哈工大微电子工艺5光刻o

微电子工艺(5)--光刻与腐蚀田丽第8章光刻2第8章光刻8.1概述8.2光刻工艺流程8.3光刻胶的基本属性8.4光刻方法8.5掩模版的制造8.6紫外光曝光8.7X射线光刻8.8电子束光刻第8章光刻38.1概述光刻是光学照相和腐蚀技术相结合，将设计图形转移到晶片表面薄膜上的工艺技术。发展历程：光学光刻(可见光、紫外UV、深紫外DU、极紫外EUV)，电子束EB，X射线包含内容：光刻工艺，制版技术，光刻设备，光刻胶，腐蚀技术等多方面。35％的成本来自于光刻工艺第8章光刻48.1.1光刻分辨率分辨率线条和间隔清晰可辨时每mm中的线对数R=1/2L(mm-1)；直接用线宽L表示存在物理极限，由衍射效应限制线宽L：L≥λ/2Rmax≤1/λLL第8章光刻5物理极限由量子理论的海森堡不确定关系式也得出其他离子束光刻极限：ΔL·Δp≥h；h---普朗克常数粒子束的波动性-----波长λ质量m动能E关系：p=mv；E=mv2/2，h/λ=√2mEΔL≥h/2√2mEE一定时，粒子质量愈大，ΔL愈小，分辨率愈高m一定时，动能愈高，ΔL愈小，分辨率愈高。第8章光刻68.1.2IC对光刻的要求高分辨率高灵敏度的光刻胶低缺陷精密的套刻精度：误差≤±10%L可对大尺寸硅片进行光刻加工第8章光刻78.1光刻工艺流程光刻是光作用与腐蚀作用相结合，在晶片表面薄膜上制备图形的工艺方法。涂胶，前烘曝光显影，坚膜腐蚀去胶第8章光刻81涂胶在硅片表面涂敷的光刻胶应厚度均匀、附着性强、没有缺陷。在涂胶之前，硅片一般需要经过脱水烘焙，或涂敷能增加光刻胶与硅片表面附着能力的化合物。六甲基乙硅氮烷(HMDS)三甲基甲硅烷基二乙胺（TMSDEA）第8章光刻9HMDS与SiO2表面键合示意图大角度接触低表面能θ胶小角度接触高表面能θ胶三甲基甲硅烷六甲基乙硅氮烷在固、液、气三相交界处,自固-液界面经过液体内部到气-液界面之间的夹角称为接触角，通常以θ表示；反映液体对固体表面的润湿情况，接触角愈小，润湿得愈好。第8章光刻10涂胶工艺示意图注意：转速；光刻胶的黏性第8章光刻112前烘液态光刻胶中，溶剂的成份占65-85％。经过甩胶之后，虽然液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但仍含有10-30％的溶剂，容易玷污灰尘，通过在较高温度下进行烘焙，可以使溶剂从光刻胶内挥发出来。前烘方法：热平板传导；红外线辐射；干燥循环热风。注意：温度；时间第8章光刻123曝光光刻胶曝光后发生光化学反应，该工序是光刻工艺的关键工序。工艺上要保证对版准确，曝光时间恰当。光学曝光有接触式和非接触式两种方法，接触式曝光出现早，目前只有简单图形采用此法光刻，非接触式曝光是光学光刻的主要方式。防驻波效应----曝光后烘焙第8章光刻13驻波对于光刻图形的影响第8章光刻14简单的光学系统曝光图第8章光刻154显影正胶的曝光区和负胶的非曝光区的光刻胶在显影液中溶解，而正胶的非曝光区和负胶的曝光区的光刻胶则不会在显影液中溶解。曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形，显影后便显现出来，在光刻胶上形成三维图形，这一步骤称为显影。注意：正胶；负胶第8章光刻16显影后的镜检—在显微镜下发现有下列问题返工光刻胶钻蚀图形尺寸变化套刻对准不良光刻胶膜损伤线条是否齐、陡针孔、小岛钻蚀针孔、小岛、划伤第8章光刻17金属光刻后，做金属腐蚀时，残留物出现第8章光刻185坚膜坚膜也叫后烘，是为了去除由于显影液的浸泡引起的胶膜软化、溶胀现象，能使胶膜附着能力增强，抗腐蚀能力提高。坚膜温度要高于前烘和曝光后烘烤温度，较高的坚膜温度可使坚膜后光刻胶中的溶剂含量更少，但增加了去胶时的困难。且光刻胶内部拉伸应力的增加会使光刻胶的附着性下降，因此必须适当的控制坚膜温度。第8章光刻196腐蚀、去胶腐蚀湿法腐蚀SiO2、Al、poly-Si等薄膜干法腐蚀第8章光刻20去胶湿法去胶，用溶剂、用浓硫酸负胶：98%H2SO4+H2O2+胶→CO+CO2+H2O正胶：丙酮干法去胶（Ash)1.氧气加热去胶O2+胶→CO+CO2+H2O2.等离子去胶（Oxygenplasmaashing）高频电场O2电离O－＋O＋O＋活性基与胶反应CO2，CO，镜检H2O。第8章光刻218.3光刻胶的基本属性光刻时接受图像的介质称为光刻胶。以光刻胶构成的图形作为掩膜对薄膜进行腐蚀，图形就转移到晶片表面的薄膜上了，所以也将光刻胶称为抗蚀剂。第8章光刻228.3.1光刻胶组成分类感光剂，胶的主体，又称光敏剂；聚合物材料，使胶具有一定的粘度，能均匀涂覆；增感剂，能增加胶的感光能力的物质。溶剂1组成第8章光刻232分类按曝光区在显影中被去除或保留来划分：正（性）胶负（性）胶按其用途划分：光学光刻胶电子抗蚀剂X-射线抗蚀剂第8章光刻24光刻胶光刻胶的作用：对于入射光子有化学变化，保持潜像至显影，从而实现图形转移，即空间图像潜像。灵敏度：单位面积的胶曝光所需的光能量：mJ/cm2负胶烃基高分子材料正胶分辨率高于负胶抗蚀性：刻蚀和离子注入正胶IC主导烃基高分子材料正胶分辨率高于负胶正胶IC主导第8章光刻25负胶(NegativeOpticalPhotoresist)当VLSI电路需分辨率达2mm之前，基本上是采用负性光刻胶。负胶在显影时线条会变粗，使其分辨率不能达到很高。但在分辨率要求不太高的情况，负胶也有其优点：a)对衬底表面粘附性好b)抗刻蚀能力强c)曝光时间短，产量高d)工艺宽容度较高（显影液稀释度、温度等）e)价格较低（约正胶的三分之一）第8章光刻26负胶的组成部分：a)基底：合成环化橡胶树脂(cyclizedsyntheticrubberrisin)对光照不敏感，但在有机溶剂如甲苯和二甲苯中溶解很快b)光敏材料PAC：双芳化基(bis-arylazide)当光照后，产生交联的三维分子网络，使光刻胶在显影液中具有不溶性。c)溶剂：芳香族化合物(aromatic)负胶显影液第8章光刻27负胶多由长链高分子有机物组成。响应波长330-430nm，胶膜厚度0.3-1μm。负胶第8章光刻28g线和i线光刻胶的组成（正胶－positivephotoresist,DQN）a)基底：树脂是一种低分子量的酚醛树脂(novolac,apolymer)本身溶于显影液，溶解速率为15nm/s。b)光敏材料（PAC－photoactivecompounds)二氮醌(diazoquinone,DQ)DQ不溶于显影液，光刻胶在显影液中的溶解速率为1－2nm/sec光照后，DQ可以自我稳定（Wolff重排列），成为溶于显影液（TMAH四甲基氢氧化铵——典型显影液；氢氧化钠等碱性物质）的羧酸光照后，光刻胶在显影液中的溶解速度为100－200nm/sc)溶剂是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纤剂的混合物，用于调节光刻胶的粘度。2正胶第8章光刻29响应波长330-430nm胶膜厚1-3μm，显影液是氢氧化钠等碱性物质。第8章光刻30顺聚异戊二烯负胶显影原理曝光的顺聚异戊二烯在交联剂作用下交联，成为体型高分子，并固化，不再溶于有机溶剂构成的显影液，而未曝光的长链高分子溶于显影液，显影时被去掉。顺聚异戊二烯+交联剂hv固化为体型分子8.3.2显影原理第8章光刻31正胶DQN显影原理曝光的重氮醌退化，易溶于显影液，未曝光的重氮醌和树脂构成的胶膜难溶于碱性显影液。第8章光刻32正、负胶比较正胶，显影容易，图形边缘齐，无溶胀现象，光刻的分辨率高，去胶也较容易。负胶显影后保留区的胶膜是交联高分子，在显影时，吸收显影液而溶胀，另外，交联反应是局部的，边界不齐，所以图形分辨率下降。光刻后硬化的胶膜也较难去除。但负胶比正胶相抗蚀性强。第8章光刻33DUV深紫外光刻胶传统DNQ胶的问题：1、对于i线波长的光强烈吸收2、汞灯在DUV波段输出光强不如i线和g线，因此灵敏度不够3、量子效率提高有限（最大为1，一般0.3)化学增强光刻胶（CA胶）CA胶光敏剂：PAG(photo-acidgenerator)原理：入射光子与PAG分子反应，产生酸分子，在后续的烘烤过程中，酸分子起催化剂作用，使曝光区域光刻胶改性总量子效率1，因此DUV胶的灵敏度有很大提高。g线、i线光刻胶灵敏度为100mJ/cm-2，DUV胶为20－40mJ/cm-2第8章光刻34DUV胶化学增强的基本原理要求对于环境和工艺参数控制严格，PEB温度控制在几分之一度。PAGINSOLINSOL聚合物长链酸INSOLINSOL聚合物长链SOLSOL聚合物长链酸SOLINSOL聚合物长链酸酸曝光曝光后烘烤（PEB）酸第8章光刻358.3.3光刻胶参数对比度光敏度，指完成所需图形曝光的最小曝光剂量E0抗蚀性，指耐酸、碱能力----干、湿法腐蚀热稳定性，指耐热能力----工作温度黏着力，指与硅、二氧化硅表面结合力的大小溶解度和黏滞度，溶解度是固态物质所占的比例-----膜厚和流动性微粒数量和金属含量----防污染存储寿命第8章光刻36对比度γ1212XXYYγ影响曝光后胶膜倾角和线宽。γ越高，光刻胶的侧壁越陡。负胶----临界曝光剂量Dgi；正胶----曝光剂量↑膜厚↓第8章光刻37对比度（续）调制转移函数MTF光刻胶临界调制转移函数CMTF光刻胶对比度与临界调制转移函数CMTF关系第8章光刻388.4光刻方法通过合理设计光刻的方法，可提高光刻分辨率，降低驻波效应，解决难光刻薄膜的成型等问题。多层光刻胶工艺----胶层厚度；致密度抗反射涂层工艺剥离技术（Liftoff）第8章光刻391多层光刻胶（MLR）工艺硅化学增强(Si-CARL)工艺：(c)中将硅片浸入带有氨基的硅氧烷溶液，使其硅烷化，即硅烷化的光刻胶膜中含有20％-30％的硅。Si-CARL可形成高宽比很大的图形，还可以形成分辨率小于0.25μm的图形。第8章光刻40多层光刻胶工艺（续）对比增强层(CEL)工艺：CEL在强光下透明，而不透明的CEL可吸收衍射光线可以充分发挥投影曝光的优点，又不受接触曝光的限制，同时还可以达到接触式曝光的效果。第8章光刻41多层光刻胶工艺（续）硅烷基化光刻胶表面成像工艺-----选择性的将Si扩散到成像层中。表面成像工艺有：扩散增强硅烷基化光刻胶(DESIRE)工艺干法刻蚀正胶成像(PRIME)工艺前烘第8章光刻422抗反射涂层工艺（ARC）驻波效应：指光刻胶中入射光波与反射光波发生干涉，形成驻波的现象，表现为以λ/2n为间隔在光刻胶中形成强弱相间的曝光区域。第8章光刻43抗反射涂层工艺（续）驻波使光刻胶中光强的周期性变化引起胶层中光能吸收的不均匀，导致线宽发生变化，降低分辨率。用抗反射涂层工艺解决，如采用底层抗反射涂层(BARC)其它解决方法曝光后进行烘焙，增强扩散，平均曝光效果。采用非准直光。第8章光刻443剥离技术（Liftoff）第8章光刻45光源NGL:X射线(5Å)，电子束(0.62Å)，离子束(0.12Å)光源波长(nm)术语技术节点汞灯436g线0.5mm汞灯365i线0.5/0.35mmKrF(激光)248DUV0.25/0.13mmArF(激光)193193DUV90/65…32nmF2(激光)157VUVCaF2lenses激光激发Xe等离子体13.5EUVReflectivemirrorsNAkR11、Usinglightsourcewithshorter8.5曝光第8章光刻46248nm157nm13.5nm193nm第8章光刻47UV光源：水银弧光灯i线365nm；h线405nm；g线436nm氙汞灯200-300nmDUV光源----准分子激光KrF248nm，0.35-0.18µm工艺ArF193nm，可用于0.2µm以下CMOS工艺高压水银汞灯紫外光曝光第8章光刻48三种硅片曝光模式及系统接触式接近式投影式（步进）4或5倍缩小曝光系统1:1曝光系统第