第六章 集成电路制造的曝光工艺方法

1liuzhidong1LOGO第六章集成电路制造的曝光工艺方法第六章集成电路制造的曝光工艺方法liuzhidong2ICIC芯片制造厂芯片制造厂liuzhidong3第一节第一节微细加工中的光刻原理与工艺微细加工中的光刻原理与工艺平面工艺是微细加工发展中的一个非常重要的工序，平面工艺是微细加工发展中的一个非常重要的工序，其其基本制作工艺是在不同电特性的薄膜材料上加工所基本制作工艺是在不同电特性的薄膜材料上加工所需要的图形。每层薄膜上先形成晶体管、电容器和整需要的图形。每层薄膜上先形成晶体管、电容器和整流器等元件，最后将它们连接在一起，构成了集成电流器等元件，最后将它们连接在一起，构成了集成电路路(IC)(IC)。。每层薄膜有不同的电特性，可通过改变基片的性质每层薄膜有不同的电特性，可通过改变基片的性质而得到，如掺杂和氧化，但也可以用蒸发和溅射的方而得到，如掺杂和氧化，但也可以用蒸发和溅射的方法，在基片上沉积一层薄膜。法，在基片上沉积一层薄膜。但但首先需要通过光刻的首先需要通过光刻的方法产生所需要的图形，方法产生所需要的图形，即把设计好的图形投影到涂即把设计好的图形投影到涂有光刻胶的表面层上，使被曝光部分的光刻胶变成坚有光刻胶的表面层上，使被曝光部分的光刻胶变成坚硬的抗蚀剂层，而未被曝光的光刻胶则在某一溶剂中硬的抗蚀剂层，而未被曝光的光刻胶则在某一溶剂中被溶解。被溶解。liuzhidong4什么是光刻？什么是光刻？光刻是一种以光复印图形和材料腐蚀相结合的表面精密加工技术。前者是使掩膜图形复印到基片表面的光刻胶上，并对基片表面上的光刻胶材料(如PMMA等)进行显影，后者是在光刻胶的保护下对待刻蚀的材料（如Si02、Si3N4、多晶硅、铝等薄膜）经过化学或物理腐蚀进行选择性的刻蚀的过程。光刻胶上图形的复印是通过曝光和显影完成的。限制图形重复性及分辨率的主要因素，是图形加工过程中所涉及到的物理和化学问题。为了得到高的分辨率和进行重复性生产，就需要了解这些问题。liuzhidong5本章将较详细地讨论光学曝光和电子束曝光工艺，以及它们新的发展方向，也将简略地介绍x射线和离子束曝光工艺，尤其着重讨论了曝光过程中图形的复制问题，以及每种曝光方法的灵敏度、分辨率和其基本的限制因素。liuzhidong61.1光刻工艺过程在集成电路生产中，要经过多次光刻。虽然各次光刻的目的要求和工艺条件有所不同，但其工艺过程是基本相同的。光刻工艺一般都要经过:涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀和去胶7个步骤。2liuzhidong7光刻工艺过程示意图光刻工艺过程示意图图3-1liuzhidong8涂胶涂胶就是在SiO2或其它薄膜表面涂一层粘附良好、厚度适当、厚薄均匀的光刻胶膜。涂胶前的基片表面必须清洁干燥。生产中最好在氧化或蒸发后立即涂胶，此时基片表面清洁干燥，光刻胶的粘附性较好。涂胶的厚度要适当。胶膜太薄，针孔多，抗蚀能力差；胶膜太厚，则分辨率低。在一般情况下，可分辨线宽约为膜厚的5～8倍。liuzhidong9涂胶liuzhidong10前前烘烘前烘就是在一定温度下，使胶膜里的溶剂缓慢前烘就是在一定温度下，使胶膜里的溶剂缓慢挥发出来，使胶膜干燥，并增加其粘附性和耐磨挥发出来，使胶膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。前烘的时间和温度随胶的种类及膜厚的不同性。前烘的时间和温度随胶的种类及膜厚的不同而有所差别，一般由实验确定。而有所差别，一般由实验确定。liuzhidong11曝曝光光曝光就是对涂有光刻胶的基片进行选择性的光曝光就是对涂有光刻胶的基片进行选择性的光化学反应，使曝光部分的光刻胶在显影液中的溶化学反应，使曝光部分的光刻胶在显影液中的溶解性改变，经显影后在光刻胶膜上得到和掩模相解性改变，经显影后在光刻胶膜上得到和掩模相对应的图形。对应的图形。liuzhidong12显显影影显影是把曝光后的基片放在适当的溶剂里，显影是把曝光后的基片放在适当的溶剂里，将应去除的光刻胶膜溶除干净，以获得刻蚀时所将应去除的光刻胶膜溶除干净，以获得刻蚀时所需要的光刻胶膜的保护图形。显影液的选择原则需要的光刻胶膜的保护图形。显影液的选择原则是：是：对需要去除的那部分胶膜溶解得快，溶解度对需要去除的那部分胶膜溶解得快，溶解度大；对需要保留的那部分胶膜溶解度极小。同大；对需要保留的那部分胶膜溶解度极小。同时，要求显影液内所含有害的杂质少，毒性小。时，要求显影液内所含有害的杂质少，毒性小。显影时间随胶膜的种类、膜厚、显影液种类、显显影时间随胶膜的种类、膜厚、显影液种类、显影温度和操作方法不同而异，一般由实验确定。影温度和操作方法不同而异，一般由实验确定。3liuzhidong13坚坚膜膜坚膜是在一定温度下对显影后的基片进行烘坚膜是在一定温度下对显影后的基片进行烘焙，除去显影时胶膜所吸收的显影液和残留的水焙，除去显影时胶膜所吸收的显影液和残留的水分，改善胶膜与基片的粘附性，增强胶膜的抗蚀分，改善胶膜与基片的粘附性，增强胶膜的抗蚀能力。能力。liuzhidong14刻刻蚀蚀刻蚀就是用适当的刻蚀剂，对未被胶膜覆盖刻蚀就是用适当的刻蚀剂，对未被胶膜覆盖的的SiOSiO22或其它薄膜进行刻蚀，以获得完整、清晰、或其它薄膜进行刻蚀，以获得完整、清晰、准确的光刻图形，达到选择性扩散或金属布线的准确的光刻图形，达到选择性扩散或金属布线的目的。光刻工艺对刻蚀剂的要求是：只对需要除目的。光刻工艺对刻蚀剂的要求是：只对需要除去的物质进行刻蚀，而对胶膜不刻蚀或刻蚀量很去的物质进行刻蚀，而对胶膜不刻蚀或刻蚀量很小。要求刻蚀图形的边缘整齐、清晰，刻蚀液毒小。要求刻蚀图形的边缘整齐、清晰，刻蚀液毒性小，使用方便。性小，使用方便。liuzhidong15去去胶胶去胶就是把在去胶就是把在SiOSiO22或其它薄膜上的图形刻蚀或其它薄膜上的图形刻蚀出来后，把覆盖在基片上的胶膜去除干净。出来后，把覆盖在基片上的胶膜去除干净。liuzhidong16ICIC芯片制造的一般过程芯片制造的一般过程liuzhidong17ICIC芯片制造的一般过程芯片制造的一般过程liuzhidong18晶体管的制造晶体管的制造4liuzhidong19第二节第二节光学曝光工艺光学曝光工艺用紫外光(200～400nm)在光刻胶上产生图形有多种方法，而最早采用的是接触曝光或接近曝光法。这种方法很简单，只需要用紫外光通过掩模对涂有光敏聚合物薄膜的基片进行曝光即可。掩模具有透明区和不透明区，图形就由这些区域确定。这种曝光技术(也称阴影曝光)多年来已广泛用于器件生产中。liuzhidong20liuzhidong21一、一、接接触触曝曝光光™阴影曝光分辨率的主要限制是光的衍射。光通过透明区域，在掩模不透明区的边缘发生衍射。下图为入射光在光刻胶表面的光强分布图。它是在光通过周期性光栅之后形成的，而光栅由不透明或透明的线条或等宽为b的间隔组成。由图可明显看到，衍射使轮廓边缘完好的图形变得模糊。当光通过不透明的边缘时，光“拐弯”了(即衍射)衍射:当通过光的窄缝的尺寸和光的波长相近时光通过缝后就会明显偏离直线方向，照到相当宽的地方，并且出现明暗相间的条纹。liuzhidong22liuzhidong23在衍射限制范围内，接触曝光几乎有100％的精度把掩模图形传递到光刻胶上，并有可能获得最高清晰度的图像。这是其它光学光刻技术所不及的。但是，在实际制造工艺中不可能实现理想接触状态，所以实际分辨率要比理论值低。其重要原因是：基片和掩模都不是理想平面；在基片和掩模之间可能存在异物；光刻胶层隆起，使对准困难。为了获得良好的接触状态，可在基片和掩模间增大接触压力，但这样做容易损伤胶膜，产生不应有的缺陷。而这些缺陷在曝光时会重现，最终导致成品率的降低。此外，压力的增大还会使基片和掩模发生形变，导致套刻精度的下降。在影像套准时，掩模需要对基片作相对移动，这也会产生微粒或碎屑，从而使缺陷问题更加复杂化。liuzhidong24二、接二、接近近曝曝光光接近曝光概念：在掩模和基片之间留有10～20μm的间隙，可以减少接触曝光中有关缺陷的问题，但是增加了间隙。由于衍射引起的半阴影区域的扩大，会降低分辨率。例如，当隙缝宽为10μm时，λ＝400nm，则最大分辨率近似等于3μm。在接近曝光中，掩模与基片之间的间隔应恒定不变，但这样只有极平的基片和掩模才能达到。目前，基片和掩模的制备和抛光技术已有显著改进，基片和掩模的平均平整度已达几微米的数量级。这不仅改善了涂层的精度，也使接触和接近曝光的实际分辨率提高。为使掩模和基片互不接触，但在实际使用中，10μm的间隙已是最小的间隙了。阴影曝光的分辨率与波长的平方根成正比。因此，缩短曝光光线的波长有可能改善分辨率。尽管阴影曝光存在光的衍射和缺陷问题，但由于曝光设备价格低廉，操作方便与简单，所以这种工艺仍被广泛地采用。5liuzhidong25三、投三、投影影曝曝光光采用光学投影曝光的目的是为了得到接触式光刻的高分辨率，而又不会损坏掩模和光刻胶。用透镜把掩模图形聚焦到基片的感光胶层上，感光胶层与掩模相距数厘米。但由于透镜的不完善及衍射作用，故投影曝光与接触曝光相比，分辨率还是要低。但是，由于减少了缺陷，改善了套准精度，提高了产量和改进了性能，因而使投影曝光技术在SLSI的生产中的重要性大为增加。liuzhidong26PBMPBM公司生产的公司生产的““PerkinPerkin——E1merE1mer””扫扫描曝光装置工作原理图描曝光装置工作原理图弧形光通过两个球面反射镜进行光刻11：：11环形场扫描环形场扫描liuzhidong27光学投影曝光系统liuzhidong28反射反射UV(UV(紫外线紫外线))曝光系统曝光系统借助于连续扫描机构，用弧光对基片和掩模扫描。这种扫描方式使光学系统的畸变和图形的像差减到最小，并在光学校准区总能成像。用“MicraIign”系统所形成的像是掩模的镜像，它与接触曝光中产生的图形相倒置。光学和机械设计的不断改进，导致新工艺的发展。使用波长为350—400nm的光源能产生1．0～1．5μm的特征尺寸，且其精度优于±0.4μm图3-5liuzhidong29分步重复投影曝光技术分步重复投影曝光技术™近年来分步重复投影曝光技术有了很大的发展。与其它光学曝光系统相比，直接步进重复成像系统有如下三个独特的优点：™(1)它是通过缩小投影系统成像的，因而可以提高分辨率。用这种方法曝光，分辨率可达l一1．5μm。™(2)由于不需要1：1精缩掩模，因此掩模尺寸大，制造方便。由于使用了缩小透镜，原版上的尘埃、缺陷也相应缩小，因而减少了原版缺陷的影响。™(3)由于采用了逐步对准技术可补偿硅基片尺寸的变化，从而提高了对准精度。同时，逐步对准的方法也可降低对基片表面平整度的要求（对于一块并不“十分平整”的基片，在每个分割的小单元里就“比较平整”）。liuzhidong30分步重复光刻机需要对基片作对分步重复光刻机需要对基片作对准曝光，因而需要增加一个自动对准准曝光，因而需要增加一个自动对准系统。在基片表面有金属膜和介质膜系统。在基片表面有金属膜和介质膜以及台阶的情况下，均应保证极高的以及台阶的情况下，均应保证极高的对准精度对准精度((±±0.10.1——0.250.25μμm)m)；；这种光刻机使用这种光刻机使用1010::11和和55::11缩小分缩小分度的折射光学系统，其分辨率和图像度的折射光学系统，其分辨率和图像套准能力都更好。可广泛用于制造特套准能力都更好。可广泛用于制造特征尺寸小于征尺寸小于1.51.5μμmm的半导体器件。这的半导体器件。这种分步法需要精密的机加工步骤在整种分步法需要精密的机加工步骤在整个基片上分步成像，因而产量低。尽个基片上分步成像，因而产量低。尽管如此，分步重复投影曝光在光刻法管如此，分步重复投影曝光在光刻法中仍是发展最快的工艺之一。中仍是发展最快的工艺之一。6liuzhidong31光学曝光过程liuzhidong32光学曝光过程liuzhidong33四、光学曝光的物理限制™光学投影系统的分