半导体制造技术[高教课堂].ppt

半导体制造技术,1,气相成底膜到软烘,2,3,学习目标： 1、光刻基本概念，包括工艺描述、CD划分、光谱、分辨率、工艺宽容度等； 2、负性和正性光刻的区别； 3、光刻的8个基本步骤； 4、如何在光刻前处理硅片表面； 5、描述光刻胶并讨论光刻胶的物理特性； 6、讨论传统I线胶的化学性质和应用； 7、深紫外光刻胶的化学性质和优点，包括化学放大光刻胶； 8、解释在硅片制造业中如何应用光刻胶； 9、讨论软烘的目的，并解释它如何在生产中完成。,3,4,4,5,第十三章 光刻：13.1 引言,5,6,6,7,第十三章 光刻：13.1 引言,7,8,光刻：使用光敏光刻胶材料和可控制的曝光在硅片表面形成三维图形，包括：照相、制版、掩膜、图形生成。也就是将图形转移到一个平面的复制过程。 光刻是IC制造中最关键的步骤，处于中心地位，占成本约1/3。,8,掩膜版（投影）：包含要在硅片上重复生成的图形。 光谱：光谱能量要能够激活光刻胶,9,10,10,分辨率：将硅片上两个邻近特征图形区分开的能力特征尺寸、关键尺寸（曝光的波长减小到CD同样大小） 套准精度：硅片上的图案与掩膜版上的图案精确对准 工艺宽容度：光刻始终如一处理特定要求产品的能力,11,12,12,13,光刻（lithography）技术的特点 1、光刻是一种表面加工技术； 2、光刻是复印图象和化学腐蚀相结合的综合性技术； 3、器件的尺寸越小，集成电路的集成度越高，对光刻精度的要求就越高，难度就越大。,13,对光刻的基本要求 高的图形分辨率（resolution)； 高灵敏度(sensitivity)； 低缺陷(defect)； 精密的套刻对准（alignment and overlay) 。,14,15,负胶： 晶片上图形与掩膜相反 曝光部分发生交联反应，不可溶解，变硬 没有曝光的部分去除 正胶: 晶片上图形与掩膜相同 曝光部分发生降解反应，可溶解 曝光的部分去除,15,负胶 Negative Optical resist,负胶的光学性能是从可溶解性到不溶解性。 负胶在曝光后发生交链作用形成网络结构，在显影液中很少被溶解，而未被曝光的部分充分溶解。,16,正胶Positive Optical Resist,正胶的光化学性质是从抗溶解到可溶性。 正胶曝光后显影时感光的胶层溶解了。 现有VLSI工艺都采用正胶,17,18,负胶 正胶,18,19,19,正胶和负胶的比较 在工艺发展的早期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，随着VLSI IC和25微米图形尺寸的出现，负胶已不能满足要求。随后出现了正胶，但正胶的缺点是粘结能力差。 用正胶需要改变掩膜版的极性，这并不是简单的图形翻转。因为用掩膜版和两种不同光刻胶结合，在晶园表面光刻得到的尺寸是不一样的（见下图）由于光在图形周围的衍射效应，使得用负胶和亮场掩膜版组合在光刻胶层上得到的图形尺寸要比掩膜版上的图形尺寸小。用正胶和暗场掩膜版组合会使光刻胶层上的图形尺寸变大。,20,（a）亮场掩膜版和负胶组合 图形尺寸变小 （b）暗场掩膜版和正胶组合 图形尺寸变大,21,正胶成本比负胶高，但良品率高； 负胶所用的显影剂容易得到，显影过程中图形尺寸相对稳定。 对于要求高的制作工艺选择正胶，而对于那些图形尺寸大于2微米的工艺还是选择负胶。图8.21显示了两种类型光刻胶属性的比较。,22,23,光刻工艺8步骤,23,24,24,25,25,26,1、气相成底膜,目的：增强光刻胶与硅片的粘附性 步骤： 清洗， 脱水， 硅片表面成底膜处理。,26,1.分滴：当硅片静止或者旋转的非常慢时，光刻胶被分滴在硅片上 2.旋转铺开：快速加速硅片使光刻胶伸展到整个硅片表面 3.旋转甩掉：甩掉多于的光刻胶，在硅片上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层。 4.溶剂挥发：以固定转速继续旋转涂胶的硅片，直到溶剂挥发，光刻胶胶膜几乎干燥,2.旋转涂胶（Spin-on PR Coating）,27,28,28,3. 软烘（soft baking）,因为光刻胶是一种粘稠体，所以涂胶结束后并不能直接进行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。烘焙后的光刻胶仍然保持“软”状态。但和晶圆的粘结更加牢固。 目的:去除光刻胶中的溶剂。 蒸发溶剂的原因： 1）溶剂吸收光，干扰了曝光中聚合物的化学反应。 2）蒸发溶剂增强光刻胶和晶圆的粘附力。,29,时间和温度是软烘的参数。 不完全的烘焙在曝光过程中造成图像形成不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移； 过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应，影响曝光。,30,31,软烘特点: 增强光刻胶与硅片的粘附性 促进光刻胶的均匀性 提高线宽控制 典型烘焙温度 90 to 100C For About 30 Seconds 在热板上 随后在冷板上降温,31,4.对准和曝光（Alignment） （Exposure ）,对准是将掩膜版与与前道工序中已刻在硅片上的图形对准 曝光是对准以后，将掩膜版和硅片曝光，把掩膜版图形转移到涂胶的硅片上,实现图形复制。,32,33,5、曝光后烘焙,对深紫外线曝光是必须的 典型温度 100 to 110C (热板) 曝光后马上进行 现在成为实际标准,33,显影液溶解部分光刻胶 将掩膜上的图形转移到光刻胶上,6. 显影（Development）,三个基本步骤: 显影清洗干燥,34,35,7、坚膜烘焙,显影后热烘 挥发残留溶剂 提高胶和硅片粘附性 比软烘温度高些 (120 to 140C),35,36,8、显影后检查,确定图形质量 确定质量问题 (缺陷) 描述光刻工艺能满足要求 防止缺陷传递下去 Etch Implant 有缺陷可以去除光刻胶或返工 典型的方法：自动检查，“检查工作站”,36,37,气相成底膜处理,1、硅片清洗：硅片沾污影响粘附性显影和刻蚀中的光刻胶飘移 2、脱水烘焙：200250度 3、硅片成底膜：提高粘附力 成底膜技术：浸泡、喷雾和气相方法,37,第一步:清洗 目的：清除掉晶圆在存储、装载和卸载到片匣过程中吸附到的一些颗粒状污染物。 方法： 1）高压氮气吹除 2）化学湿法清洗：酸清洗和烘干。 3）旋转刷刷洗 4）高压水流喷洗,38,第二步:脱水 目的：干燥晶圆表面，增加表面粘附性。 经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定的水分（亲水性表面），所以必须脱水烘焙使其达到清洁干燥（憎水性表面），以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。,39,第三步 成底膜 增强光刻胶和晶圆的粘附力的方法： A：脱水烘焙 B：涂底胶 用hexamethyldisilazane（HMDS）进行成膜处理 (HMDS:六甲基乙硅烷) 要求： 在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺陷的光刻胶膜,40,41,41,42,42,43,旋转涂胶,光刻胶是一种有机化合物，受紫外曝光后在显影溶液中的溶解度发生变化。 光刻胶的目的： 1、将掩模版图案转移到硅片顶层的光刻胶中 2、在后续工艺中，光刻胶起刻蚀或离子注入阻挡层的作用 底膜不是光刻胶,43,44,光刻胶技术的改善,更好的图形清晰度 (分辩率). 更好的粘附性. 更好的均匀性（一致性）. 增加工艺的宽容度 (less sensitivity to process variations).,44,45,光刻胶的物理特性： 1、分辨率区别硅片表面两个或更多邻近特征图形的能力 2、对比度光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度 3、敏感度光刻胶产生一个良好图形所需一定波长光的最小能量值 4、粘滞性描述液体光刻胶的流动特性 5、粘附性光刻胶粘附于衬底的强度,45,46,光刻胶的物理特性： 6、抗蚀性保持粘附性，并在后续刻蚀工艺中保护衬底表面 7、表面张力液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间吸引力 8、存储和传送保存期限和温度环境，传送时避免沾污、挥发和暴露在大气中 9、沾污和颗粒光刻胶纯度（可动离子沾污和颗粒）-过滤,46,47,47,48,48,传统I线光刻胶由4种成分组成： 树脂（聚合物材料） 感光剂 溶剂 添加剂（备选）,光刻胶的组成材料,49,50,传统I线光刻胶,50,树脂 树脂是一种惰性的聚合物，包括碳、氢、氧的有机高分子。用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。 对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚异戊二烯类型。是一种相互粘结的物质抗刻蚀的物质，如图所示。,51,正性胶的基本聚合物是苯酚甲醛聚合物，也称为苯酚甲醛树脂。如图所示。 在光刻胶中聚合物是相对不可溶的，用适当能量的光照后变成可溶状态。这种反应称为光溶解反应,52,固体有机材料（胶膜的主体） UV曝光后发生光化学反应，溶解性质发生改变 正胶从不可溶到可溶 负胶从可溶到不可溶,树脂,53,光刻胶中的感光剂是光刻胶材料中的光敏成分。即对光能发生化学反应。 如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光的敏感性差，而且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度，而且限制反应光的光谱范围，或者把反应光限制在某一波长的光。,54,溶剂 光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶剂的目的是光刻胶处于液态，以便使光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶园表面。 绝大多数的溶剂在曝光前挥发，对于光刻胶的光化学性质几乎没有影响。, 溶解聚合物 经过旋转涂布可得到薄光刻胶膜,55,添加剂 光刻胶中的添加剂通常是专有化学品，成份由制造商开发，但是由于竞争原因不对外公布。 主要在光刻胶薄膜中用来改变光刻胶的特定化学性质或光响应特性。如添加染色剂以减少反射。,56,57,负胶交联步骤： 1、光刻胶树脂是悬浮在溶剂（可溶于显影剂溶液）中的聚异戊二烯橡胶聚合物 2、曝光使光敏感光剂释放出氮气 3、释放出的氮气产生自由基 4、自由基通过交联橡胶聚合物（不溶于显影液）使光刻胶聚合,57,58,正性I线胶溶解于显影液的步骤： 1、树脂是悬浮于溶剂中的酚醛甲醛聚合物（线形酚醛树脂） 2、感光剂化合物作为强的溶解抑制剂（不溶于显影液）被加到线形酚醛树脂中 3、曝光过程中，DNQ（重氮萘醌）发生光化学分解产生羧酸 4、羧酸提高光刻胶曝光区域的线形酚醛树脂的溶解度（光刻胶在显影液中变得可溶解）,58,59,59,60,化学放大DUV光刻胶的曝光步骤： 1、具有保护团的酚醛树脂使之不溶解于显影液 2、光酸产生剂在曝光时产生酸 3、曝光区域产生的酸作为催化剂，在曝光后热烘过程中移除树脂保护团 4、不含保护团的光刻胶曝光区域溶解于以水为主要成分的显影液,60,61,旋转涂胶,61,62,62,63,软烘,软烘（前烘）目的： 1、光刻胶里面的溶剂去除 2、增强光刻胶的粘附性 3、缓和通过旋涂制备的光刻胶薄膜内的应力 4、防止光刻胶粘到设备上,63,64,无软烘（前烘）后果： 1、光刻胶薄膜发黏易受颗粒沾污 2、内在应力将导致粘附性问题 3、溶剂含量过高导致后续显影时溶解差异，很难区分曝光和非曝光区域 4、光刻胶散发的气体沾污光刻系统透镜,64,65,软烘设备,65,66,光刻胶质量测量,1、光刻胶粘附性：光刻胶去湿（脱落） 原因：沾污、不充分的HMDS成底膜、亲水 2、光刻胶覆盖硅片的质量问题：针孔、溅落、光 刻胶起皮 原因：掩模版/硅片沾污、转速 3、光刻胶膜厚度：厚度应均匀，偏差应小于3nm 原因：转动加速度、转速、粘度、气流,66,小结,本章学习了： 光刻的8个基本步骤； 正胶和负胶的区别 光刻胶的物理特性和应用 气相成底膜和软烘的目的,67,