存溶劑阻礙光刻膠交聯；或前烘驟熱，溶劑揮發過快，引起鼓泡穿孔，造成針孔。 曝光不足，交聯不充分，或時間過長，膠層發生皺皮，腐蝕液穿透膠膜，在SiO2表面產生腐蝕斑點。 腐蝕液配方不當，腐蝕能力太強。 掩模版透光區存在黑斑，或沾有灰塵，曝光時局部膠膜未曝光，顯影時被溶解，腐蝕時產生針孔。579.3.4 小島 小島，是指在應該將氧化層刻蝕干凈的擴散窗口內，還留有沒有刻蝕干凈的氧化層局部區域，它的形狀不規則，很象“島嶼”，尺寸一般比針孔大些，習慣上稱這些氧化層“島嶼”為小島。小島的存在，使擴散