光刻工藝流程論文

1、集成電路制造工藝光刻工藝流程作者：張少軍陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院 電子*班24號 710300摘要：光刻(photoetching)是通過一系列生產(chǎn)步驟將晶圓表面薄膜的特定部分除去的工藝，在此之后，晶圓表面會留下帶有微圖形結(jié)構(gòu)的薄膜。被除去的部分可能形狀是薄膜內(nèi)的孔或是殘留的島狀部分。 關(guān)鍵詞：光刻膠；曝光；烘焙；顯影；前景Abstract: photoetching lithography (is) through a series of steps will produce wafer surface film of certain parts of the process,

2、 remove after this, wafer surface will stay with the film structure. The part can be eliminated within the aperture shape is thin film or residual island.Keywords: the photoresist, Exposure; Bake; Enhancement; prospects1基本光刻工藝流程從表面準備到曝光1.1光刻十步法表面準備涂光刻膠軟烘焙對準和曝光顯影硬烘焙顯影目測刻蝕光刻膠去除最終目檢。1.2基本的光刻膠化學(xué)物理屬性 1.2

3、.1組成聚合物+溶劑+感光劑+添加劑,普通應(yīng)用的光刻膠被設(shè)計成與紫外線和激光反應(yīng)，它們稱為光學(xué)光刻膠（optical resist），還有其它光刻膠可以與X射線或者電子束反應(yīng)。負膠：聚合物曝光后會由非聚合態(tài)變?yōu)榫酆蠣顟B(tài)，形成一種互相粘結(jié)的物質(zhì)，抗刻蝕的，大多數(shù)負膠里面的聚合物是聚異戊二烯類型的，早期是基于橡膠型的聚合物。正膠：其基本聚合物是苯酚-甲醛聚合物，也稱為苯酚-甲醛Novolak樹脂，聚合物是相對不可溶的，在用適當?shù)墓饽芰科毓夂?，光刻膠轉(zhuǎn)變成可溶狀態(tài)。1.2.2光刻膠的表現(xiàn)要素分辨率：resolution capability、縱橫比-aspect ratio（光刻膠厚度與圖形打開尺寸

4、的比值、正膠一般比負膠有更高的縱橫比）。粘結(jié)能力：負膠的粘結(jié)能力通常比正膠強一些。曝光速度、靈敏性和曝光源：反應(yīng)速度越快，在光刻蝕區(qū)域晶圓的加工速度越快；靈敏性是與導(dǎo)致聚合或者光溶解發(fā)生所需要的能量總和相關(guān)的；波長越短的射線能量越高。工藝寬容度：工藝維度越寬，在晶圓表面達到所需要尺寸的可能性就越大。針孔：針孔是光刻膠層尺寸非常小的空穴，光刻膠層越薄，針孔越多，典型的權(quán)衡之一；微粒和污染水平、階梯覆蓋度和熱流程。1.2.3正膠和負膠的比較直到20世紀70年代中期，負膠一直在光刻工藝中占主導(dǎo)地位，到20世紀80年代，正膠逐漸被接受。兩者相比優(yōu)缺點如下：正膠的縱橫比更高、負膠的粘結(jié)力更強曝光速度更快

5、、正膠的針孔數(shù)量更好階梯覆蓋度更好，但成本更高、正膠使用水溶性溶劑顯影而負膠使用有機溶劑顯影。 1.2.4光刻膠的物理屬性固體含量：solid content 一般在20%-40%。粘度：測試方法有落球粘度計量器、Ostwalk-Cannon-Fenske方法、轉(zhuǎn)動風向標法、粘度單位是厘泊（centipoise），另一種單位稱為kinematic粘度，它是centistoke，由 粘度（厘泊）除以光刻膠密度而得到，默認溫度為25度。折射系數(shù)：index of refraction，對于光刻膠其折射率和玻璃接近約為1.45。儲存與控制： 光熱敏感度、粘性敏感度、清潔度1.3光刻工藝剖析 1.3.

6、1表面準備微粒清除：高壓氮氣吹除、化學(xué)濕法清洗、旋轉(zhuǎn)刷刷洗、高壓水流。脫水烘焙：低溫烘焙（150200），憎水性-hydrophobic  親水性-hydrophilic晶圓涂底膠：HMDS（六甲基乙硅烷） 沉浸式涂底膠、旋轉(zhuǎn)式涂底膠、蒸氣式涂底膠。 1.3.2涂光刻膠普通的光刻膠涂膠方法有三種：刷法、滾轉(zhuǎn)方法和浸泡法，IC封裝用光刻膠的涂布方法如下：靜態(tài)涂膠工藝、動態(tài)噴灑、移動手臂噴灑、手動旋轉(zhuǎn)器、自動旋轉(zhuǎn)器、背面涂膠。 1.3.3軟烘焙熱傳遞的三種方式：傳導(dǎo)、對流和輻射；常用的軟烘焙加熱方式如下：對流烘箱、手工熱板、內(nèi)置式單片晶圓加熱板、移動帶式熱板、 移動帶式紅外烘箱、微波烘焙

7、、真空烘焙。1.3.4對準和曝光（A&E）對準系統(tǒng)的性能表現(xiàn)：對準系統(tǒng)包含兩個主要子系統(tǒng)、一個是要把圖形在晶圓表面上準備定位，另一個是曝光子系統(tǒng)，包括一個曝光光源和一個將輻射光線導(dǎo)向晶圓表面上的機械裝置；對準與曝光系統(tǒng)：光學(xué)（接觸式、接近式、投影式、步進式），非光學(xué)（X射線、電子束）；曝光光源：高壓汞燈、準分子激光器、X射線及電子束。對準法則：第一個掩膜版的對準是把掩膜版上的Y軸與晶圓上的平邊成90°放置，接下來的掩膜都用對準標記（又稱靶）與上一層帶有圖形的掩膜對準。對準誤差稱為未對準（misalignment）。曝光后烘焙（PEB）：駐波是使用光學(xué)曝光和正性光刻膠時出現(xiàn)的問

8、題，一種減少駐波效應(yīng)的方法是在曝光后烘焙晶圓，PEB的時間和溫度的規(guī)格是烘焙方法、曝光條件以及光刻膠化學(xué)所決定的。2基本光刻工藝流程從曝光到最終檢驗2.1顯影通過對未聚合光刻膠的化學(xué)分解來使圖案顯影，顯影技術(shù)被設(shè)計成使之把完全一樣的掩膜版圖案復(fù)制到光刻膠上。2.1.1負光刻膠顯影二甲苯或stoddart溶劑顯影，n-丁基醋酸鹽沖洗。 2.1.2正光刻膠顯影堿（氫氧化鈉或氫氧化鉀）+水溶液、或疊氮化四甲基銨氫氧化物的溶液（TMAH）。2.1.3濕法顯影沉浸-增加附屬方法提高顯影工藝，機械攪動、超聲波或磁聲波等；噴射-對負膠而言是標準工藝，對溫度敏感的正膠卻不是很有效，隔熱冷卻（adiabatic

9、 cooling）；混凝-是用以獲得正膠噴射顯影工藝優(yōu)點的一種工藝變化；等離子去除浮渣-不完全顯影造成的一個特俗困難叫做浮渣（scumming），用氧等離子去除。 2.1.4干法（或等離子）顯影干法光刻膠顯影要求光刻膠化學(xué)物的曝光或未曝光的部分二者之一易于被氧等離子體去除，換言之圖案的部分從晶圓表面上氧化掉，一種DESIRE的干法顯影工藝會使用甲基硅烷和氧等離子體。2.2硬烘焙與軟烘焙一樣通過溶液的蒸發(fā)來固化光刻膠，常見工藝流程如下:顯影檢驗硬烘焙刻蝕；顯影/烘焙檢驗刻蝕；顯影/烘焙檢驗重新烘焙刻蝕；硬烘焙溫度的上限是以光刻膠流動點而定，高溫烘焙會產(chǎn)生邊緣線等不良現(xiàn)象。2.3顯影檢驗（deve

10、lop inspect  DI）目的是區(qū)分那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。晶圓被返回掩膜工藝稱為重新工藝處理（rework或redo）<10%  5%比較理想。2.3.1檢驗方法人工檢驗（1倍檢驗）、顯微鏡檢驗（隨機抽樣random sampling）、關(guān)鍵尺寸（Critical Dimension，CD）、自動檢驗。2.3.2顯影檢驗拒收的原因檢驗遵循“首先-不足”（first-fail  basis）原理，碎晶圓、劃傷、污染、小孔、MA、橋接、不完全顯影、光刻膠翹起、曝光不足、無光刻膠、光刻膠

11、流動、不正確的掩膜版、CD2.4刻蝕主要有濕法和干法刻蝕，兩種方法的主要目標是將光刻掩膜版上的圖案精確地轉(zhuǎn)移到晶圓的表面，其他刻蝕工藝的目標包括一致性、邊緣輪廓控制、選擇性、潔凈度和所有權(quán)成本最低化。2.4.1濕法刻蝕歷史上的刻蝕方法一直是使用液體刻蝕劑沉浸的技術(shù)，對于晶圓被刻蝕劑污染的擔憂由增加出口過濾器（point-of-use filter）來解決；不安完全刻蝕、過刻蝕（overetch）、各向異性刻蝕（anisotropic）、各向同性刻蝕（isotropic）、底切（undercutting）、選擇性（selectivity）。硅濕法刻蝕：硝酸加氫氟酸的混合水溶液，醋酸等可用來控制放

12、熱反應(yīng)。二氧化硅濕法刻蝕：基本的刻蝕劑是氫氟酸(HF)，實際中用49%的氫氟酸與水或氟化胺與水混合。氟化胺NH<INF/4F>來緩沖會加速刻蝕速率的氫離子的產(chǎn)生，這種刻蝕溶液稱為緩沖氧化物刻蝕（buffered oxide etche）或BOE。鋁膜濕法刻蝕：對于鋁和鋁合金有選擇性的刻蝕溶液是基于磷酸的（含有磷酸、硝酸、醋酸、水和濕化代理物16：1：1：2），可有效消除雪球（snow ball）等氣泡現(xiàn)象。淀積氧化物濕法刻蝕：（鋁膜上的二氧化硅鈍化膜），一般用BOE溶液刻蝕，但容易造成Brown或stain，受青睞的刻蝕劑是氟化胺和醋酸1：2的混合水溶液。氮化硅濕法刻蝕：180熱磷

13、酸溶液，一般光刻膠承受不了此溫度和刻蝕速率，改用干法。濕法噴射刻蝕：其主要優(yōu)點是噴射的機械壓力而增加了精確度、減小污染、可控性更強、工藝一致性更好，缺點在于成本以及壓力系統(tǒng)中有毒刻蝕劑的安全性和對機器老化性的考驗。蒸氣刻蝕：用HF蒸氣在密封的系統(tǒng)中進行（一種新的技術(shù)）。小尺寸濕法刻蝕的局限：濕法刻蝕局限于3微米以上的圖案尺寸；濕法刻蝕為各向同性刻蝕導(dǎo)致邊側(cè)形成斜坡；濕法刻蝕工藝要求沖洗和干燥步驟；液體化學(xué)品有毒害；濕法工藝具有潛在的污染；光刻膠粘結(jié)力的失效導(dǎo)致底切。2.4.2干法刻蝕（dry etching）等離子體、離子束打磨（刻蝕）和反應(yīng)離子刻蝕（RIE）等離子體刻蝕：桶形刻蝕機（barr

14、el etcher）、平面等離子刻蝕機、電子回旋加速器共振(ECR)、高密度反射電子、Helicon波、感應(yīng)耦合等離子（ICP）、變壓器耦合等離子體(TCP)等；等離子體系統(tǒng)的刻蝕率由系統(tǒng)設(shè)計和化學(xué)品兩個主要因素決定，其它因素是離子濃度和系統(tǒng)壓力；輻射損傷（對晶圓的輻射radiation或?qū)Φ入x子體plasma的損傷、非導(dǎo)體損耗dielectric wearout、下游等離子體downstream plasma）；選擇性是等離子體刻蝕工藝的一個主要的考慮事項，用于控制選擇性的4種方法是刻蝕氣體配比的選擇、刻蝕率、接近工藝結(jié)束時的氣體稀釋來減緩對下層的刻蝕、在系統(tǒng)中使用結(jié)束點探測器，其他關(guān)注的問

15、題還有：污染、殘余物、腐蝕以及所有權(quán)成本。離子束刻蝕：離子束刻蝕是一個物理工藝，動力傳輸（momentum transfer）、噴濺刻蝕（sputter etching）或離子打磨（ion milling）；材料的去除是非常有方向性（各向異性），導(dǎo)致良好的小開口區(qū)域的精密度，因為是物理工藝，離子打磨的選擇性差。反應(yīng)離子刻蝕（RIE）：結(jié)合了前二者的優(yōu)點，一個主要優(yōu)點是在刻蝕硅層上的二氧化硅層，RIE系統(tǒng)已成為用于最先進生產(chǎn)線中的刻蝕系統(tǒng)。2.5光刻膠的去除光刻膠去除劑被分成綜合去除劑和專用于正膠及負膠的去除劑，它們也根據(jù)晶圓表層類型被分成有金屬的和無金屬的。無金屬表面的濕法去除：硫酸和氧化劑溶

16、液（過氧化氫或過硫酸鹽胺）、硝酸做氧化劑。有金屬表面的濕法化學(xué)去除：酚有機去除劑、溶液/ 胺去除劑、特殊濕法去除劑。干法去膠：等離子場把氧氣激發(fā)到高能狀態(tài)，因而將光刻膠成分氧化為氣體由真空泵從反應(yīng)室吸走Ashing。離子注入后和等離子去膠：一般地用干法工藝來去除或減少光刻膠，然后加以濕法工藝。 2.6最終目檢與顯影檢測是一樣的規(guī)程，只是大多數(shù)的拒收是無法挽回的，在顯影目檢中應(yīng)已被區(qū)分并從批料中拿出的晶圓叫做“顯影目檢漏掉”（develop inspect escapes）。3高級光刻工藝3.1ULSI/VLSI集成電路圖形處理過程中存在的問題光學(xué)曝光設(shè)備的物理局限、光刻膠分辨率的限制、許多與晶

17、片表面有關(guān)的問題；使用光學(xué)光刻技術(shù)解析0.5微米和0.3微米的圖形需要對虛像（aerial images）有很好的控制，控制方法主要從三個方面入手：光學(xué)系統(tǒng)分辨率、光刻膠分辨率和晶片表面問題，第四個方面是刻蝕圖形定義問題。 3.2光學(xué)系統(tǒng)分辨率控制（光刻分辨率工藝路線圖）I線I線+ARII線+OAI/深紫外光/深紫外光+OAI或PSMI線+ OAI或PSM/深紫外光+ARI或OAII線+PSM/深紫外光+OAI或PSM深紫外光+PSM（最小分辨率減小，ARI環(huán)形燈光源、OAI偏軸光源、PSM相位偏移掩膜）。改進的曝光源：紫外光UV和深紫外光DUV，汞燈（I線365nm  H線405n

18、m  G線436nm 中紫外線313nm、深紫外線245nm）。受激準分子激光器：XeF 351nm  XeCl 308nm  RF 248nm  AF 193nm。聚焦離子束：系統(tǒng)穩(wěn)定性非常差。X射線：需要特制掩膜版（金做阻擋層）、成本非常高。電子束：電子束光刻是一門成熟的技術(shù)，無需掩膜版，直接書寫（direct writing），光刻膠曝光順序分為光柵式和矢量式；成本也比較高。3.3其他曝光問題鏡頭的數(shù)值孔徑（NA）、可變數(shù)值孔徑透鏡（景深DOF和視野）、離軸光線；對比效應(yīng)、景物反差；周相移動掩膜版（PSM）、（交互狹縫AAPSM、亞分辨率及鑲邊）周

19、向移動掩膜版；光學(xué)臨近糾偏掩膜版（OPC） ；環(huán)孔照射（annular ring illumination）。3.4掩膜版薄膜（pellicle）是一層在框架上拉伸平鋪的無色有機聚合物薄膜，用硝化纖維NC或醋酸纖維AC制成。 3.5晶圓表面問題（表面的反射率、表面地形差異、多層刻蝕等等）光刻膠的光散射現(xiàn)象；光刻膠里面的光反射現(xiàn)象；防反射涂層（ARC）/上涂防反射層（TAR）；駐波問題，用PEB曝光后烘焙、染色劑、防反射涂層等方式改善；平整化解決景深問題，解決階梯處由光反射造成的金屬圖形凹口等問題。3.6先進的光刻膠工藝 3.6.1復(fù)層光刻膠/表面成像雙層或三層光刻膠工藝，便攜式共形層（portable conformal layer）。3.6.2硅烷化作用/DESIRE工藝擴散加強硅烷化光刻膠，硅烷化反應(yīng)（sily