第15章光刻光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)【課件】

1、第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝1第第15章光刻：光刻膠顯影章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)和先進(jìn)的光刻技術(shù)第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝2目標(biāo)目標(biāo) 如何對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光后烘培以及原因 描述光刻膠的正負(fù)膠顯影工藝 列出兩種最普通光刻膠顯影方法和關(guān)鍵的顯影參數(shù) 陳述顯影后要進(jìn)行堅(jiān)膜的原因 解釋顯影后檢查的好處 列出并描述4種不同的先進(jìn)光刻技術(shù)及面臨的挑戰(zhàn)第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝3提綱提綱 1.引言 2.曝光后烘培 3.顯影 4.堅(jiān)膜 5.顯影檢查 6.先進(jìn)的光刻技術(shù) 7.

2、顯影質(zhì)量測(cè)量第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝41.引言引言 通過(guò)顯影液將可溶解的光刻膠溶解掉就是光刻膠顯影，顯影除去了由曝光造成的可溶解的光刻膠。 光刻膠顯影的目的是在光刻膠中獲得準(zhǔn)確的掩膜版圖案的復(fù)制，同時(shí)保證光刻膠粘附性可接受。 光刻膠顯影和檢查是進(jìn)入下一步刻蝕或離子注入之前的圖形轉(zhuǎn)移工藝的中間步驟。光刻膠圖形的質(zhì)量決定了隨后工藝的成功與否。 光刻膠的顯影步驟依賴(lài)于它是正膠或負(fù)膠，是常規(guī)I線膠(DNQ線性酚醛數(shù)值)或化學(xué)放大深紫外線光刻膠(CA DUV)。 亞微米光刻通常使用正膠，非關(guān)鍵層一般用常規(guī)I線膠，關(guān)鍵層通常用深紫外線光刻膠。第15章光刻：光刻

3、膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝52.曝光后烘培曝光后烘培 曝光后的硅片從曝光系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到硅片軌道系統(tǒng)后，需要進(jìn)行短時(shí)間的曝光后烘培（PEB）。 為了促進(jìn)關(guān)鍵光刻膠的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)CA DUV光刻膠進(jìn)行后烘是必需的。 對(duì)于基于DNQ化學(xué)成分的常規(guī)I線膠，進(jìn)行后烘的目的是提高光刻膠的粘附性并減少駐波。第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝6DUV曝光后烘培曝光后烘培 后烘的溫度均勻性和持續(xù)時(shí)間是影響DUV光刻膠質(zhì)量的重要因素。 后烘時(shí)，硅片被放在自動(dòng)軌道系統(tǒng)的一個(gè)熱板上，處理的溫度和時(shí)間需要根據(jù)光刻膠的類(lèi)型確定。 典型的后烘溫度在90至130之間，

4、時(shí)間約為1至2分鐘。第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝7常規(guī)常規(guī)I線膠線膠PEB 曝光后烘減少了光刻膠中剩余的溶劑，從曝光前的74減少到了52。 曝光后烘減少了曝光過(guò)程中的駐波缺陷。 駐波是由于入射光產(chǎn)生干涉造成的，入射光與從襯底反射回來(lái)的光在光刻膠中干涉產(chǎn)生不均勻的光強(qiáng)，導(dǎo)致光刻膠的側(cè)面產(chǎn)生駐波。第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝83.顯影顯影 用化學(xué)顯影液溶解由曝光造成的光刻膠的可溶解區(qū)域就是光刻膠顯影，其主要目的是把掩膜版圖形準(zhǔn)確復(fù)制到光刻膠中。 顯影的要求重點(diǎn)是產(chǎn)生的關(guān)鍵尺寸達(dá)到規(guī)格要求。 如果不正確地控制顯影工藝

5、，光刻膠圖形就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。三個(gè)主要缺陷：顯影不足、不完全顯影和過(guò)顯影。第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝9光刻膠顯影問(wèn)題光刻膠顯影問(wèn)題第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝10負(fù)膠負(fù)膠 負(fù)膠通過(guò)紫外線曝光發(fā)生交聯(lián)(crosslink)或變硬，使曝光的光刻膠變得在顯影液中不可溶解。 對(duì)于負(fù)膠顯影工藝，顯影過(guò)程中幾乎不需要化學(xué)反應(yīng)，主要包括未曝光的光刻膠的溶劑清洗。未曝光的光刻膠由于沒(méi)有發(fā)生交聯(lián)，因此很軟而且可溶解。 顯影液通常是一種有機(jī)溶劑（如二甲苯）。顯影后用清洗液去除剩余的顯影液，以確保顯影工藝停止。第15章光刻：光刻膠顯影

6、和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝11正膠正膠 由于提高了線寬分辨率，正膠是亞微米工藝制造中最普遍的光刻膠。 兩種類(lèi)型的正膠：常規(guī)DNQ I線膠和化學(xué)放大DUV光刻膠。 顯影液溶解光刻膠的速度稱(chēng)為溶解率或者顯影速度。高的溶解率有助于生產(chǎn)率的提高，但太高的溶解率會(huì)影響光刻膠的特性。 顯影液具有選擇性，高的顯影選擇比意味著顯影液與曝光的光刻膠反應(yīng)得快，而與未曝光的光刻膠反應(yīng)得慢。高密度的圖形需要高選擇比的顯影液。第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝12正膠顯影液正膠顯影液 顯影液通常用堿性溶液 早期：NaOH或KOH水溶液，但這兩種顯影液都包含有可動(dòng)離

7、子沾污(MIC)，對(duì)于對(duì)污染很敏感的高特性集成電路是不可接受的。 改用四甲基氫氧化銨（TMAH），這種顯影液的金屬離子濃度非常低，避免了硅片表面MIC的注入。第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝13顯影方法顯影方法 連續(xù)噴霧(continuous spray)顯影 旋覆浸沒(méi)(puddle)顯影第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝14連續(xù)噴霧連續(xù)噴霧(continuous spray)顯影顯影 一個(gè)或多個(gè)噴嘴噴灑顯影液到硅片表面，真空吸盤(pán)上的單個(gè)硅片以很慢的速度旋轉(zhuǎn)。 顯影液以霧的形式噴灑。 噴嘴噴霧模式和硅片旋轉(zhuǎn)速度是實(shí)現(xiàn)硅片

8、間光刻膠溶解率和均勻性的可重復(fù)性的關(guān)鍵可變因素。第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝15旋覆浸沒(méi)旋覆浸沒(méi)(puddle)顯影顯影 旋覆浸沒(méi)顯影碰到硅片上的少量顯影液形成了水坑形狀。 為了獲得最佳特性，顯影液的流動(dòng)必須保持很低，以減少硅片邊緣顯影速率的變化。這正是旋覆浸沒(méi)顯影的優(yōu)點(diǎn)。第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝16光刻膠顯影參數(shù)光刻膠顯影參數(shù) 顯影溫度 顯影時(shí)間 顯影液量 硅片吸盤(pán) 當(dāng)量濃度 清洗 排風(fēng)第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝174.堅(jiān)膜堅(jiān)膜 顯影后的熱烘培稱(chēng)為堅(jiān)膜烘培，目的

9、是蒸發(fā)掉剩余的溶劑使光刻膠變硬。 堅(jiān)膜提高了光刻膠對(duì)硅襯底的粘附性，為下一步的工藝加工做好了準(zhǔn)備，如提高光刻膠抗刻蝕能力。堅(jiān)膜也除去了剩余的顯影液和水。 通常的堅(jiān)膜溫度正膠130，負(fù)膠150。第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝185.顯影檢查顯影檢查 顯影檢查是為了查找光刻膠中成形圖形的缺陷。繼續(xù)進(jìn)行隨后的刻蝕或離子注入工藝之前必須進(jìn)行檢查以鑒別并除去有缺陷的硅片。 將硅片表面的光刻膠剝離，然后重新進(jìn)行光學(xué)光刻工藝的過(guò)程稱(chēng)為硅片返工。第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝196.先進(jìn)的光刻技術(shù)先進(jìn)的光刻技術(shù) 減小紫外光源波長(zhǎng)

10、提高光學(xué)光刻工具的數(shù)值孔徑 化學(xué)放大深紫外光刻膠 分辨率提高技術(shù)（如相移掩膜和光學(xué)鄰近修正） 硅片平坦化（CMP）以減小表面凹凸度 光學(xué)光刻設(shè)備的先進(jìn)性（如步進(jìn)光刻機(jī)或步進(jìn)掃描光刻機(jī)）第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝20下一代光刻技術(shù)下一代光刻技術(shù) 極紫外（EUV）光刻技術(shù) 角度限制投影電子束光刻技術(shù)(SCALPEL) 離子束投影光刻技術(shù)（IPL） X射線光刻技術(shù)第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝21極紫外（極紫外（EUV）光刻技術(shù)）光刻技術(shù) 極紫外(Extreme UV) 使用激光產(chǎn)生等離子源產(chǎn)生約13nm的紫外波長(zhǎng)。

11、這種光源工作在真空環(huán)境下以產(chǎn)生極紫外射線，然后由光學(xué)聚焦形成光束。 挑戰(zhàn)：精密光學(xué)系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量表面的嚴(yán)格要求。反射鏡反射率需要通過(guò)精確的多層表面涂層來(lái)最優(yōu)化。對(duì)準(zhǔn)方面，對(duì)于采用100nm設(shè)計(jì)規(guī)則的器件，總的套準(zhǔn)容差大約為35nm。所有設(shè)備均工作在真空環(huán)境下。第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝22角度限制投影電子束光刻技術(shù)角度限制投影電子束光刻技術(shù)(SCALPEL) 角度限制投影電子束光刻（SCALPELSCattering with Angular Limitation Projection Electron Beam Lithograhpy) 用電子

12、束源代替了光源來(lái)成像硅片圖形。 當(dāng)電子束通過(guò)一個(gè)掩膜版中的高原子數(shù)目層時(shí)，該層散射出電子在硅片平面形成一個(gè)高對(duì)比度的圖形。 SCALPEL為線性復(fù)制，用步進(jìn)掃描直寫(xiě)方式產(chǎn)生曝光光刻膠條紋。這種方式要求好的套準(zhǔn)精度。第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝23SCALPEL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) SCALPEL系統(tǒng)主要由電子束光源、干涉儀、掩模工作臺(tái)、透鏡、拼接偏轉(zhuǎn)器、芯片工作臺(tái)和掃描裝置等部件組成。 第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝24SCALPEL 工作原理工作原理SCALPEL中平行的電子束入射到由極薄的SiNx薄膜和薄的高原子

13、序數(shù)組成的掩模上，穿過(guò)氮化硅膜的電子基本不散射，相反穿過(guò)金屬膜的電子散射嚴(yán)重。 這些電子再經(jīng)過(guò)磁透鏡聚焦后穿過(guò)一個(gè)置于焦平面上的角度限制光闌，此時(shí)散射嚴(yán)重的電子透過(guò)率很低，相反地，低散射電子則基本上穿過(guò)去了。所有這些電子再通 過(guò)一個(gè)磁透鏡形成平行束，這樣就形成了高反差圖形。 第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝25離子束投影光刻技術(shù)（離子束投影光刻技術(shù)（IPL） 離子束投影光刻技術(shù)(IPL,Ion Projection Lithography) 用離子束進(jìn)行光刻膠曝光，或者通過(guò)掩膜，或者用精確聚焦的離子束連續(xù)在光刻膠上直寫(xiě)。 IPL用多電極靜電光學(xué)系統(tǒng)將氫或氦

14、離子導(dǎo)向硅片。離子質(zhì)量比電子大，因而能更有效地將能量轉(zhuǎn)換到光刻膠上。第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝26X射線光刻技術(shù)射線光刻技術(shù) X射線源將X射線投影到一種特殊的掩膜上，在已涂膠的硅片上形成圖形。 用于光刻的X射線為軟X射線(0.1-10nm波長(zhǎng)) X射線光刻技術(shù)的系統(tǒng)組件包括：一塊掩膜版，該掩膜版由能夠傳導(dǎo)X射線的材料(如聚酰亞胺)構(gòu)成，此材料上有吸收X射線的材料（如金、鎢、鉭）形成的版圖X射線源X射線光刻膠第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝277.顯影質(zhì)量測(cè)量顯影質(zhì)量測(cè)量 關(guān)鍵尺寸 沾污 表面缺陷 套準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)第15章

15、光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝28關(guān)鍵尺寸關(guān)鍵尺寸缺陷類(lèi)型可能原因關(guān)鍵尺寸偏大步進(jìn)聚焦不正確曝光時(shí)間或能量不足顯影時(shí)間不足或顯影液濃度太低曝光或顯影步驟中工藝不正確關(guān)鍵尺寸偏小曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或能量過(guò)多顯影時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或顯影液過(guò)強(qiáng)曝光或顯影步驟中工藝不正確第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝29沾污沾污 來(lái)自微?；蚬饪棠z表面外來(lái)的污染 可能原因：n設(shè)備需要清洗，特別是軌道類(lèi)設(shè)備n硅片清洗不干凈n顯影化學(xué)藥品或沖洗用水需要過(guò)濾去除沾污源第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝30表面缺陷表面缺陷缺陷類(lèi)型可能原

16、因光刻膠表面劃傷硅片傳送錯(cuò)誤或與片盒分格和自動(dòng)傳送系統(tǒng)有關(guān)的微調(diào)錯(cuò)誤微粒、污點(diǎn)或瑕疵腔體排風(fēng)、噴涂器對(duì)準(zhǔn)、噴涂壓力、硅片水平、水滴、旋轉(zhuǎn)速度等膠缺少、膠過(guò)多或膠有殘?jiān)徽_的旋覆浸沒(méi)時(shí)間不正確的顯影液量和位置顯影工藝后不正確的沖洗過(guò)程不正確或不均勻的烘培光刻膠圖形的測(cè)墻條痕駐波或反射槽口（不能接受的關(guān)鍵尺寸偏差）不正確或沒(méi)有使用ARC第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝31套準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)套準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn) 不正確的對(duì)準(zhǔn)或與上一層套準(zhǔn) 可能原因：n步進(jìn)機(jī)引起的問(wèn)題n錯(cuò)誤的工藝步驟或版圖的使用n溫度和濕度控制不當(dāng)?shù)?5章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)2022-2-24集成電路工藝32小結(jié)小結(jié) 曝光后，為了使化學(xué)放大深紫外光刻膠催化關(guān)鍵的光刻膠化學(xué)反應(yīng)，需要進(jìn)行后烘。 光刻膠顯影去掉了經(jīng)過(guò)曝光過(guò)程后變得可溶的區(qū)域。 負(fù)膠顯影主要是未曝光部分光刻膠的溶劑清洗過(guò)程。已曝光負(fù)膠在顯影時(shí)易膨脹，限制了其應(yīng)用。 正膠顯影包括顯影液和已曝光部分光刻膠之間的化學(xué)反應(yīng)，其參數(shù)是溶解率和選擇比。第15章光刻：光刻膠顯影和先進(jìn)的光