半導(dǎo)體工藝課件

第八章光刻光刻：圖形由光刻版轉(zhuǎn)移到光刻膠上！光刻次數(shù)和光刻版?zhèn)€數(shù)表征了工藝的難易決定了特征尺寸起源于印刷技術(shù)中的照相制版。第八章光刻光刻：圖形由光刻版轉(zhuǎn)移到光刻膠上！1光刻的目的

光刻工藝首先是在晶園表面建立盡可能接近設(shè)計(jì)規(guī)則中所要求尺寸的圖形，其次是在晶園表面正確定位圖形。光刻的目的2

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園表面一層一層疊加建立起來(lái)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。除了對(duì)特征圖形尺寸和圖形對(duì)準(zhǔn)的控制，在工藝過(guò)程中的缺陷水平的控制也同樣是非常重要的。光刻操作步驟的數(shù)目之多和光刻工藝層的數(shù)量之大，所以光刻工藝是一個(gè)主要的缺陷來(lái)源。因?yàn)樽罱K的圖形是用多個(gè)掩膜版按照特定3VLSI對(duì)光刻的要求高分辨率：集成度越高，特征尺寸越小，要求光學(xué)系統(tǒng)分辨率越高；高靈敏度：曝光時(shí)間越短越好；套刻精度：套刻誤差應(yīng)小于特征尺寸的10%；大尺寸硅片加工：膨脹系數(shù)；低缺陷VLSI對(duì)光刻的要求高分辨率：集成度越高，特征尺寸越小，要求4光刻工藝流程去水烘烤（Dehydration）>涂膠（Priming）>軟烤（SoftBake）>曝光（Exposure）>烘烤（Bake）>顯影（Develop）>硬烤（HardBake）>腐蝕（Etch）>去膠（Photoresiststrip）正光刻膠：光致不抗蝕負(fù)光刻膠：光致抗蝕光刻工藝流程去水烘烤（Dehydration）>涂膠（Pri5

Transferofapatterntoaphotosensitivematerial

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a)Patterndefinitioninpositiveresist,b)Patterndefinitioninnegativeresista)Patterndefinitioninposi7

a)Patterntransferfrompatternedphotoresisttounderlyinglayerbyetching,b)Patterntransferfrompatternedphotoresisttooverlyinglayerbylift-off.a)Patterntransferfrompatt8

如果掩膜版的圖形是由不透光的區(qū)域決定的，稱(chēng)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)在晶園表面留下凸起的圖形。暗場(chǎng)掩膜版主要用來(lái)制作反刻金屬互聯(lián)線。如果掩膜版的圖形是由不透光的區(qū)域決定的9

剛才介紹了對(duì)光有負(fù)效應(yīng)的光刻膠，稱(chēng)為負(fù)性膠。同樣還有對(duì)光有正效應(yīng)的光刻膠，稱(chēng)為正膠。用正性膠和亮場(chǎng)掩膜版在晶園表面建立凸起圖形的情況如圖8.7所示。

右圖顯示了用不同極性的掩膜版和不同極性的光刻膠相結(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(lái)選擇光刻膠和掩膜版極性的。剛才介紹了對(duì)光有負(fù)效應(yīng)的光刻膠，稱(chēng)為10光刻膠的組成光刻膠由4種成分組成：聚合物溶劑感光劑添加劑光刻膠的組成11

正性膠的基本聚合物是苯酚－甲醛聚合物，也稱(chēng)為苯酚－甲醛樹(shù)脂。如圖所示。在光刻膠中聚合物是相對(duì)不可溶的，用適當(dāng)能量的光照后變成可溶狀態(tài)。這種反應(yīng)稱(chēng)為光溶解反應(yīng)。正性膠的基本聚合物是苯酚－甲醛聚合物12正膠和負(fù)膠的比較

在工藝發(fā)展的早期，負(fù)膠一直在光刻工藝中占主導(dǎo)地位，隨著VLSIIC和2～5微米圖形尺寸的出現(xiàn)，負(fù)膠已不能滿(mǎn)足要求。隨后出現(xiàn)了正膠，但正膠的缺點(diǎn)是粘結(jié)能力差。用正膠需要改變掩膜版的極性，這并不是簡(jiǎn)單的圖形翻轉(zhuǎn)。因?yàn)橛醚谀ぐ婧蛢煞N不同光刻膠結(jié)合，在晶園表面光刻得到的尺寸是不一樣的（見(jiàn)下圖）由于光在圖形周?chē)难苌湫?yīng)，使得用負(fù)膠和亮場(chǎng)掩膜版組合在光刻膠層上得到的圖形尺寸要比掩膜版上的圖形尺寸小。用正膠和暗場(chǎng)掩膜版組合會(huì)使光刻膠層上的圖形尺寸變大。正膠和負(fù)膠的比較13（a）亮場(chǎng)掩膜版和負(fù)膠組合

圖形尺寸變?。╞）暗場(chǎng)掩膜版和正膠組合

圖形尺寸變大（a）亮場(chǎng)掩膜版和負(fù)膠組合14正膠成本比負(fù)膠高，但良品率高；負(fù)膠所用的顯影劑容易得到，顯影過(guò)程中圖形尺寸相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)于要求高的制作工藝選擇正膠，而對(duì)于那些圖形尺寸大于2微米的工藝還是選擇負(fù)膠。圖正膠成本比負(fù)膠高，但良品率高；15涂膠涂膠16

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、表面張力和國(guó)光刻膠的干燥性來(lái)決定的。

17階梯覆蓋度隨著晶園表面上膜層的不斷增加，表面不再是完全平坦化的，如圖所示。

所以要求光刻膠必須具有良好的階梯覆蓋特性。階梯覆蓋度18

光刻膠覆蓋光刻膠覆蓋19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(guò)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)。但和晶園的粘結(jié)更加牢固。

時(shí)間和溫度是軟烘焙的參數(shù)，不完全的烘焙在曝光過(guò)程中造成圖像形成不完整和在刻蝕過(guò)程中造成多余的光刻膠漂移；過(guò)分烘焙會(huì)造成光刻膠中的聚合物產(chǎn)生聚合反應(yīng)，并且不與曝光射線反應(yīng)。

負(fù)膠必須在氮?dú)庵羞M(jìn)行烘焙，而正膠可以在空氣中烘焙。軟烘焙20下表總結(jié)了不同的烘焙方式。下表總結(jié)了不同的烘焙方式。21曝光光源

普通光源光的波長(zhǎng)范圍大，圖形邊緣衍射現(xiàn)象嚴(yán)重，滿(mǎn)足不了特征尺寸的要求。所以作為晶園生產(chǎn)用的曝光光源必須是某一單一波長(zhǎng)的光源；另外光源還必須通過(guò)反射鏡和透鏡，使光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)化成一束平行光，這樣才能保證特征尺寸的要求。最廣泛使用的曝光光源是高壓汞燈，它所產(chǎn)生的光為紫外光（UV），為獲得更高的清晰度，光刻膠被設(shè)計(jì)成只與汞燈光譜中很窄一段波長(zhǎng)的光（稱(chēng)為深紫外區(qū)或DUV）反應(yīng)。除自之外，現(xiàn)今用的光源還有：準(zhǔn)分子激光器、X射線和電子束。曝光光源22接觸式曝光接觸式曝光23投影式曝光投影式曝光24X射線曝光X射線曝光25對(duì)準(zhǔn)法則

第一次光刻只是把掩膜版上的Y軸與晶園上的平邊成90o，如圖所示。接下來(lái)的掩膜版都用對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記與上一層帶有圖形的掩膜對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記是一個(gè)特殊的圖形（見(jiàn)圖），分布在每個(gè)芯片圖形的邊緣。經(jīng)過(guò)光刻工藝對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記就永遠(yuǎn)留在芯片表面，同時(shí)作為下一次對(duì)準(zhǔn)使用。對(duì)準(zhǔn)法則26