第六章 光刻 课件.pdf
《第六章 光刻 课件.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第六章 光刻 课件.pdf(161页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第六章光刻6.1 简介定义:光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面 I层上所规定的特定区域的基本操作。本质是把电路结构复制到以后要进行刻蚀 和离子注入的硅片上。这些结构以图形形 式制作在掩膜版上,紫外光透过掩膜版把 图形转移到硅片表面的光敏薄膜上然后用 一种刻蚀的工艺把薄膜图形成像在下面的 硅片上。转移到硅片表面的光刻图形的形状完全取决于硅 片层面的结构。图形可能是硅片上的半导体器件,隔离槽,接触孔,金属互连以及互连金属层的通 孑屋光刻掩膜版衬底材料是石英,这种材料始终用在 紫外光刻中。用做掩膜版的石英是最贵的材料并 且有非常低的温度膨胀。低膨胀意味着掩膜版在 温度改变时尺寸是相对稳定的。淀积在掩膜版
2、上 的不透明的材料是一薄层铭,厚度一般小于1000 埃并且是溅射淀积的。基本光刻工艺晶圆表面层晶圆晶圆,目标:1.在晶圆表面建立尽可能接近 设计规则中所要求的尺寸的图形。这 个目标称为晶圆的分辨率,也就是区 分S i片上两个邻近图形的能力。高的分辨率需要将曝光波长减小到与CD 几乎一样大小。2.在晶圆表面正确定位图形。6.2光刻工艺光刻包括两种基本的工艺类型:负性光刻和正 性光刻6.2.1 负性光刻负性光刻的基本特征是当曝光后,光刻胶被曝 光的部分由可溶性物质变为非溶性物质。6.2.2 正性光刻在正性光刻工艺中,复制到硅片表面的图形与 掩膜版上的一样。光刻胶被曝光的部分从不 可溶到可溶。正性光
3、刻显影后图形负性光刻光刻胶掩膜版(正胶)二、亮场版与暗场版亮场掩膜版暗场掩膜版接触孔的模拟 正胶光刻用正性光刻胶的亮场掩膜版,具有相同图形的暗场掩膜版需要用负性光刻胶光刻 胶极性掩膜版极性6.3光刻10步法1,表面准备 清洁和干燥晶圆表吊2.涂光刻胶在晶圆表面均匀涂抹一薄层光刻 胶3.软烘焙加热,部分蒸发光刻胶蟋:小袋爱线掇注逾襟就弟猿然*必修掇展晶圆4.对准和曝光 掩膜版和图形在晶圆上的精 确对准和光刻胶的曝光。5 显影 非聚合光刻胶的去除6.硬烘焙对溶剂的继续蒸发7 显影目检 检查表面的对准情况和缺陷8.刻蚀 将晶圆顶层透过光刻胶的开口去除9.光刻胶去除 将晶圆上的光刻胶层去除10.最终目
4、检 表面的检查以发现刻蚀的 不规则和其他问题6.4光刻胶6.4.1光刻胶的组成四种基本的成分:聚合物、溶剂、感光剂和添加剂。成分 功能聚合物 当被对准机光源曝光时,聚合物结构由可溶变成 聚合(或反之)溶剂 稀化光刻胶,通过旋转形成薄膜感光剂 在曝光过程中控制和/或调节光刻胶的化学反应添加剂 各种添加的化学成分实现工艺效果,例如染色聚合物:对光和能量敏感,组成,包括碳、氢、氧。大而重的分子普通的光刻胶被设计成与紫外线和激光反应,也有与X射线和电子束反应的。在负胶里,聚合物是聚异戊二烯。曝光后,由非聚合状态变为聚合状态,抗刻蚀。为防 止曝光,负胶生产在黄光下进行。正胶的基本聚合物是苯酚甲醛聚合物。
5、曝光后,聚合物变为可溶状态,发生了光溶解 反应。光刻胶可以和许多形式的能量(光能和热 能)或电磁光谱中的具体某一部分光反应。传统的正胶可以用在kLine曝光源上,经 化学放大的光刻胶可用DUV曝光。用X射线 和电子束上的光刻胶不同于传统的正负胶。光刻胶的比较表光刻胶.聚合物极性感光性(Coul/cm2)曝光光源正性酚醛树脂(间 甲酚甲醛)+3-5 x I O紫外负性聚异戊二烯一紫外PM M A聚甲基丙烯酸酯+5x吟电子束PM I PK聚甲基异丙烯基酮+1 x I O-电子束/深紫外PBS聚丁烯1碉+2 x 10-6电子束TFECA聚三氟乙烷基氯丙烯 酸酯9+8 x 10-7电子束COP(PCA
6、)共聚物(a氟乙基丙烯酸,a氨基乙烷基丙烯酸酯)一5 x 10-7电子束 X射线PM PS聚甲基戊烯1碉+2x 10-7电子束溶剂:光刻胶中容量最大的成分。使光刻 胶处于液态,并可以使光刻胶通过旋转的 方法涂在晶圆表面。负胶的溶剂是芬芳的二甲苯,正胶的溶剂 是乙氧基乙醛醋酸盐或二甲氧基乙醛。光敏剂:添加到光刻胶中来产生或控制聚 合物的特定反应。光敏剂被加到光刻胶中用来限制反应光的 波普范围或者把反应光限制到某一特定波 长。添加剂:不同类型的添加剂和光刻胶混合 达到特定的效果。可以阻止光刻胶没有曝 光的部分在显影过程中被溶解。负胶含有 染色剂,在光刻胶薄膜中吸收和控制光线。正胶会有化学的抗溶解系
7、统。6.4.2光刻胶的表现要素及物理特性 光刻胶的选择的主要决定因素是晶圆表面 对尺寸的要求。1.具有产生那些所要求尺寸的能力2.在刻蚀过程中阻隔刻蚀的功能,必须保证 一定的厚度,且不能有针孔3.必须能和晶圆表面很好地黏合,否则刻蚀 后图形会发生扭曲分辨率:在光刻胶层能产生的最小图形通 常作为对光刻胶的分辨力的参考。产生的 线条越小,分辨力越强。它是表征光刻精度的标志之一,与光刻本 身和光刻工艺条件及操作技术有关。I越细的线宽需要越薄的光刻胶膜来产生。然而光刻胶膜需要足够厚度来实现阻隔刻 蚀的作用,并且保证不能有针孔,所以选 择需要权衡。改变工艺参数可以改变固有的分辨力。随着特征尺寸减小,分辨
8、相邻图形越困难。理论分析:分辨率计算公式如下:pp.358A:光源波长k:工艺因子,范围在060.8NA:透镜数值孔径AU=图像介质的折射率x透镜的半径 透镜的焦长对于空气或真空,NA 1 显而易见,减少曝光光源的波长对提高分 辨率非常重要。另一个提高分辨率的重要 参数使增加投影透镜的NA。有高数值孔径 的透镜同样有高分辨率。然而增加数值孔 径就需要更大的透镜半径,这将变得很昂 贵。第三个参数K代表了光学系统工艺因子,并且能够影响分辨率。然而要把K减小到 0.6以下受到实际限制。纵横比用来衡量光刻胶的分辨力和光刻胶 厚度之间的关系。是光刻胶厚度与图形打 开尺寸的比值。纵横比=T/W正胶比负胶有
9、更高的纵横比,对于一个给 定的图形尺寸开口,正胶的光刻胶层可以 更厚。黏结性:为了实现刻蚀阻隔作用,光刻胶 层必须与晶圆表面有很好的黏结性,才能 够保证把光刻图形很好的转移到晶圆表面 负胶比正胶的黏结能力好。曝光速度、灵敏度和曝光源一个主要的工艺参数就是反应发生的速度,速度越快,在光刻蚀区域晶圆的加工速度就 越快。负胶需要5到15秒的曝光时间,正胶需要它 的3到4倍的时间。史敏度是与导致聚合或者光溶解发生所需能 量相关的。这种能量又和曝光源特定的波长 有关。光刻胶的灵敏度是通过能过使基本的 反应开始所需的能量总和来衡量的。单位是 mJ/cm2o卡曝光光源紫外光用于光刻胶的曝光时因为光刻胶材 料
10、与这个特定波长的光反应。波长也很重 要,因为较短的波长可以获得光刻胶上较 小尺寸的分辨率。现今常用于光学光刻的 两种紫外光源是:汞灯和准分子激光。除这些常用的光源外,还有X射线、电子束 和离子束。汞灯高压汞灯作为紫外光源被使用在所用的常 规I线步进光刻机上。在这种灯里,电流通 过装有债汞气体的管子产生电弧放电。这 个电弧发射出一个特征光谱,包括2 40nm 到5 00nm之间有用的紫外辐射。VisibleuvMicro-Inlrared waves Radio wavesGamma ravs X-ravs w a1014 10,2 10l 108 106 104(m)X I O4 I O?|O
11、-io l0-8 I。iou 10、lQo j02 104157 193 248 365 405 436兀(nm)|,VUV DUV DUV i h gCommon UV wavelengths used in optical lithography.汞灯强度峰曝光时常规的光刻胶与特定UV波长有相应 的特定光谱响应。例如,用于CD特征尺寸 0.35微米的酚醛树脂I线光刻胶就与365 nm 的I线紫外光反应。考虑汞灯的发射光谱,2 48nm的深紫外发 射时365 nm的I线发射强度的五分之一。由 于汞灯在深紫外波长的强度低,I线光刻胶 在2 48nm下曝光要得到相同的效果,就需 要五倍的曝光时间
12、。I线光刻胶对深紫外光有过度的吸收,光不 能渗透光刻胶,曝光图形差。准分子激光使用它们的主要优点是可以在248nm深紫外及以 下波长提供较大的光强,因为汞灯在这些波长发 射效率很低。迄今惟一用于光学曝光的激光光源是准分子激光。准分子是不稳定分子,由惰性气体原子和卤素构 成,例如氟化氤(ArF),这里分子只存在于准 稳定激发态。通常用于深紫外光刻胶的准分子激光器是波长 248nm氟化氟(KrF)激光器。导体光刻中使用的准分子激光器波长(nm)最大输出(毫焦每脉 冲)频率(脉冲 每秒)脉长冲度向分D辨 A7率5KrF248300-1500500250.25ArF193175-300400150.1
13、8157610200J5工艺宽容度:对于光刻,高的工艺宽容度 意味着即使遇到所有工艺发生变化,在规 定范围内也能达到关键尺寸。艺宽容度越宽,在晶圆表面达到所需尺针孔:是光刻胶层尺寸非常小的空穴,是 有害的。可能是在涂胶工艺中由于环境中 的微粒污染物造成的,也可以是由光刻胶 层结构上的空穴造成。层越薄,针孔越多。厚膜针孔小,却降低 了光刻胶的分辨力。因此需要权衡。和量粒序,小 污微颗程器最 沾和和装滤在颗粒:必须严格控制微粒含量、钠 金属杂质以及水含量。为控制沾污,光刻胶供应商需严密地过滤和封,在涂光刻胶前,用带有薄膜的过 在使用之前就把光刻胶的污染控制阶梯覆盖度:随着晶圆生产工艺的进行,在晶圆
14、表面得到了很多层,对于光刻胶的 阻隔刻蚀的作用,必须在以前层上面保持 足够的厚度。光刻胶用足够厚的膜覆盖晶 圆表面层的能力是一个重要的参数。热流程:在光刻工艺工程中有两个加热的过 程,第一个称为软烘焙,用来把光刻胶里的 溶剂蒸发掉。第二个称为硬烘焙,发生在光 刻胶层被显影之后,为了增加光刻胶对晶圆表面的黏结能力。然而,在硬烘焙过程中光刻胶可能会变软和 流动。流动的量对最终的图形尺寸有重要影 响。工艺工程中必须考虑热流程带来的尺寸 变化。光刻胶热流程越稳定,对工艺流程越有利。表面张力:指的是液体中将表面分子拉向 液体主体内部的分子间吸引力。光刻胶具 有产生相对大的表面张力的分子间力,所 以在不同
15、的光刻工艺步骤中光刻胶分子会 聚在一起,同时光刻胶的表面张力必须足 够小,从而在应用时提供良好的流动性和 硅的覆盖性。存储和传送:能量会激活光刻胶的化学性质,无论是光能还是热能,这就要求小心控制存 储和使用条件。光刻胶使用褐色的瓶子来存储,彩色的玻璃瓶也可以保护光刻胶,以免受杂散光的照射。I在超过存储期或较高的温度时,负胶会发生 交联,正胶会发生感光剂延迟。如果因为容 器开口而使光刻胶中的溶剂挥发,那么其粘 度会改变。6.4.3正胶和负胶的比较 直到20世纪70年代中期,负胶一直在光 刻工艺中占主导地位。到了20世纪80年代,正胶才逐渐被接受。|这个转变需要改变掩模板的极性。正胶和暗场掩模板组
16、合可以减少晶圆表面 附加的针孔。负胶的另一个问题是氧化。可使光刻胶膜 变薄20%。正胶比负胶的成本高。两种光刻胶的显影属性不同,负胶所用的 显影液非常容易得到,聚合和非聚合区域 的可溶性有很大不同。图形尺寸相对保持 恒定。I正胶来说,聚合和非聚合区域的可溶性区 别较小,显影液需要仔细调制,并且在显 影过程中需要进行温度的控制,加入溶解 阻止系统,控制显影过程中的图形尺寸。光刻胶的去除,正胶比负胶容易,可以用 受环境影响小的化学品去除。生产先进的工艺会选择正胶,对于图形尺 寸大于2微米的工艺还在用负胶。参数负股正胶_纵横比(分辨力)更高黏结力更好曝光速度更快用数二更少阶梯覆盖度更好成本更高显影液
17、有机溶剂水溶性溶剂光刻胶去除剂.靴工步酸酸金属工氯化溶剂化合物普通辘剂6.4.4光刻胶的物理属性1.固体含量光刻胶是一种液体,通过旋转的方法涂到晶 圆表面。固体含量和粘度决定了光刻胶留在 晶圆表面的厚度。光刻胶是由聚合物,光敏剂和添加剂混合在 溶剂中构成的。不同的光刻胶包含不同数量 的固体物。光刻胶的固体含量是由光刻胶中重量的百分 比来表示的。固体含量范围在20%-40%。2.折射系数光刻胶的光学性质会在曝光系统中产生。一个重要的性质就是折射。对于光刻胶,它 的折射率和玻璃的比较接近,大约是1.456.5表面准备为确保光刻胶能和晶圆表面很好黏贴,必 须进行表面准备。由三个阶段来完成:6.5.1
18、 微粒清除清洗方法:高压氮气吹除化学湿法清洗旋转刷刷洗高压水流6.5.2 脱水烘焙保持憎水性表面的两种方法1,把室内湿度保持在50%以下,并且在晶圆 完成前一步工艺之后尽可能快地对晶圆进行涂胶2.把晶圆存储在用干燥并且干净的氮气净化 过的干燥器中。为了使晶圆表面达到可接受的粘贴属性,一些附加的步骤被加入进来,包括脱水烘 焙和涂底胶。脱水烘焙的三种温度范围1.在150200温度范围内(低温),晶 圆表面会被蒸发;2.400(中温)时,与晶圆表面结合比较松 的水分子会离开;3,超过75 00c(高温)时,晶圆表面从化学性 质上讲恢复到了憎水性条件。低温烘焙好处1,可通过热板、箱式对流传导或者真空烤
19、箱达到2,进行旋转工艺前不用花很长时间等待晶圆冷却 容易和旋转烘焙结合起来,形成脱水旋转烘焙系统。.高温烘焙缺点 1 必须和炉管反应炉结合,不利于旋转工艺。2.高温会使晶圆内部掺杂结合处能够移动并且 晶圆表面的可移动离子污染物可以移入晶圆内 部,造成器件可靠性和功能问题。6.5.3晶圆涂底胶(涂漆)底胶的选择:有很好的吸附能力并且要为1 式涂漆提供一个平滑的表面。广泛应用的是六甲基乙硅烷(HMDS).方法有:1、沉浸式涂底胶2、旋转式涂底胶3、蒸气式涂底胶前两种方法的缺点1.HMDS与晶圆表面直接接触,增加了晶圆 被污染的危险。2.涂完HMDS要充分干燥,否则会溶解光刻胶层底部,干涉曝光、显影
20、和刻蚀。3.HMDS比较贵,旋转涂胶过程中会造成大 量的HMDS损失。以上问题可以通过蒸气式涂底胶来解决。两种常压,一个真空。6.6涂光刻胶目的:在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺 陷的光刻胶膜。普遍应用的涂胶方法是:旋转涂胶四个基本步骤 旋转铺开 旋转甩掉 溶剂挥发光刻胶厚度与旋转速度对照(Y)酱鬟求40000 20004000 60003(rpm)16 0008000胶层的厚度与涂胶时的旋转速度有关,显 然转速大胶层薄.另一方面胶层厚度与液 态胶的粘度有关,在给定的转速下粘度大 则胶层厚.对于不同的光刻胶,即使在同 样的转速和相同的粘度下所得的胶层厚度 也有所不同.661背面涂胶为了保
21、持晶圆背面的氧化物的存在。在正面 涂胶完成之后,通过一个滚动机在晶圆背面 进行涂胶。要求:足够厚的光刻胶膜来阻隔刻蚀。6.7软烘焙软烘焙是一种以蒸发掉光刻胶中一部分溶剂为 目的的加热过程。完成后,光刻胶还保持“软”状蒸发溶剂的原因3溶剂会吸光,干扰对光敏感的聚合物的正常化学反应2、帮助更好的和晶圆黏结参数:时间和温度1 不完全烘焙会造成在曝光过程中图像成形 不完全和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶 漂移。2.过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚 合反应,不与曝光光线反应。I软烘焙的时间和温度由光刻胶供应商提供。负胶必须要在氮气中进行烘焙,正胶在空气 中烘焙。软烘方法:通过设备和三种热传递方法组合来
22、 完成。1,传导:热量通过直接接触物体表面传递。热板是通过传导加热,传导过程中,热表 面的振动原子使待加热的原子也振动起来,通过它们之间的振动和碰撞,原子会变热。2.对流:对流箱,将气体加热,然后利用鼓 风机或压力将气体推向一个空间,能量就 传递给了物体。3.辐射:电磁能量波在空间的传播。物体受 到辐射时,由波夹带着能量直接传递给了 物体分子。摩翅 七 一制桧度 泪血施、I 7、I/I/I J y-/Am/I/1-1/I /1 1 6-Au nW o/o/ZKU44 AZ|,I I Hu-UUV I-I I卜1 1,卜彳J 1/1Hhn朝Hhn1H CJAXJCJAzAn撇辘导翻物带6.8对准
23、和曝光(A&E)A&E的第一步是把所需图形在晶圆表 面上定位或对准。第二步是通过曝光灯或 其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上。6.8.1 对准系统的性能表现.对准系统包括两个子系统:1.一个是要把图形在晶圆表面准确定位2.另一个包括曝光光源和一个将辐射光线导 向到晶圆表面上的机械装置。对准机选择标准1.分辨力/分辨极限2.对准精度3.污染等级4.可靠性5.产率6.总体所有权成本6.8.2对准与曝光系统光刻机的种类表包括光学和非光学两种类型。光学光刻机采用紫外光作为光源,而非光 学光刻机的光源来自电磁光谱的其他部分。光刻机的种类光学 非光学接触式 卜X射线一 接近式 产*电子束一投影式:.L步进
24、式一从方法上看,这些不同的曝光方式大致可 归纳为两种情况.一种是曝光源通过置于 样品上方的掩膜,把掩膜图形的像转移到 样品的胶层中例如接触式的曝光.另一种 则是把曝光源聚成很细的束线,象一支笔 尖,不需要掩膜版直接在样品上的胶层中 写画成图形例如电子束曝光.6.8.3曝光光源广泛使用的曝光光源是高压汞灯,产生的 光为紫外光。6.8.4对准法则第一个掩膜版的对准是把掩膜版上的Y轴与晶 圆平面上的平边成90度放置。接下来的掩膜 都用对准标记与上一层带有图形的掩膜对准o 对准误差,又称未对准。I1.X-Y方向位置错误2.转动3.伸入和伸出套准精度:是测量对准系统把版图套准到 硅片上的能力套准容差:描
25、述要形成的图形层和前层的 最大相对位移,一般说来,套准容差大约 是关键尺寸的1/3。6.8.5光刻机的分类接触式光刻机已涂胶的硅片与玻璃光刻掩膜版直接 接触,片子被吸附在真空吸盘上,然后一 起上升直到片子与掩膜版之间约有几千克 的压力。对准时需要真空吸盘作平动和转 动,直到掩模版和片子的图形对准为止。当掩膜版与晶圆对准后,由反射光和透镜 系统得到的平行紫外光穿过掩膜版照在光 刻胶上。优点:分辨率高。缺点:掩膜版与晶圆直接接触,会损坏较软 的光刻胶层或掩膜版,对提高成品率不利。I掩膜版每曝光15-2 5次就会被丢弃或清洁。不然掩膜版与晶圆之间的尘埃会产生分辨率的 问题。光学系统掩膜版光刻胶光源接
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第六章 光刻 课件 第六
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【曲****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【曲****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。