林明祥 集成电路制造工艺课件 第五章 光刻

正性光刻胶受光或紫外线照射后感光的部 正性光刻胶受光或紫外线照射后感光的部 受光或紫外线照射后 分发生光分解反应，可溶于显影液， 分发生光分解反应，可溶于显影液，未感光的 部分显影后仍然留在晶圆的表面 负性光刻胶的 未感光部分溶于显影液中， 负性光刻胶 的 未感光部分溶于显影液中 ， 而感光部分显影后仍然留在基片表面。 而感光部分显影后仍然留在基片表面。 正胶：曝光前不可溶，曝光后 正胶：曝光前不可溶， 负胶： 负胶：曝光前 可溶
5.粘附性 粘附性
描述光刻胶粘附于衬底的强度。 描述光刻胶粘附于衬底的强度。 光刻胶与衬底膜层（ 光刻胶与衬底膜层（SiO2、Al等）的粘结能力直接影 、 等 响光刻的质量。不同的衬底表面， 响光刻的质量。不同的衬底表面，光刻胶的粘结能力是 不同的。负性胶通常比正性胶有更强的粘结能力。 不同的。负性胶通常比正性胶有更强的粘结能力。 要求光刻胶能够粘附在不同类型的表面，例如硅， 要求光刻胶能够粘附在不同类型的表面，例如硅，多晶 氮化硅， 硅，氮化硅，二氧化硅和金属等 必须能够经受住曝光、显影和后续的刻蚀， 必须能够经受住曝光、显影和后续的刻蚀，离子注入 的等工艺
光刻胶又称光致抗蚀剂 光刻胶又称光致抗蚀剂(Photo-Resist) ，根 据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化， 据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，有 正光刻胶(Positive optical resist) 正光刻胶 负光刻胶(Negative optical resist) 负光刻胶
Resists arБайду номын сангаас organic polymers that are spun onto wafers and prebaked to produce a film ≈ 0.5 - 1 µm thick.
CH CH 能量 CH
双键 CH
×× × × × × ×× ×× 未聚合的
聚合的
(a)
(b)
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正性胶的基本聚合物是苯酚 甲醛聚合物 聚合物， 正性胶的基本聚合物是苯酚－甲醛聚合物， 的基本聚合物是苯酚－ 也称为苯酚 甲醛树脂。如图所示 苯酚－ 如图所示。 也称为苯酚－甲醛树脂 如图所示。
邻位 （ 2 和 6 ）
间位 （ 3 和 4 ） 对位（ 4 ）
间甲 酚
甲醛
在光刻胶中聚合物是相对不可溶的， 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。 当能量的光照后变成可溶状态 。 这种反应称为 光溶解反应
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树脂
固体有机材料（胶膜的主体） 固体有机材料（胶膜的主体） 转移图形到硅片上 UV曝光后发生光化学反应 曝光后发生光化学反应， 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
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4.大尺寸硅片的加工 大尺寸硅片的加工 随着晶圆尺寸增大， 随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆 片的膨胀和收缩。 片的膨胀和收缩。因此对周围环境的温度 控制要求十分严格， 控制要求十分严格，否则会影响光刻质量 5.低缺陷 低缺陷 缺陷会使电路失效， 缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷
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5.2 光刻胶的组成材料及感光原理
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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。 腐蚀相结合的精密表面加工技术。 光刻的目的： 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 把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构, 形，把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构 从而实现选择性扩散 金属薄膜布线的目的 选择性扩散和 的目的。 从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。
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3.对比度 对比度(Contrast) 对比度
衡量光刻胶辨别亮(light)/暗(dark)区域的能力 暗 衡量光刻胶辨别亮 区域的能力 测量方法：对一定厚度的光刻胶，改变曝光剂量， 测量方法：对一定厚度的光刻胶，改变曝光剂量，在 固定时间内显影，看显影后留下的光刻胶厚度。 固定时间内显影，看显影后留下的光刻胶厚度。 对比度高的光刻胶造成更好的分辨率
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正性光刻胶－ 正性光刻胶－Positive Optical Resist
正胶的光化学性质是从抗溶 解到可溶性。 解到可溶性。 正胶曝光后显影时感光的胶 层溶解了。 层溶解了。 现有VLSI工艺都采用正胶 现有 工艺都采用正胶
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正胶机制
曝光使感光材料 (PAC)中分子裂解， 中分子裂解， 中分子裂解 被裂解的分子在显 影液中很易溶解， 影液中很易溶解， 从而与未曝光部分 形成强烈反差。 形成强烈反差。
光刻胶是光刻工艺的核心， 光刻胶是光刻工艺的核心，光刻过程中的所有 特定的光刻胶性质和 操作都会根据特定的光刻胶性质 操作都会根据特定的光刻胶性质和想达到的预 期结果而进行微调 而进行微调。 期结果而进行微调。光刻胶的选择和光刻工艺 的研发是一个非常漫长的过程。 的研发是一个非常漫长的过程。
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光刻胶种类
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集成电路的特征尺寸是否能够进一 集成电路的特征尺寸是否能够进一 特征尺寸 步减小，也与光刻技术 光刻技术的近一步发展有 步减小，也与光刻技术的近一步发展有 密切的关系。 密切的关系。 通常人们用特征尺寸 特征尺寸来评价一个集 通常人们用特征尺寸来评价一个集 成电路生产线的技术水平。 成电路生产线的技术水平
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光刻胶材料参数
分辨率 (resolution) 敏感度 (Sensitivity) 对比度 (Contrast) 粘滞性 粘附性 抗蚀性
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1.光刻胶的分辨率 光刻胶的分辨率（resolution） 光刻胶的分辨率
在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为 对光刻胶的分辨率。 对光刻胶的分辨率。 产生的线条越小，分辨率越高。 产生的线条越小，分辨率越高。分辨率不仅 与光刻胶本身的结构、性质有关， 与光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定 的工艺有关，比如：曝光光源、显影工艺等。 的工艺有关，比如：曝光光源、显影工艺等。 正胶的分辨率较负胶好，一般2µ 以下工艺 正胶的分辨率较负胶好，一般 µm以下工艺 用正胶
可溶， 可溶，曝光后不可溶
光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。 光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。 因此光刻通常在黄光室（Yellow Room））内进行。 因此光刻通常在黄光室（ ） 内进行。 黄光室
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正胶和负胶的比较
正胶
a)分辨率高 小于 微米 分辨率高 小于1微米 b)抗干法刻蚀能力强 抗干法刻蚀能力强 c)较好的热稳定性 较好的热稳定性
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光刻的要求
对光刻的基本要求： 对光刻的基本要求： （1）高分辨率 ） （2）高灵敏度 ） （3）精密的套刻对准 ） （4）大尺寸硅片上的加工 ） （5）低缺陷 ）
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1. 高分辨率
分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区 分开来的能力， 分开来的能力，即对光刻工艺中可以达到 的最小光刻图形尺寸的一种描述， 的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻 精度和清晰度的标志之一。 精度和清晰度的标志之一。随着集成电路 的集成度提高，加工的线条越来越细， 的集成度提高，加工的线条越来越细，对 分辨率的要求也越来越高。 分辨率的要求也越来越高。
第五章 光刻 －Lithography
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光刻是IC制造业中最为重要的一道工艺 光刻是IC制造业中最为重要的一道工艺 IC 硅片制造工艺中，光刻占所有成本的35% 硅片制造工艺中，光刻占所有成本的35% 占所有成本的
通常可用光刻次数及所需掩模的个数来表示某生产 通常可用光刻次数及所需掩模的个数来表示某生产 及所需掩模的个数 工艺的难易程度。 工艺的难易程度。 一个典型的硅集成电路工艺包括15－20块掩膜版 一个典型的硅集成电路工艺包括 － 块掩膜版
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负性光刻胶 Negative Optical resist
负胶的光学性能是从可溶 解性到不溶解性。 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， 用形成网络结构，在显影 液中很少被溶解， 液中很少被溶解，而未被 曝光的部分充分溶解。 曝光的部分充分溶解。
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小结： 小结：正性和负性光刻胶
分辨率表示每mm内能够刻蚀出可分辨的最多线条数。 分辨率表示每mm内能够刻蚀出可分辨的最多线条数。 mm内能够刻蚀出可分辨的最多线条数 R= 1/2L
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2.高灵敏度 高灵敏度 灵敏度是指光刻胶感光的速度。 灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提 高产量要求曝光时间越短越好， 高产量要求曝光时间越短越好，也就要 求高灵敏度。 求高灵敏度。 3.精密的套刻对准 精密的套刻对准 集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻， 集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻， 每次光刻都要相互套准。 每次光刻都要相互套准。 由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上， 由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上， 因此，对套刻要求很高。要求套刻误差在 因此，对套刻要求很高。 特征尺寸的10％左右。 特征尺寸的 ％左右。
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树脂
树脂是一种惰性的聚合物，包括碳 树脂是一种惰性的聚合物，包括碳、氢、氧的 聚合物 有机高分子。 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。 起的粘合剂。 对负性胶， 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 在大多数负性胶里面， 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－－ 类型。 －－抗刻 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。 蚀的物质，如图所示。
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2.灵敏度 (Sensitivity) 灵敏度S 灵敏度
h S= I•t
h为比例常数；I为照射光强度，t为曝光时间 为比例常数； 为照射光强度， 为曝光时间 为比例常数 为照射光强度 灵敏度反应了需要多少光来使光刻胶曝光， 灵敏度反应了需要多少光来使光刻胶曝光，即 光刻胶感光所必须的照射量。 光刻胶感光所必须的照射量。 曝光时间越短，S越高。 曝光时间越短， 越高。 越高 波长越短的光源（射线）能量越高。 波长越短的光源（射线）能量越高。在短波长 光曝光，光刻胶有较高的灵敏度。 光曝光，光刻胶有较高的灵敏度。
负胶
a)对某些衬底表面粘附性好 对某些衬底表面粘附性好 b) 曝光时间短，产量高 曝光时间短， c) 工艺宽容度较高 （显影液稀释度、温度等） 显影液稀释度、温度等） d) 价格较低 （约正胶的三分之一） 约正胶的三分之一）
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光刻胶种类
负胶 • 曝光后变为 可溶 • 显影时未曝光的部 分溶解于显影液 • 图形与掩模版相反 • 分辨率较低 • 含二甲苯，对环境、 含二甲苯，对环境、 身体有害。 身体有害。 正胶 • 曝光后变为可溶 • 显影时曝光的部分 溶解于显影液 • 图形与掩模版相同 • 更小的聚合物尺寸， 小的聚合物尺寸， 有更高的分辨 • 大 应用于IC fabs 应用于IC
γ=
1 log10 Df Do
Df:完全溶解光刻胶所需的曝光剂量； 完全溶解光刻胶所需的曝光剂量； 完全溶解光刻胶所需的曝光剂量 D0:溶解光刻胶所需的阈值曝光剂量 溶解光刻胶所需的阈值曝光剂量
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4.粘滞性 粘滞性
指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标。 指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标。 与时间有关， 与时间有关，因为它会在使用中随着光刻胶中溶剂 的挥发增加。 的挥发增加。
所谓特征尺寸（CD： dimension） 所谓特征尺寸（CD：characteristic dimension） 特征尺寸 是指设计的多晶硅栅长， 是指设计的多晶硅栅长，它标志了器件工艺的总 体水平， 体水平，是设计规则的主要部分 通常我们所说的0.13µm,0.09µm工艺就是 µ 通常我们所说的 µ 工艺就是 指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。 指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。
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6.抗蚀性 抗蚀性
光刻胶胶膜必须保持它的粘附性， 光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在 后续的湿刻和干刻中保护衬底表面。 后续的湿刻和干刻中保护衬底表面。这 种性质被称为抗蚀性。 种性质被称为抗蚀性。 抗蚀性
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5.2.1 光刻胶的组成材料
光刻胶由4种成分组成： 光刻胶由4种成分组成：
树脂（聚合物材料） 树脂（聚合物材料） 感光剂 溶剂 添加剂（备选） 添加剂（备选）