集成電路光刻工藝

1、集成電路光刻工藝第1頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四2一、光刻的定義：光刻是一種圖形復(fù)印和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的精密表面加工技術(shù)。二、光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金屬薄膜上面刻蝕出與掩膜版完全對應(yīng)的幾何圖形，從而實(shí)現(xiàn)選擇性擴(kuò)散和金屬薄膜布線的目的。第2頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四3三、工藝流程：以負(fù)膠為例來說明這八個步驟，一般可分為：打底膜-涂膠-前烘-曝光-顯影- 后烘-腐蝕-去膠。第3頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四4打底膜（六甲基二硅亞胺HMDS）六甲基二硅亞胺HMDS反應(yīng)機(jī)理SiO2SiO2OHOH(CH3

2、) 3SiNHSi(CH3) 3O-Si(CH3) 3O-Si(CH3) 3+NH3第4頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四5第5頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四6第6頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四7曝光有多種方法：光學(xué)曝光就可分為接觸式、接近式、投影式、直接分步重復(fù)曝光。此外，還有電子束曝光和X射線曝光等。曝光時間、氮?dú)忉尫?、氧氣、駐波和光線平行度都是影響曝光質(zhì)量曝光方法第7頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四8第8頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四9第9頁，共41頁，2022年，

3、5月20日，1點(diǎn)28分，星期四102 光刻質(zhì)量要求與分析一、光刻的質(zhì)量要求： 光刻的質(zhì)量直接影響到器件的性能，成品率和可靠性。對其有如下要求，刻蝕的圖形完整性好，尺寸準(zhǔn)確，邊緣整齊，線條陡直；圖形內(nèi)無針孔，圖形外無小島，不染色；硅片表面清潔，無底膜；圖形套刻準(zhǔn)確。第10頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四11光刻膠的質(zhì)量和放置壽命(6個月).顆粒0.2 m, 金屬離子含量很少化學(xué)穩(wěn)定, 光/熱穩(wěn)定度粘度第11頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四12二、光刻的質(zhì)量分析：（1）影響分辨率的因素：A、光刻掩膜版與光刻膠的接觸;B、曝光光線的平行度;C、掩膜版的

4、質(zhì)量和套刻精度直接影響光刻精度;D、小圖形引起逛衍射;E、光刻膠膜厚度和質(zhì)量的影響：F、曝光時間的影響：第12頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四13（2）針孔（3）小島（4）浮膠（5）毛刺、鉆蝕G、襯底反射影響：H、顯影和刻蝕的影響：第13頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四143 光刻膠光刻膠的分類和光刻膠的質(zhì)量要求。一、正膠和負(fù)膠：根據(jù)光刻膠在曝光前后溶解特性的變化，可將分為正膠和負(fù)膠。正膠：曝光前不可溶，曝光后 可溶負(fù)膠：曝光前 可溶，曝光后不可溶第14頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四15二、光刻膠的感光機(jī)理聚乙烯醇肉桂酸

5、酯 KPR膠的光交聯(lián)(聚合)第15頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四161.負(fù)性膠由光產(chǎn)生交聯(lián)常用負(fù)膠有聚肉桂酸酯類、聚酯類和聚烴類,2.正性膠由光產(chǎn)生分解膠襯底膠襯底膠襯底掩膜曝光膠襯底顯影負(fù)膠正膠第16頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四17聚乙烯醇肉桂酸酯 KPR常用負(fù)膠有聚肉桂酸酯類、聚酯類和聚烴類第17頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四18DNQ-酚醛樹脂光刻膠的化學(xué)反應(yīng)(光活潑化合物)O=S=OORO=S=OORN2oo(1)(2)h-N2重新排列O=S=OORO=S=OORcoOHco(4)(3)+H2O第18頁，共

6、41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四19（1）感光度 （2）分辨率（3）抗蝕性（4）粘附性（5）針孔密度（6）留膜率（7）性能穩(wěn)定三、光刻膠的性能指標(biāo)第19頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四20第20頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四214 光刻技術(shù)簡介紫外光為光源的曝光方式:接觸式曝光、接近式曝光、投影式曝光三種其他曝光方式:X射線曝光、電子束曝光、直接分步重復(fù)曝光、深紫外線曝光。第21頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四22一、接觸式曝光由于掩膜版與硅片相接觸磨損，是掩膜版的壽命降低。第22頁，共41頁，2022

7、年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四23接近式曝光是以犧牲分辨率來延長了掩膜版的壽命大尺寸和小尺寸器件上同時保持線寬容限還有困難。另外，與接觸式曝光相比，接近式曝光的操作比較復(fù)雜。二、接近式曝光第23頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四24避免了掩膜版與硅片表面的摩擦，延長了掩膜版的壽命。掩膜版的尺寸可以比實(shí)際尺寸大得多，克服了小圖形制版的困難。消除了由于掩膜版圖形線寬過小而產(chǎn)生的光衍射效應(yīng)，以及掩膜版與硅片表面接觸不平整而產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象。三、投影式曝光第24頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四25投影式曝光雖有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于光刻設(shè)備中許多鏡頭需要特制

8、，設(shè)備復(fù)雜第25頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四26四、X射線曝光（420埃）基本要求：一、材料的形變小，這樣制成的圖形尺寸及其相對位置的變化可以忽略。二、要求掩膜襯底材料透X光能力強(qiáng)，而在它上面制作微細(xì)圖形的材料透X光能力差，這樣在光刻膠上可獲得分辨率高的光刻圖形。第26頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四27第27頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四28五、電子束曝光 電子束曝光的特點(diǎn)：電子束曝光的精度較高。電子束的斑點(diǎn)可以聚焦的很小，而且聚焦的景深很深，可用計算機(jī)控制，精度遠(yuǎn)比肉眼觀察要高。電子束曝光改變光刻圖形十分簡便。電

9、子束曝光機(jī)是把各次曝光圖形用計算機(jī)設(shè)計圖形就只要重新編程。 第28頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四29電子束曝光不要掩膜版。電子束曝光設(shè)備復(fù)雜，成本較高。制作掩膜版第29頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四30第30頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四31三個獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1）它是通過縮小投影系統(tǒng)成像的，因而可以提高分辨率。用這種方法曝光，分辨率可達(dá)到11.5微米；（2）不要1:1精縮掩膜，因而掩膜尺寸大，制作方便。由于使用了縮小透鏡，原版上的塵埃、缺陷也相應(yīng)的縮小，因而減小了原版缺陷的影響；六、直接分步重復(fù)曝光第31頁，共41頁

10、，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四32分步重復(fù)曝光光學(xué)原理圖第32頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四33（3）由于采用了逐步對準(zhǔn)技術(shù)可補(bǔ)償硅片尺寸的變化，提高了對準(zhǔn)精度。逐步對準(zhǔn)的方法 也可以降低對硅片表面平整度的要求。第33頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四34七、深紫外線曝光 “深紫外光”大致定義為180nm到330nm間的光譜能量。它進(jìn)一步分為三個光帶：200nm到260nm；260nm到285nm以及285nm到315nm。第34頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四35幾種實(shí)用的光刻膠配方。PMMA對210nm到

11、260nm的紫外光有感光性，感光性最佳的紫外光光譜約為220nm；PMIK的紫外光感光光譜為220nm到330nm，峰值光譜約為190nm和285nm。第35頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四36AZ240系列光刻膠的感光光譜為240nm到310nm，峰值光譜約為248nm、300nm、315nm。ODVR系列光刻膠的感光光譜為200nm到315nm，峰值光譜為230nm、280nm、300nm。第36頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四37第37頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四38遠(yuǎn)紫外光作為曝光方法通常有兩種：對準(zhǔn)曝光和泛光曝光(不必對準(zhǔn))。泛光曝光：該工藝又被稱為“多層抗蝕劑技術(shù)”，它同時使用深紫外光和標(biāo)準(zhǔn)紫外光的抗蝕劑。深紫外光的抗蝕劑直接被甩到晶片上，填滿所有的空隙，留下平坦的表面。然后在上面甩上第二層膠。(第二層膠一般為正膠)。第38頁，共41頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四39上面一層的抗蝕劑在步進(jìn)光刻機(jī)用普通掩膜對準(zhǔn)方式曝光，然后顯影，這就會在深紫外光