光刻工藝概述課件

1、 *1第8章 光刻工藝概述8.1 光刻技術(shù)的發(fā)展8.2 光刻工藝流程8.3 光刻技術(shù) *28.1 光刻技術(shù)的發(fā)展8.1.1 集成電路制造工藝流程回顧2、將硅片進(jìn)行拋光以除去硅片表面的劃傷和其它雜質(zhì)，制備成一片近乎完整的硅襯底片。 1、將一個(gè)純度為99.9999%的硅單晶棒切成硅片。 *38.1 光刻技術(shù)的發(fā)展3、將硅片進(jìn)行化學(xué)處理以便制備可以控制晶體管電流的源區(qū)和漏區(qū)。在硅片上涂上一層稱為感光膠的光敏性材料膜。 *48.1 光刻技術(shù)的發(fā)展4、對(duì)涂有感光膠的硅片，用分步重復(fù)曝光機(jī)的設(shè)備，通過掩膜板進(jìn)行重復(fù)曝光。它能將芯片圖形分步重復(fù)的曝光在整個(gè)硅片上。這種重復(fù)曝光過程與復(fù)印負(fù)性照片的過程相似。在

2、顯影過程中曝過光的區(qū)域感光膠留了下來，未曝過光的膠層被清除掉了。 *58.1 光刻技術(shù)的發(fā)展、摻雜雜質(zhì)的原子如硼、砷等可以用注入技術(shù)來摻雜入硅原子中去，然后用熱退火的方法使注入離子“活化”。感光膠層能阻擋雜質(zhì)離子的注入，離子注入后的膠層可以用移膠的辦法把它去掉，當(dāng)要在硅片的其它區(qū)域摻雜別的雜質(zhì)時(shí)，可以重復(fù)使用離子注入工藝。在隨后的幾道工藝中，還會(huì)多次用圖形制備工藝（光刻工藝），但感光膠層這時(shí)可用作腐蝕掩膜用。 *78.1 光刻技術(shù)的發(fā)展7、制備工藝的其它部分是將晶體管的柵極、源極、漏極之間和對(duì)其它元件、對(duì)外部的連線用金屬膜作連線將它們連起來。二氧化硅層是一種介質(zhì)層，也是一種絕緣層，是用化學(xué)汽淀

3、積(CVD)方法形成的，在CVD方法中所含某種材料的原子與淀積的受熱硅片的表面發(fā)生反應(yīng)，形成某種材料的固體薄膜。PVD又稱濺射技術(shù)，是氣體離子受電場(chǎng)加速并轟擊靶材，使它的原子脫離靶材并濺落和積累在硅片上。 *88.1 光刻技術(shù)的發(fā)展8、第3、4和5步工藝會(huì)反復(fù)多次使用，使SiO2層、金屬層和其它材料層形成圖形，以往成完整的電路設(shè)計(jì)。金屬層（通常是鋁和銅）是用CVD或PVD方法淀積的，經(jīng)曝光光刻、腐蝕等工藝后形成薄的金屬連線。對(duì)于復(fù)雜的芯片有時(shí)還要求用多金屬層和通常所稱的通孔進(jìn)行垂直連線來形成復(fù)雜的芯片連線。 *108.1 光刻技術(shù)的發(fā)展8.1.2 光刻技術(shù)基本原理 光刻是現(xiàn)代IC制造業(yè)的基石，

4、它能在硅片襯底上印制出亞微米尺寸的圖形。 基本原理：將對(duì)光敏感的光刻膠旋涂在晶圓上，在表面形成一層薄膜，同時(shí)使用光刻版，版上包含著所要制作的特定層的圖形信息，光源透過光刻版照射到光刻膠上，使得光刻膠選擇性的曝光；接著對(duì)光刻膠顯影，于是就完成了從版到硅片的圖形轉(zhuǎn)移。 另外，剩余的光刻膠可以在下面的過程中，刻蝕或離子技術(shù)中，充當(dāng)掩蔽層。 *118.1 光刻技術(shù)的發(fā)展超大規(guī)模集成電路及SoC對(duì)光刻技術(shù)的要求高分辨率 隨著集成電路集成度的不斷提高，加工的線條越來越精細(xì)。在保證一定成品率前提下刻蝕出的最細(xì)光刻線條稱為特征尺寸，特征尺寸反映了光刻水平的高低，同時(shí)也是集成電路生產(chǎn)線水平的重要標(biāo)志。 *128

5、.1 光刻技術(shù)的發(fā)展高靈敏度的光刻膠 光刻膠的靈敏度通常是指光刻膠的感光速度。在集成電路工藝中，為了提高產(chǎn)品產(chǎn)量，希望曝光速度越快越好。 *148.1 光刻技術(shù)的發(fā)展精密的套刻對(duì)準(zhǔn) 因?yàn)樽罱K的圖形是用多個(gè)掩膜版按照特定的順序在晶圓表面一層一層疊加建立起來的。圖形定位的要求就好像是一幢建筑物每一層之間所要求的正確對(duì)準(zhǔn)。如果每一次的定位不準(zhǔn)，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路失效。 *15PMOSFETNMOSFETCross section of CMOS inverterTop view of CMOS inverterThe masking layers determine the accuracy by w

6、hich subsequent processes can be performed. The photoresist mask pattern prepares individual layers for proper placement, orientation, and size of structures to be etched or implanted. Small sizes and low tolerances do not provide much room for error. *178.2 基本光刻工藝流程 其次，把圖形從光刻膠層轉(zhuǎn)移到晶圓上。這一步是通過不同的刻蝕方法把

7、晶圓上沒有被光刻膠保護(hù)的部分的薄膜層去掉。這時(shí)圖形轉(zhuǎn)移就徹底完成了。如圖所示。 *184:1 Reticle1:1 Mask投影掩模版(Reticle):石英板，包含了在晶圓上重復(fù)生成的圖形。由一個(gè)晶體管或多個(gè)晶體管組成。光掩模版（Mask），也是石英板，包含了對(duì)于整塊硅片某一工藝層上所有晶體管加工信息。 *19LinewidthSpaceThicknessSubstratePhotoresist *208.2 基本光刻工藝流程 如果掩膜版的圖形是由不透光的區(qū)域決定的，稱其為亮場(chǎng)掩膜版；而在一個(gè)暗場(chǎng)掩膜版中，掩膜版上的圖形是用相反的方式編碼的，如果按照同樣的步驟，就會(huì)在晶圓表面留下凸起的圖形（

8、？）。 暗場(chǎng)掩膜版主要用來制作反刻金屬互聯(lián)線。 *21亮場(chǎng)掩模版和暗場(chǎng)掩模版Simulation of contact holes(positive resist lithography)Simulation of metal interconnect lines(positive resist lithography)Clear Field MaskDark Field Mask *228.2 基本光刻工藝流程 剛才介紹了對(duì)光有負(fù)效應(yīng)的光刻膠，稱為負(fù)膠。同樣還有對(duì)光有正效應(yīng)的光刻膠，稱為正膠。用正膠和亮場(chǎng)掩膜版在晶圓表面建立凸起圖形的情況如圖所示。 右圖顯示了用不同極 性的掩膜版和不同極 性

9、的光刻膠相結(jié)合而 產(chǎn)生的結(jié)果。通常是 根據(jù)尺寸控制的要求 和缺陷保護(hù)的要求來 選擇光刻膠和掩膜版 極性的。 *24正性光刻photoresistsilicon substrateoxideoxidesilicon substratephotoresistUltraviolet lightIslandAreas exposed to light are dissolved.Resulting pattern after the resist is developed.Shadow on photoresistExposed area of photoresistChrome island on

10、glass maskWindowSilicon substratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSilicon substrate *25正性光刻和負(fù)性光刻的區(qū)別負(fù)性光刻：產(chǎn)生和掩模版相反的圖形正性光刻：產(chǎn)生和掩模版相同的圖形Desired photoresist structure to be printed on wafer WindowSubstrateIsland of photoresistQuartzChromeIslandMask pattern required when using negative photoresist (opposite

11、 of intended structure)Mask pattern required when using positive photoresist (same as intended structure) *278) Develop inspect5) Post-exposure bake6) Develop7) Hard bakeUV LightMask4) Alignment and ExposureResist2) Spin coat3) Soft bake1) Vapor primeHMDS *28光刻軌道系統(tǒng) *298.3 光刻技術(shù)8.3.1 表面準(zhǔn)備 為確保光刻膠能和晶圓表面

12、很好粘結(jié)，必須進(jìn)行表面處理，包括三個(gè)階段：微粒清除、脫水和涂底膠。 *308.3 光刻技術(shù)微粒清除 雖然光刻前的每一步工藝（氧化、摻雜等）都是在清潔區(qū)域完成的，但晶圓表面有可能吸附一些顆粒狀的污染物，所以必須給以清除。微粒清除方法見下圖 *31Resist liftoff *328.3 光刻技術(shù)脫水烘焙 經(jīng)過清潔處理后的晶圓表面可能會(huì)含有一定的水分（親水性表面），所以必須脫水烘焙使其達(dá)到清潔干燥（憎水性表面），以便增加光刻膠和晶圓表面的黏附能力。 *338.3 光刻技術(shù)保持憎水性表面通常通過下面兩種方法： 一是保持室內(nèi)溫度在50以下，并且在晶圓完成前一步工藝之后盡可能快的進(jìn)行涂膠。 另一種方法

13、是把晶圓存儲(chǔ)在用干燥并且干凈的氮?dú)鈨艋^的干燥器中。 *348.3 光刻技術(shù) 除此之外，通過加熱也可以使晶圓表面恢復(fù)到憎水表面。有三種溫度范圍： 150200（低溫），此時(shí)晶圓表面會(huì)被蒸發(fā)。 到了400（中溫）時(shí)，與晶圓表面結(jié)合較松的水分子會(huì)離開。 當(dāng)超過750（高溫）時(shí)，晶圓表面從化學(xué)性質(zhì)上講恢復(fù)到了憎水性條件。 通常采用低溫烘焙，原因是操作簡單。 *358.3 光刻技術(shù)涂底膠 涂底膠的目的是進(jìn)一步保證光刻膠和晶圓表面的粘結(jié)能力。底膠的選擇必須保證一個(gè)很好的黏附和平滑的表面。 底膠的作用是從化學(xué)上把晶圓表面的水分子系在一起，因此增加了表面的黏附能力。 方法有：沉浸式 旋轉(zhuǎn)式 蒸汽式 各有優(yōu)缺

14、點(diǎn)，使用時(shí)根據(jù)具體情況選擇。 *368.3 光刻技術(shù)一般的材料： 六甲基乙硅氮烷（hexa-methyl-disilazane,簡稱HMDS）。 以SiO2為例，HDMS的作用是去掉其表面的-OH基。HMDS首先與表面的水反應(yīng)，生成氣態(tài)的NH3和O2,形成脫水表面，然后在加熱的情況下和O2反應(yīng)，形成三甲基甲硅烷（SiCH33）的氧化物，附著在SiO2表面，形成疏水表面 *378.3 光刻技術(shù)六甲基二硅亞胺HMDS反應(yīng)機(jī)理SiO2SiO2OHOH(CH3) 3SiNHSi(CH3) 3O-Si(CH3) 3O-Si(CH3) 3+NH3 *38Process Summary:晶圓放置在真空工藝腔

15、內(nèi)大致5ml 光刻膠慢速旋轉(zhuǎn) 500 rpm逐漸增至 3000 to 5000 rpm注意控制:timespeedthicknessuniformityparticles and defectsVacuum chuckSpindle connected to spin motorTo vacuum pumpPhotoresist dispenser *39WaferExhaustHot plateChamber coverProcess Summary:在帶有抽氣的密閉腔內(nèi)去濕烘焙六甲基二硅胺脘 (HMDS) 清洗并干燥硅片表面Temp 200 to 250CTime 60 sec. *408

16、.3 光刻技術(shù)8.3.2 涂光刻膠 目的是在晶圓表面建立薄而均勻并且沒有缺陷的光刻膠膜。要做到這一點(diǎn)必須用精良的設(shè)備和嚴(yán)格的工藝控制才能達(dá)到。 厚度：0.51.5m，均勻性：0.01m 常用方法：旋轉(zhuǎn)涂膠法 分手動(dòng)，半自動(dòng)，全自動(dòng) *418.3 光刻技術(shù)靜態(tài)涂膠工藝 首先把光刻膠通過管道堆積在晶圓的中心，堆積量由晶圓大小和光刻膠的類型決定，堆積量非常關(guān)鍵，量少了會(huì)導(dǎo)致涂膠不均勻，量大了會(huì)導(dǎo)致晶圓邊緣光刻膠的堆積甚至流到背面。 *428.3 光刻技術(shù)靜態(tài)旋轉(zhuǎn)工藝 光刻膠膜的最終厚度是由光刻膠的粘度、旋轉(zhuǎn)速度、表面張力和光刻膠的干燥性來決定的。 *438.3 光刻技術(shù)光刻膠覆蓋 *448.3 光刻

17、技術(shù)動(dòng)態(tài)噴灑 隨著晶圓直徑越來越大，靜態(tài)涂膠已不能滿足要求，動(dòng)態(tài)噴灑是晶圓以500rpm的速度低速旋轉(zhuǎn)，其目的是幫助光刻膠最初的擴(kuò)散，用這種方法可以用較少量的光刻膠而達(dá)到更均勻的光刻膠膜。待擴(kuò)散后旋轉(zhuǎn)器加速完成最終要求薄而均勻的光刻膠膜。 *458.3 光刻技術(shù) *468.3 光刻技術(shù)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)器 自動(dòng)系統(tǒng)如圖所示，包含了晶圓表面處理、涂底膠 和涂光刻膠 的全部過程， 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng) 配置就是一 條流水線。 *478.3 光刻技術(shù) *488.3 光刻技術(shù) *493) Spin-off4) Solvent evaporation1) Resist dispense2) Spin-up *50旋轉(zhuǎn)涂膠設(shè)備 *518.3 光刻技術(shù)8.3.4 軟烘焙 因?yàn)楣饪棠z是一種粘稠體，所以涂膠結(jié)束后并不能直接進(jìn)行曝光，必須經(jīng)過烘焙，使光刻膠中的溶劑蒸發(fā)。烘焙后的光刻膠仍然保持“軟”狀態(tài)。但和晶圓的粘結(jié)更加牢固。 *52軟烘原因?qū)⒐杵细采w的光刻膠溶劑去除增強(qiáng)光刻膠的黏附性緩和在旋轉(zhuǎn)過程中光刻膠膠膜內(nèi)的應(yīng)力防止光刻膠沾到設(shè)備上 *53旋轉(zhuǎn)涂膠之前，光刻膠包含65%到85%的溶劑。旋轉(zhuǎn)涂膠后，仍有