光刻工藝流程

1、光刻工藝流程Lithography Process摘要：光刻技術(shù)（lithography technology)是指集成電路制造中利用光學化學反應(yīng)原理和化學，物理刻蝕法，將電路圖形傳遞到單晶表面或介質(zhì)層上，形成有效圖形窗口或功能圖形的工藝技術(shù)。光刻是集成電路工藝中的關(guān)鍵性技術(shù)，其構(gòu)想源自于印刷技術(shù)中的照相制版技術(shù)。光刻技術(shù)的發(fā)展使得圖形線寬不斷縮小，集成度不斷提高，從而使得器件不斷縮小，性能也不斷提利用高。還有大面積的均勻曝光，提高了產(chǎn)量，質(zhì)量，降低了成本。我們所知的光刻工藝的流程為：涂膠前烘曝光顯影堅膜刻蝕去膠。Abstract:Lithography technology is the m

2、anufacture of integrated circuits using optical - chemical reaction principle and chemical, physical etching method, the circuit pattern is transferred to the single crystal surface or the dielectric layer to form an effective graphics window or function graphics technology.Lithography is the key te

3、chnology in integrated circuit technology, the idea originated in printing technology in the photo lithographic process. Development of lithography technology makes graphics width shrinking, integration continues to improve, so that the devices continue to shrink, the performance is also rising.Ther

4、e are even a large area of exposure, improve the yield, quality and reduce costs. We know lithography process flow is: Photoresist Coating Soft bake exposure development hard bake etching Strip Photoresist.關(guān)鍵詞：光刻，涂膠，前烘，曝光，顯影，堅膜，刻蝕，去膠。Key Words:lithography,Photoresist Coating,Soft bake,exposure,devel

5、opment,hard bake ,etching, Strip Photoresist.引言： 光刻有三要素：光刻機；光刻版（掩模版）；光刻膠。光刻機是IC晶圓中最昂貴的設(shè)備，也決定了集成電路最小的特征尺寸。光刻機的種類有接觸式光刻機、接近式光刻機、投影式光刻機和步進式光刻機。接觸式光刻機設(shè)備簡單，70年代中期前使用，分辨率只有微米級，掩模板和硅片直接接觸，使得掩膜版壽命短。接近式光刻機距硅片表面約10微米，掩膜版擁有更長的壽命，分辨率大于3m.投影光刻機類似于投影儀，掩模與硅片之間增加一透鏡，掩模與硅片1：1，分辨率大約在1微米左右。步進光刻機在IC中是最流行的，它具有高分辨率（0.25微

6、米或以下），掩膜圖形尺寸5X：10X能夠得到更好的分辨率，但他的曝光時間是5X的四倍；步進光刻機的價格是最昂貴的。掩模版包含了對于整個硅片來說確定一工藝層所需的完整管芯陣列。其中的光刻膠主要由基體（樹脂）、感光劑（聚乙烯醇肉桂酸脂）、溶劑（環(huán)己酮）、增感劑（5-硝基苊）等不同的材料按一定比例配制而成。其中樹脂是粘合劑(Binder)，感光劑是一種光活性(Photoactivity)極強的化合物，它在光刻膠內(nèi)的含量與樹脂相當，兩者同時溶解在溶劑中，以液態(tài)形式保存，以便于使用。光刻膠分為正膠和負膠；正膠在顯影時，感光部分溶解，未感光部分不溶解；負膠顯影時感光部分不溶解，不感光部分溶解。正膠的光敏度

7、和抗腐蝕能力都大于負膠。而光刻膠的作用是在刻蝕（腐蝕）或離子注入過程中，保護被光刻膠覆蓋的材料。 高分辨率，高靈敏的光刻膠，低缺陷和精密的套刻對準是ULSI對光刻的要求。要達到這樣的要求就必須在光刻的每一個流程都嚴格把關(guān)，這里分別簡單講講光刻工藝的各個流程。1.涂膠（Photoresist Coating） 涂膠的目的是在硅片表面形成厚度均勻，附著性強，并且沒有缺陷的光刻膠薄膜。涂膠作為光刻工藝的第一步，涂膠的好壞直接決定了之后光刻能否正常進行。涂膠前的Si片是需要處理的以便于光刻膠能更好的附著在上面。由于光刻膠的疏水性，所以Si片首先需要脫水烘培去除水分。然后使用HMDS(六甲基乙硅氮烷)或

8、TMSDEA(三甲基甲硅烷基二乙胺)作增粘處理。對涂膠的要求：粘附良好，均勻，薄厚適當。若膠膜太薄，則會導(dǎo)致針孔多，抗腐蝕性差；若太厚，則分辨率低。涂膠的方式有：浸涂，噴涂，旋涂。其中旋膠工藝步驟：將光刻膠溶液噴灑到硅片表面上；加速旋轉(zhuǎn)托盤（硅片），直至達到需要的旋轉(zhuǎn)速度；達到所需的旋轉(zhuǎn)速度后，保持一定時間的旋轉(zhuǎn)（甩膠）。光刻工藝中一般采用旋膠，旋轉(zhuǎn)涂膠工藝的示意圖如下：2.前烘（Soft bake） 由于在液態(tài)的光刻膠溶劑的成份占65%85%，甩膠后光刻膠變成固態(tài)薄膜但仍含有10%30%的溶劑，容易粘污灰塵。所以涂膠以后的硅片，需要在一定的溫度下進行烘烤，一步驟稱為前烘。而前烘的目的是促進膠

9、膜內(nèi)溶劑充分揮發(fā)，使膠膜干燥；增加膠膜與SiO2(Al膜等)的粘附性及耐磨性。另外光刻膠的顯影速度受光刻膠中溶劑含量的影響。如果溶劑含量過高，顯影時光刻膠的溶解速度就比較快，容易導(dǎo)致浮膠，圖形也易變形；但是，并不是要去除光刻膠中的所有溶劑，光刻膠中需要剩余一定的溶劑，以便于使感光劑重氮醌轉(zhuǎn)變?yōu)轸人帷＿@就要求前烘的時間和溫度都需要嚴格地控制。 如果前烘溫度太低，或時間過短，除了光刻膠層與硅片表面的黏附性變差之外，曝光的精確度也會因為光刻膠中的溶劑的含量過高而變差。另外，顯影時也易浮膠，圖形易變形。如果溫度過高，時間過長，光刻膠層黏附性也會因為光刻膠變脆而降低。而且，過高的烘培溫度會使光刻膠中的感

10、光劑發(fā)反應(yīng)，這會使光刻膠在曝光時的敏感度變差，增感劑揮發(fā)，導(dǎo)致顯不出圖形。前烘的方式一般有：烘箱對流加熱，紅外線輻射加熱，熱板傳導(dǎo)加熱。在ULSI工藝中，常用的前烘方法是真空熱平板烘烤。這種方法方便控制溫度，還可以保證加熱均勻。平板烘烤還可以解決光刻膠表面粗糙的問題。3.曝光（Exposure）光刻膠在經(jīng)過前烘之后，原來為液態(tài)的光刻膠在硅片表面上固化，這樣就可以進行曝光。曝光方式有接觸式，接近式和投影式。接觸式硅片與光刻版緊密接觸，光衍射效應(yīng)小，分辨率高，但對準困難，易摩擦，是光刻版圖形變形，光刻版壽命短且成品率低。接近式硅片與光刻版保持550m間距，光刻版不易損壞，光衍射效應(yīng)嚴重，分辨率低，

11、線寬大于3m。投影式曝光利用光學系統(tǒng)，將光刻版的圖形投影在硅片上，光刻版不受損傷，對準精度也高，但光學系統(tǒng)復(fù)雜，對物鏡成像要求高，一般用于3m以下光刻。目前常見的曝光有光學曝光（紫外、深紫外），X射線曝光，電子束直寫式曝光。 投影式曝光分類： 掃描投影曝光（Scanning projection exposure）,70年代末80年代初，大于1m工藝；掩膜版1：1全尺寸。步進重復(fù)投影曝光（Stepping-repeating projection exposure）,80年代末90年代，0.35m0.25m（DUV）。掩膜版縮小比例（4：1），棱鏡系統(tǒng)的制作難度增加。掃描步進投影曝光（Scan

12、ning stepper projection exposure），90年代末至今，用于小于0.18m工藝，增大了每次曝光的視場，提供硅片表面不平整的補償，提高了整個硅片的尺寸均勻性；但同時需要反向運動，增加了機械系統(tǒng)的精度要求。需要注意的是在進行曝光時會發(fā)生駐波效應(yīng)，導(dǎo)致曝光的線寬發(fā)生變化。為了減弱駐波效應(yīng)往往在光刻工藝中使用抗反射涂層（ARC）工藝。利用ARC吸收折射進入ARC的光線，以及根據(jù)曝光所使用的波長使ARC與折射進入ARC的光波相匹配，可以降低ARC反射到光刻膠中的光線強度。ARC的制作方法一般有物理氣相淀積（PVD）和化學氣相淀積（CVD）.4.顯影（Development）

13、曝光之后需要進行后烘，短時間的后烘可以促進光刻膠的關(guān)鍵化學反應(yīng)，提高光刻膠的粘附性并減少駐波，然后就可以進行顯影。顯影是將未感光的負膠或感光的正膠溶解去除，顯現(xiàn)出所需的圖形。正膠顯影液是含水的堿性顯影液，如KOH、TMAH（四甲基氫氧化胺水溶液）等。負膠顯影液是一種有機溶劑，如丙酮、甲苯等。進行顯影的方式有很多種，如：浸入式顯影，混凝顯影，噴灑顯影等。目前應(yīng)用最廣泛的是噴灑方法。這種顯影可分為三步：硅片被置于旋轉(zhuǎn)臺上，并且在硅片表面上噴灑顯影液；然后硅片將在靜止的狀態(tài)下進行顯影；顯影完成后，需要經(jīng)過漂洗，之后在旋干。漂洗和旋干是為了去除殘留在硅片上的顯影液。噴灑顯影的優(yōu)點是它可以滿足工藝流水線

14、的要求，提高生產(chǎn)效率。顯影之后，一般要通過光學顯微鏡，掃描電子顯微鏡或者激光系統(tǒng)來進行顯影檢驗；目的是區(qū)分哪些有很低可能性通過最終掩膜檢驗的晶圓，提供工藝性能和工藝控制數(shù)據(jù)，以及分揀出需要重做的晶圓。而影響顯影效果的因素主要有：曝光時間，前烘的溫度與時間，膠膜的厚度，顯影液的濃度以及顯影液的溫度等。顯影時間太短，可能留下光刻膠薄膜層，從而阻擋腐蝕二氧化硅或金屬，形成氧化層“小島”。時間太短，光刻膠軟化、膨脹、鉆溶、浮膠，導(dǎo)致圖形邊緣破壞。5.堅膜（Hard Bake） 硅片在經(jīng)過顯影之后，需要經(jīng)歷一個高溫處理過程，簡稱堅膜。堅膜的主要作用是去除光刻膠中剩余的溶劑，增強光刻膠對硅片表面的附著力，

15、同時提高光刻膠在刻蝕和離子注入過程中的抗蝕性和保護能力。通常堅膜的溫度要高于前烘和曝光后烘烤溫度，也稱為光刻膠的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度。堅膜的方法有：（1）恒溫烘箱法（180200，30min左右）；（2）紅外燈照射（照射10min，距離6cm）。如果堅膜不足，則腐蝕時易浮膠，易側(cè)蝕；如果堅膜過度，則膠膜熱膨脹導(dǎo)致翹曲，剝落，腐蝕時易浮膠或鉆蝕。若溫度超過300，則光刻膠分解，失去抗腐蝕能力。在堅膜之后還需要對光刻膠進行光學穩(wěn)定，光刻膠的光學穩(wěn)定是通過紫外光輻照和加熱來完成的。通過光學穩(wěn)定，使光刻膠在干法刻蝕過程中的抗腐蝕性得到增強，進而提高刻蝕工藝的選擇性；而且還可以減少在注入過程中從光刻膠中逸出的

16、氣體，防止在光刻膠層中形成氣泡。6.刻蝕(Etching) 在微電子制造工藝中，光刻圖形必須最終轉(zhuǎn)移到光刻膠下面組成器件的各薄膜層上，這種圖形的轉(zhuǎn)移是采用刻蝕工藝完成的，經(jīng)過刻蝕的圖形就永久留在晶圓的表層。刻蝕工藝分為兩大類：濕法和干法刻蝕。無論哪一種方法，其目的都是將光刻掩模版上的圖形精確地轉(zhuǎn)移到晶圓表面。同時要求一致性、邊緣輪廓控制、選擇性、潔凈度都符合要求。 濕法刻蝕具有各向同性腐蝕的特點，工藝簡單，腐蝕選擇性好；但鉆蝕嚴重（各向異性差），難于獲得精細圖形，且刻蝕3m以上的線條，所以現(xiàn)在一般不采用濕法刻蝕。Si的濕法刻蝕：Si+HNO3+HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2 現(xiàn)代光刻

17、技術(shù)最常用的刻蝕工藝為干法刻蝕，其各向異性腐蝕強，分辨率高，能刻蝕3m以下線條。干法刻蝕有三種類型，分別為：（1） 等離子體刻蝕：化學性刻蝕；刻蝕氣體經(jīng)輝光放電后，成為具有強化學活性的離子及游離基等離子體。等離子體活性基團與被刻蝕材料發(fā)生化學反應(yīng)。選擇性好，各向異性差。所用的刻蝕氣體有：CF4、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。（2） 濺射刻蝕：純物理刻蝕；等離子體轟擊被刻蝕的材料，使其被撞原子飛濺出來，形成刻蝕。其各向異性好，選擇性差；刻蝕氣體為惰性氣體。（3） 反應(yīng)離子刻蝕（RIE）:結(jié)合（1）、（2）；各向異性和選擇性兼顧；刻蝕氣體與等離子體刻蝕相同。Si的干法刻蝕：Si+F&#

18、175;SiF4SiO2的干法刻蝕:SiO2+F¯SiF4+O2 CF3¯+SiO2SiF4+CO+CO2SiN4的干法刻蝕：SiN4+F¯SiF4+N27. 去膠(Strip Photoresist) 經(jīng)過刻蝕或離子注入之后，已經(jīng)不再需要光刻膠做保護層，因此可以將光刻膠從硅表面除去，這一步驟稱為去膠。去膠的方法包括濕法去膠和干法去膠。在濕法去膠中又分為有機溶液去膠和無機溶液去膠。有機溶液去膠是使用與光刻膠互溶的丙酮和芳香族的有機溶劑，達到去膠目的。無極溶液去膠的原理是利用光刻膠本身也是有機物的特點，通過可以把光刻膠從硅片的表面除去。不過由于無機溶液會腐蝕Al，因此去除Al上的光刻膠必須使用有機溶劑。干法去膠則是用等離子體將光刻膠去除。相對而言，干法去膠的效果要好于濕法去膠，但干法去膠存在反應(yīng)殘留物的玷污問題，因此干法、濕法去膠經(jīng)常搭配使用。光刻是通過化學反應(yīng)，將光刻版上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，在經(jīng)刻蝕將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到硅表面的薄膜上。光刻要求硅片表面上存