集成电路光刻工艺

1、集成电路光刻工艺第1页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四2一、光刻的定义：光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。二、光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。第2页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四3三、工艺流程：以负胶为例来说明这八个步骤，一般可分为：打底膜-涂胶-前烘-曝光-显影- 后烘-腐蚀-去胶。第3页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四4打底膜（六甲基二硅亚胺HMDS）六甲基二硅亚胺HMDS反应机理SiO2SiO2OHOH(CH3

2、) 3SiNHSi(CH3) 3O-Si(CH3) 3O-Si(CH3) 3+NH3第4页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四5第5页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四6第6页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四7曝光有多种方法：光学曝光就可分为接触式、接近式、投影式、直接分步重复曝光。此外，还有电子束曝光和X射线曝光等。曝光时间、氮气释放、氧气、驻波和光线平行度都是影响曝光质量曝光方法第7页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四8第8页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四9第9页，共41页，2022年，

3、5月20日，1点28分，星期四102 光刻质量要求与分析一、光刻的质量要求： 光刻的质量直接影响到器件的性能，成品率和可靠性。对其有如下要求，刻蚀的图形完整性好，尺寸准确，边缘整齐，线条陡直；图形内无针孔，图形外无小岛，不染色；硅片表面清洁，无底膜；图形套刻准确。第10页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四11光刻胶的质量和放置寿命(6个月).颗粒0.2 m, 金属离子含量很少化学稳定, 光/热稳定度粘度第11页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四12二、光刻的质量分析：（1）影响分辨率的因素：A、光刻掩膜版与光刻胶的接触;B、曝光光线的平行度;C、掩膜版的

4、质量和套刻精度直接影响光刻精度;D、小图形引起逛衍射;E、光刻胶膜厚度和质量的影响：F、曝光时间的影响：第12页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四13（2）针孔（3）小岛（4）浮胶（5）毛刺、钻蚀G、衬底反射影响：H、显影和刻蚀的影响：第13页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四143 光刻胶光刻胶的分类和光刻胶的质量要求。一、正胶和负胶：根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，可将分为正胶和负胶。正胶：曝光前不可溶，曝光后 可溶负胶：曝光前 可溶，曝光后不可溶第14页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四15二、光刻胶的感光机理聚乙烯醇肉桂酸

5、酯 KPR胶的光交联(聚合)第15页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四161.负性胶由光产生交联常用负胶有聚肉桂酸酯类、聚酯类和聚烃类,2.正性胶由光产生分解胶衬底胶衬底胶衬底掩膜曝光胶衬底显影负胶正胶第16页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四17聚乙烯醇肉桂酸酯 KPR常用负胶有聚肉桂酸酯类、聚酯类和聚烃类第17页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四18DNQ-酚醛树脂光刻胶的化学反应(光活泼化合物)O=S=OORO=S=OORN2oo(1)(2)h-N2重新排列O=S=OORO=S=OORcoOHco(4)(3)+H2O第18页，共

6、41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四19（1）感光度 （2）分辨率（3）抗蚀性（4）粘附性（5）针孔密度（6）留膜率（7）性能稳定三、光刻胶的性能指标第19页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四20第20页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四214 光刻技术简介紫外光为光源的曝光方式:接触式曝光、接近式曝光、投影式曝光三种其他曝光方式:X射线曝光、电子束曝光、直接分步重复曝光、深紫外线曝光。第21页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四22一、接触式曝光由于掩膜版与硅片相接触磨损，是掩膜版的寿命降低。第22页，共41页，2022

7、年，5月20日，1点28分，星期四23接近式曝光是以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命大尺寸和小尺寸器件上同时保持线宽容限还有困难。另外，与接触式曝光相比，接近式曝光的操作比较复杂。二、接近式曝光第23页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四24避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命。掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多，克服了小图形制版的困难。消除了由于掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应，以及掩膜版与硅片表面接触不平整而产生的光散射现象。三、投影式曝光第24页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四25投影式曝光虽有很多优点，但由于光刻设备中许多镜头需要特制

8、，设备复杂第25页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四26四、X射线曝光（420埃）基本要求：一、材料的形变小，这样制成的图形尺寸及其相对位置的变化可以忽略。二、要求掩膜衬底材料透X光能力强，而在它上面制作微细图形的材料透X光能力差，这样在光刻胶上可获得分辨率高的光刻图形。第26页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四27第27页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四28五、电子束曝光 电子束曝光的特点：电子束曝光的精度较高。电子束的斑点可以聚焦的很小，而且聚焦的景深很深，可用计算机控制，精度远比肉眼观察要高。电子束曝光改变光刻图形十分简便。电

9、子束曝光机是把各次曝光图形用计算机设计图形就只要重新编程。 第28页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四29电子束曝光不要掩膜版。电子束曝光设备复杂，成本较高。制作掩膜版第29页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四30第30页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四31三个独特的优点：（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，分辨率可达到11.5微米；（2）不要1:1精缩掩膜，因而掩膜尺寸大，制作方便。由于使用了缩小透镜，原版上的尘埃、缺陷也相应的缩小，因而减小了原版缺陷的影响；六、直接分步重复曝光第31页，共41页

10、，2022年，5月20日，1点28分，星期四32分步重复曝光光学原理图第32页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四33（3）由于采用了逐步对准技术可补偿硅片尺寸的变化，提高了对准精度。逐步对准的方法 也可以降低对硅片表面平整度的要求。第33页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四34七、深紫外线曝光 “深紫外光”大致定义为180nm到330nm间的光谱能量。它进一步分为三个光带：200nm到260nm；260nm到285nm以及285nm到315nm。第34页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四35几种实用的光刻胶配方。PMMA对210nm到

11、260nm的紫外光有感光性，感光性最佳的紫外光光谱约为220nm；PMIK的紫外光感光光谱为220nm到330nm，峰值光谱约为190nm和285nm。第35页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四36AZ240系列光刻胶的感光光谱为240nm到310nm，峰值光谱约为248nm、300nm、315nm。ODVR系列光刻胶的感光光谱为200nm到315nm，峰值光谱为230nm、280nm、300nm。第36页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四37第37页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四38远紫外光作为曝光方法通常有两种：对准曝光和泛光曝光(不必对准)。泛光曝光：该工艺又被称为“多层抗蚀剂技术”，它同时使用深紫外光和标准紫外光的抗蚀剂。深紫外光的抗蚀剂直接被甩到晶片上，填满所有的空隙，留下平坦的表面。然后在上面甩上第二层胶。(第二层胶一般为正胶)。第38页，共41页，2022年，5月20日，1点28分，星期四39上面一层的抗蚀剂在步进光刻机用普通掩膜对准方式曝光，然后显影，这就会在深紫外光