半导体器件与工艺-光刻.ppt

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1、第八章光刻哈尔滨工程大学微电子学半导体器件与工艺光刻工艺是半导体工艺过程中非常重要的一道工序，它是用来在晶圆表面建立图形的工艺过程。这个工艺过程的目标有两个。首先是在晶圆表面建立尽可能接近设计规则中所要求尺寸的图形；第二个目标是在晶圆表面正确定位图形。整个电路图形必须被正确地定位于晶圆表面，电路图形上单独的每一部分之间的相对位置也必须是正确的。最终的图形是用多个掩膜版按照特定的顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来的。因为在光刻工艺过程中的每一步都会有变化，所以对特征图形尺寸和缺陷水平的控制是很难的。光刻操作步骤的数目之多和光刻工艺层的数量之大，可看出光刻工艺在半

2、导体工艺过程中是一个主要的缺陷来源。引言引言光刻工艺是一种多步骤的图形转移过程。首先是在掩膜版上形成所需要的图形，之后通过光刻工艺把所需要的图形转移到晶圆表面的每一层。图形转移是通过两步来完成的。首先，图形被转移到光刻胶层。光刻胶是一种感光物质。曝光后会导致它自身性质和结构的变化。光刻胶被曝光的部分由可溶性物质变成了非溶性物质。这种光刻胶类型被称为负胶，这种化学变化称为聚合。通过化学溶剂（显影剂）把可以溶解的部分去掉，在光刻胶层就会留下一个孔，这个孔就是和掩膜版不透光的部分相对应的。光刻工艺概述第二次图形转移是从光刻胶层到晶圆层。当刻蚀剂把晶圆表面没有被光刻胶

3、盖住的部分去掉的时候，图形转移就发生了。光刻蚀工艺概述对光有负效应的光刻胶，称为负胶。同样还有对光有正效应的光刻胶，称为正胶。光可以改变正胶的化学结构从不可溶到可溶。光刻蚀工艺概述对准容差、晶圆表面情况和光刻层数都会影响到特定光刻工艺的难易程度和每一步骤的工艺。许多光刻工艺都被定制成特定的工艺条件。然而，大部分都是基本光刻10步法的变化。我们所举例的这个工艺过程是一个亮场掩膜版和负胶相作用的过程。光刻10步法基本的光刻胶化学光刻胶的组成光刻胶会根据不同的光的波长和不同的曝光源而进行调试。光刻胶具有特定的热流程特点，用特定的方法配制而成，与特定的表面结合。在光刻

4、胶里面有4种基本的成分：聚合物、溶剂、感光剂和添加剂。基本的光刻胶化学■光敏性和对能量敏感的聚合物对光刻胶光敏性有影响的成分是一些对光和能量敏感的特殊聚合物。普通应用的光刻胶被设计成与紫外线和激光反应,称为光学光刻胶。还有其他光刻胶可以与X射线或者电子束反应。当负胶被正常光照射也会发生聚合反应。为了防止意外曝光，负胶的生产是在黄光的条件下进行的。在正胶中，聚合物是相对不可溶的。在用适当的光能量曝光后，光刻胶转变成可溶状态。这种反应称为光溶解反应。光刻胶中光溶解部分会在显影工艺中用溶剂去掉。基本的光刻胶化学■溶剂光刻胶中容量最大的成分是溶剂。溶剂使光刻胶处于液态

5、，并且使光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶圆表面。■光敏剂化学光敏剂被添加到光刻胶中用来产生或者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谱范围或者把反应光限制到某一特定波长的光。■添加剂不同类型的添加剂和光刻胶混合在一起来达到特定的结果。一些负胶包含有染色剂，它在光刻胶薄膜中用来吸收和控制光线。正胶可能会有化学的抗溶解系统。这些添加剂可以阻止光刻胶没有被曝光的部分在显影过程被溶解。基本的光刻胶化学光刻胶的表现要素光刻胶的选择是一个复杂的程序。主要的决定因素是晶圆表面对尺寸的要求。光刻胶首先必须具有产生所要求尺寸的能力，必须有在刻蚀过程中阻隔刻蚀

6、的功能。在阻隔刻蚀的作用中，保持有特定厚度的光刻胶层中一定不能存在针孔。另外，光刻胶必须能和晶圆表面很好地黏结，否则刻蚀后的图形就会发生扭曲。以上连同阶梯覆盖度，都是光刻胶的表现要素。正胶和负胶的比较用掩膜版和两种不同光刻胶结合而在晶圆表面光刻得到的尺寸是不一样的。由于光在图形周围会有衍射，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。这些变化必须在掩膜版的制作和光刻工艺的设计过程中考虑到。换句话说，光刻胶类型的转变需要一个全新的光刻工艺。正胶和负胶的比较负胶的另一个问题是氧化。这

7、是光刻胶和空气中氧气的反应，它能使光刻胶膜厚变薄20％。而正胶没有这种属性。正胶比负胶的成本要高，但这种高成本可以通过高良品率来抵消。两种类型的光刻胶的显影属性也是不同的。负胶所用的显影剂非常容易得到，聚合和非聚合区域的可溶性有很大的不同。在显影过程中，图形尺寸相对保持恒定。相对于正胶来讲，聚合区域和非聚合区域的可溶性区别较小，它需要用仔细准备过的显影剂来显影，并且在显影过程中要进行温度控制。光刻工艺一、表面准备为确保光刻胶能和晶圆表面很好粘贴，必须要进行表面准备。这一步骤是由三个阶段来完成的：微粒清除、脱水和涂底胶。■微粒清除晶圆几乎总是从一个清洁的区域来到

8、光刻蚀区域的，例如氧化、掺杂、化学气相