第九章_基本光刻工藝

1、第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 1n概述概述 在本章中，將介紹從顯影到最終檢驗所使用的基本方法。還涉及掩膜版工藝的使用和定位錯誤的討論。9.1 9.1 顯影顯影 晶園經(jīng)過曝光后,器件或電路的圖形被以曝光曝光和未曝光區(qū)域的形式記錄在光刻膠上和未曝光區(qū)域的形式記錄在光刻膠上。通過對未聚合光刻膠的化學分解來使圖形顯影。通過顯影完成掩膜版圖形到光刻膠上的轉(zhuǎn)移（如圖所示）。 不良顯影不良顯影：不完全顯影 顯影不足 嚴重過顯影。 第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 2俯視表層光刻膠正確顯影顯影不足曝光后不完全顯影顯影后嚴重過顯影晶圓(a)(b)正光刻膠 負光刻膠 顯影劑 二甲苯 沖洗 水

2、Stoddard劑溶 n-酸丁酯醋 氫氧化鈉 第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 3n負光刻膠顯影負光刻膠顯影 當負性光刻膠經(jīng)過曝光后，它會發(fā)生聚合，在聚合與未聚合之間有足夠高的分辨率，從而在顯影過程中聚合的區(qū)域只會失去很小部分光刻膠，而未聚合的區(qū)域則在顯影過程中分解，但由于兩個區(qū)域之間總是存在過渡 區(qū)，過渡區(qū)是部分聚合的 光刻膠，所以，顯影結(jié)束 后必須及時沖洗，使顯影 液很快稀釋，保證過渡區(qū) 不被顯影，使顯影后的圖 形得以完整。掩膜版反光刻膠層晶圓聚合的光刻膠部分聚合的光刻膠未聚合的光刻膠第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 4n正光刻膠顯影正光刻膠顯影 對于正性光刻膠，聚合與未聚

3、合區(qū)域的溶解率約為1:4。這意味著在顯影中總會從聚合的區(qū)域失去一些光刻膠。使用過渡的顯影液或顯影時間過長都會導(dǎo)致光刻膠太薄而不能使用。 通常要求不高的正光刻膠顯影使用減水溶減水溶液和非離子溶液液和非離子溶液，對制造敏感電路使用疊氮化四疊氮化四甲基銨氫氧化物甲基銨氫氧化物的溶液。 正性光刻膠的顯影工藝比負性光刻膠更為敏感，影響的因素有：軟烘焙時間和溫度、曝光度、軟烘焙時間和溫度、曝光度、顯影液濃度、時間、溫度以及顯影方法。顯影液濃度、時間、溫度以及顯影方法。顯影工藝參數(shù)由所有變量的測試來決定。 圖9.4顯示了一個特定的工藝參數(shù)對線寬的影響。第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 5 圖9.4

4、顯影劑溫度和曝光關(guān)系與線寬變化的比較20 s 光曝16 s 光曝 12 s 光曝8 s 光曝光刻膠厚度： mm 1持續(xù)曝光時間：0 s 5（基于8F8 6?s 曝光） 顯影劑濃度：0% 5曝光后烘焙：無線寬變化（mm）顯影劑溫度（?F+1.50+1.40+1.30+1.10+0.90+0.90+0.70+0.50+0.10+0.1068727680第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 6n顯影方式顯影方式 顯影方式分為：濕法顯影濕法顯影 干法（等離子）顯影干法（等離子）顯影n濕法顯影濕法顯影 沉浸沉浸 噴射噴射 混凝混凝n沉浸顯影沉浸顯影 最原始的方法。就是將待顯影的晶園放入盛有顯影液的容

5、器中，經(jīng)過一定的時間再放入加有化學沖洗液的池中進行沖洗。比較簡單，但存在的問題問題較多，比如：液體表面張力會阻止顯影液液體表面張力會阻止顯影液進入微小開孔區(qū)；溶解的光刻膠粘在晶園表面影進入微小開孔區(qū)；溶解的光刻膠粘在晶園表面影響顯影質(zhì)量；隨著顯影次數(shù)增加顯影液的稀釋和響顯影質(zhì)量；隨著顯影次數(shù)增加顯影液的稀釋和污染；顯影溫度對顯影率的影響等污染；顯影溫度對顯影率的影響等。n噴射顯影噴射顯影 顯影系統(tǒng)如圖9.7所示。由此可見，顯影劑和沖洗液都是在一個系統(tǒng)內(nèi)完成，每次用的顯影液第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 7 和沖洗液都是新的，所 以較沉浸系統(tǒng)清潔，由 于采用噴射系統(tǒng)也可大 大節(jié)約化學品

6、的使用。 所以此工藝很受歡迎， 特別是對負性光刻膠工 藝 。 對正性光刻膠工藝 來說 因為溫度的敏感 性，當液體在壓力下從噴嘴噴出后很快冷卻，要保證溫度必須加熱晶園吸盤。從而增加了設(shè)備的復(fù)查性和工藝難度。 沖洗顯影劑真空第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 2 n混凝顯影混凝顯影 雖然噴射顯影有很多有點，但對正性光刻膠顯影還存在一些問題，混凝顯影就是針對所存在地問題而改進的一種針對正性膠的光刻工藝，差別在于顯影化學品的不同。 如圖所示，首先在靜止的晶園表面上覆蓋一層顯影液，停留一段時間（吸盤加熱過程），在此過程中，大部分顯影會發(fā)生，然后旋轉(zhuǎn)并有更多的顯影液噴到晶園表面并沖洗、干燥。第九章

7、基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 9n干法顯影干法顯影 液體工藝的自動化程度不高，并且化學品的采購、存儲、控制和處理費用昂貴，取代液體化學顯影的途徑是使用等離子體刻蝕工藝等離子體刻蝕工藝，該工藝現(xiàn)已非常成熟。在此工藝中，離子從等離子體場得到能量，以化學形式分解暴露的晶園表面層。干法光刻顯影要求光刻膠化學物的曝光或未曝光的之一易于被氧等離子體去除。具體內(nèi)容在第十章中介紹。9.2 硬烘焙硬烘焙 硬烘焙的作用是蒸發(fā)濕法顯影過程中吸收在光刻膠中溶液，增加光刻膠和晶園表面的粘結(jié)能力，保證下一步的刻蝕工藝得以順利進行。第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 10n硬烘焙方法硬烘焙方法 在方法和設(shè)備上與前

8、面介紹的軟烘焙相似。n烘焙工藝烘焙工藝 時間和溫度仍然是主要的工藝參數(shù)，一般是制造商推薦，工藝工程師精確調(diào)整。對一般使用的對流爐，溫度：130200，時間：30分鐘。對其他方法溫度和時間各不相同。熱烘焙增加粘度的機理是光刻膠的脫水和聚合，從而增加光刻膠的耐蝕性。 烘焙溫度太低，脫水和聚合不徹底，溫度太高光刻膠容易變軟甚至流動（如圖9.9所示），所以溫度的控制極為嚴格。 硬烘焙是在顯影后立即進行，或者在刻蝕前進行，工藝流程如圖9.10 所示。所示。 第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 11圖9.9 光刻膠在高溫下的流動硬烘焙工藝流程顯影檢驗硬烘焙刻蝕刻蝕刻蝕顯影烘焙/顯影烘焙/檢驗檢驗重新

9、烘焙第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 12n顯影檢驗顯影檢驗 任何一次工藝過后都要進行檢驗，經(jīng)檢驗合格的晶園流入下一道工藝，對顯影檢驗不合格的晶園可以返工重新曝光、顯影。工藝流程如圖所示。n顯影檢驗的內(nèi)容顯影檢驗的內(nèi)容 圖形尺寸上的偏差，定位不準的圖形，表面問題（光刻膠的污染、空洞或劃去水合物點膠烘焙定位和曝光顯影檢驗合格晶圓光刻膠去除拒收的晶圓顯影和烘焙第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 13第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 14 傷），以及污點和其他的表面不規(guī)則等。n檢驗方法檢驗方法 人工檢驗 自動檢驗n人工檢驗人工檢驗 下圖是一個典型的人工檢驗次序和內(nèi)容步驟檢查內(nèi)容

10、方法1.2.3.污點大的污染/裸眼UV/光污點大的污染/圖案不規(guī)則性定位不準100400顯微鏡倍SEM/AFM/動自檢驗設(shè)備微觀尺寸顯微鏡SEM/AFM/第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 1 5n自動檢驗自動檢驗 隨著晶園尺寸增大和元件尺寸的減小，制造工藝變得更加繁多和精細，人工檢驗的效力也到了極限?？商綔y表面和圖形失真的自動檢驗系統(tǒng)成了在線和非在線檢驗的選擇。詳細內(nèi)容在第14章中介紹。9.4 刻蝕刻蝕 在完成顯影檢驗后，掩膜版的圖形就被固定在光刻膠膜上并準備刻蝕。經(jīng)過刻蝕圖形就永久留在晶園的表層。 刻蝕工藝分為兩大類：濕法濕法和和干法干法刻蝕。 無論那一種方法，其目的都是將光刻掩膜版

11、上的圖形精確地轉(zhuǎn)移到晶園表面。同時要求一致性、邊緣輪廓控制、選擇性、潔凈度都符合要求。第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 1 6光刻膠被刻蝕材料(a) 有光刻膠圖形的襯底(b) 刻蝕后的襯底光刻膠被保護層第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 1 7濕法各向同性化學腐蝕層（各向同性刻蝕是在各個方向上以同樣的速度進行刻蝕）襯底膜膠第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 1 8具有垂直刻蝕剖面的各向異性刻蝕（各向異性刻蝕是僅在一個方向刻蝕）ResistSubstrateFilm第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 19n濕法刻蝕濕法刻蝕 最原始的刻蝕工藝，就是將晶園沉浸于裝有刻蝕液的

12、槽中經(jīng)過一定的時間，再傳送到?jīng)_洗設(shè)備中除去殘余的酸（刻蝕液）在進行最終的沖洗和甩干。此工藝只能用于特征尺寸大于3m的產(chǎn)品，小于3m的產(chǎn)品由于控制和精度的需要一般使用干法刻蝕了。 刻蝕的一致性和工藝控制由附加的加熱和攪動設(shè)備來提高，常用的是帶有超聲波的刻蝕槽。 刻蝕液的選擇要求具有良好的選擇性，即在刻蝕時要有均勻去掉晶園表層而又不傷及下一層的材料。 刻蝕時間是一個重要的工藝參數(shù)，最短時間是保證徹底、干凈的均勻刻蝕；而最長時間受限于光刻膠在晶園表面的粘結(jié)時間。第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 20n刻蝕工藝中容易出現(xiàn)的問題：過刻蝕、內(nèi)切、選擇性和側(cè)邊的各向異性/各向同性刻蝕。n不完全刻蝕不

13、完全刻蝕 是指表面層刻蝕不 徹底，如圖所示。 產(chǎn)生的原因：太短的刻蝕時間；薄厚不均勻的待刻蝕層；過低的刻蝕溫度。n過刻蝕和底切過刻蝕和底切 與不完全刻蝕相反，不過通常是有意識的過刻蝕，因為恰到好處是很難做到的。理想的刻蝕應(yīng)該是形成垂直的側(cè)邊（如圖所示 ），產(chǎn)生這種理想結(jié)果的刻蝕技術(shù)叫做各向異性刻蝕。然而，刻蝕總是在各個方向同時進行的，這樣就避免不晶圓光刻膠層第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 21 了在側(cè)面形成一個斜面，這 種 現(xiàn) 象 稱 為 底 切（如圖所示）?？涛g的目標是把這種底切控制在一個可以接受的范圍內(nèi)。由于這種底切的存在，在電路設(shè)計時必須考慮（即各器件之間留有余量以防止電路短路

14、）。徹底解決底切的方法是采用等離子體刻蝕。正常過刻蝕過刻蝕和光刻膠翹起第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 22n產(chǎn)生底切的原因產(chǎn)生底切的原因 除了各向同性刻蝕以外，產(chǎn)生底切的原因有：時間過長、溫度過高、刻蝕液濃度太高、光刻膠和晶園表面的粘結(jié)力較弱、開孔邊緣粘結(jié)力失效等。n選擇性選擇性 理想的刻蝕特性是：既要把該刻蝕的徹底、干凈地刻蝕掉，又要把不該刻蝕的原樣保留。這就是刻蝕的選擇性。盡管不能完全做到，但在刻蝕液的選擇上盡量保證。同一種刻蝕液對不同的材料刻蝕速度是不同的，通常用刻蝕速率來描寫。比如：SiO2/Si的選擇性從2040。高選擇性意味著下表層很少或沒有被刻蝕。第九章 基本光刻工藝-

15、 從曝光到最終檢驗 23n不同材料的刻蝕其工藝略有不同，不同材料的不同刻蝕工藝見9.549.510節(jié)。9.6 干法刻蝕干法刻蝕 對于小尺寸濕法刻蝕的局限性前面已經(jīng)提到，主要包括：局限于3m以上的圖形尺寸；各向同性刻蝕導(dǎo)致邊側(cè)形成斜坡；要求沖洗和干燥步驟；潛在地污染；光刻膠粘結(jié)力失效導(dǎo)致底切。 基于這些原因，干法刻蝕主要用于先進電路的小尺寸精細刻蝕中。 干法刻蝕是指以氣體為主要媒體的刻蝕技術(shù)，晶園不需要液體化學品或沖洗，刻蝕過程在干燥的狀態(tài)進出系統(tǒng)。刻蝕方法見下圖。第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 24n干法刻蝕與濕法刻蝕相比的優(yōu)點：n刻蝕剖面是各向異性，具有非常好的惻壁剖面控制；n好的

16、CD控制；n最小的光刻膠脫落或黏附問題；n好的片內(nèi)、片間、批次間的刻蝕均勻性；n較低的化學制品使用和處理費用?？涛g濕法干法沉浸噴射等離子體離子轟擊反應(yīng)離子刻蝕（.I.ER）桶形平面第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 25n等離子體等離子體 等離子體是一種中性、高能量、離子化的氣體，包括中性原子或分子、帶電離子和自由電子。當從中性原子中去除一個價電子時，形成正離子和自由電子。例如，當原子結(jié)構(gòu)內(nèi)的原子和電子數(shù)目相等時氟是中性的，當一個電子從它的核內(nèi)分離出去后氟就離子化了（見下圖）。在一個有限的工藝腔內(nèi)，利用強直流或交流磁場或用某些電子源轟擊氣體原子都會導(dǎo)致氣體原子的離子化。 第九章 基本光刻

17、工藝- 從曝光到最終檢驗 26 等離子體刻蝕等離子體刻蝕離子的形成 F +9離子是質(zhì)子（）與電子（）數(shù)不等地原子電子從主原子中分離出來.少一個電子的氟原子到原子失去一個電子時產(chǎn)生一個正離子 F +9具有質(zhì)子（9）和電子（9）數(shù)目相等地中性粒子是原子氟原子總共有7個價電子價層環(huán)最多能有8個電子價層電子（）內(nèi)層電子（）在原子核中的質(zhì)子（未顯示電子）第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 27硅片的等離子體刻蝕過程 8)副產(chǎn)物去除 1) 刻蝕氣體進入反應(yīng)室襯底刻蝕反應(yīng)室 2) 電場使反應(yīng)物分解 5) 反應(yīng)離子吸附在表面 4) 反應(yīng)正離子轟擊表面 6) 原子團和表面膜的表面反應(yīng)排氣氣體傳送RF 發(fā)生

18、器副產(chǎn)物 3) 電子和原子結(jié)合產(chǎn)生等離子體 7) 副產(chǎn)物解吸附陰極陽極電場ll各向異性刻蝕各向同性刻蝕第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 28n等離子體刻蝕反應(yīng)器等離子體刻蝕反應(yīng)器n園桶式等離子體刻蝕機 早期的離子體系統(tǒng)被設(shè)計成圓柱形的（如圖），在0.11托的壓力下具有幾乎完全的化學各向同性刻蝕，硅片垂直、小間距地裝在一個石英舟上。射頻功率加在圓柱兩邊的電極上。反應(yīng)氣體真空產(chǎn)生射頻的線圈第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 29n平板（平面）等離子體刻蝕機 平板（平面）等離子體刻蝕機有兩個大小和位置對稱的平行金屬板，一個硅片背面朝下放置于接地的陰極上面，RF信號加在反應(yīng)器的上電極。由

19、于等離子體電勢總是高于地電勢，因而是一種帶能離子進行轟擊的等離子體刻蝕模式。相對于桶形刻蝕系統(tǒng)，具有各向異性刻蝕的特點，從而可得幾乎垂直的側(cè)邊。另外，旋轉(zhuǎn)晶園盤可增加刻蝕的均勻性。該系統(tǒng)可設(shè)計成批量和單個晶園反應(yīng)室設(shè)置。單個晶園系統(tǒng)因其可對刻蝕參數(shù)精密控制，以得到均勻刻蝕而受到歡迎。 第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 30平板等離子體刻蝕晶圓反應(yīng)氣體等離子體場電極接地射頻n粒子束刻蝕粒子束刻蝕 粒子束刻蝕也是干法刻蝕的一種，與化學等離子體刻蝕不同的是粒子束刻蝕是一個物理工藝。如圖所示，晶園在真空反應(yīng)室內(nèi)被置于固定器上，并且向反應(yīng)室導(dǎo)入氬氣流。氬氣進入反應(yīng)室便受到從一對陰陽極來的高能電子

20、束流的影響。電子將氬原子離子化成帶正電荷的高能狀態(tài)。由于晶園位于接負極的固定器上，從而氬離子便被吸向固定器。在移動的同時被加速以提高能量。在晶園表面上它們轟擊進入暴露的晶園層并從晶園表面炸掉一小部分從而達到刻蝕的目的。 第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 31第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 32n優(yōu)點優(yōu)點：刻蝕的方向 性非常好（屬于各 向異性），非常適 合高精度的小開口 區(qū)域刻蝕n缺點：缺點：選擇性差， 存在離子化形成的 輻射損害。粒子束轟擊示意圖第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 33n干法刻蝕中光刻膠的影響干法刻蝕中光刻膠的影響 對于濕法和干法刻蝕兩種工藝，圖形保護層

21、是光刻膠層。在濕法刻蝕中對光刻膠層幾乎沒有來自刻蝕劑的刻蝕。然而在干法刻蝕中，殘余的氧氣會刻蝕光刻膠層。因此光刻膠層必須保證足夠的厚度以應(yīng)付刻蝕劑的刻蝕而不至于變薄出現(xiàn)空洞。 另一個與光刻膠相關(guān)的干法刻蝕問題是光刻膠烘焙。在干法刻蝕反應(yīng)室內(nèi)，溫度可升到200，這樣的溫度可把光刻膠烘焙到一個難于從晶園表面去除的狀態(tài)，還有就是高溫下光刻膠的流動傾向會使圖形變差。第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 349.7 光刻膠的去除光刻膠的去除 刻蝕工藝完成后，作為刻蝕阻擋層的光刻膠已經(jīng)完成任務(wù)，必須從表面去掉。傳統(tǒng)的方法是用濕法化學工藝去除，盡管有一些問題，濕法去除在前線工藝還是經(jīng)常采用的一種方法（特

22、別是硅片表面和MOS柵極暴露并易于受到等離子體中氧氣離子的損傷）。 另一種是干法的等離子體去除，在后線工藝中經(jīng)常采用（此時硅片和MOS柵極已經(jīng)被絕緣和金屬層覆蓋）。 濕法去除有許多不同的化學品被由于去除工藝，其選擇依據(jù)是晶園表層、產(chǎn)品考慮、光刻膠極性和光刻膠的狀態(tài)（見下圖）。第九章 基本光刻工藝- 從曝光到最終檢驗 35濕法光刻膠去除表n優(yōu)點：優(yōu)點：成本有效性好；可有效去除金屬離子；低 溫工藝并且不會將晶園暴露于可能的損傷 性輻射。去除劑化學品去膠溫度（?C金屬化表面氧化物光刻膠極性酸：硫酸氧化劑+ 有機酸鉻硫酸溶液/溶液：NMP/AlkanolamineDMSO/MonothanolamineDMAC/DiethanolamineHydroxylamine (HDA)125 90110 20 95 95 100 65X X X X X X X X+/- +/- +/- + + + +第九章 基本光刻工藝-