06光刻技术

2) Spin-up
3) Spinoff
4) Solvent evaporation
– 6.1.2 前烘工艺 page 192
• 使溶剂（~70%）充分挥发，获得固化膜，增强黏附 性；时间与温度 • 烘箱：由外向内的固化 Chamber cover • 热板烘烤：由内向外的固化
Wafer
Hot plate Solvent exhaust
Reticle (may contain one or more die in the reticle field) Projection lens (reduces the size of reticle field for presentation to the wafer surface)
Single field exposure, includes: focus, align, expose, step, and repeat process
• 光源的选择：
– 分辨率、量子效应、衍涉、散射和漫反射（与界面和 光刻胶有关）
(nm) Ultraviolet spectrum Visible spectrum
EUV
VUV
DUV
Mid-UV
Violet
Blue
Green Yellow Orange
Red
4
50
100
150
200
250
300
350
Ultraviolet light
Areas exposed to light are dissolved.
Chrome island on glass mask
Shadow on photoresist
Island
photoresist Photoresist
Window
Exposed area of photoresist
核心：光致抗蚀剂
Ch 8
Fig. 8.15
• 6.1光刻的基本工艺流程： （page 191） Fig. 8.9
– Wafer增粘 涂胶（光致抗蚀剂） 前烘 （软烘） 曝光 后烘* 显影和定影 坚膜 检测 （刻蚀）
UV Light HMDS Resist

Mask

1) Vapor prime
– 6.1.3 曝光 （Ch 7）
• 分辨率 线宽、光源 • 图形畸变 细线条与大晶片（设备与曝光方式）、 光学畸变（光源和掩膜版设计） • 套准精度 设备的机械性能、光路设计和传感系统 • 图形完整性 曝光方式、环境净化、晶片平整度
（膜厚与刻蚀）
– 1）曝光方式
• 接触式曝光：page 165，（紫外光）>5m • 接近式曝光： page 166， （紫外光、软x射线） • 投影式曝光： （Stepper） pages 167-172 （紫外光、平行电子束） • 直写式曝光：（电子束）
Photoresist
Shadow on photoresist
Photoresist Oxide Silicon substrate
Oxide Silicon substrate
Resulting pattern after the resist is developed.
• 2）正性胶：抗蚀剂在曝光前对某些溶剂是不可溶的， 而曝光后却变成可溶解的物质。
• 对抗蚀剂性能的要求：
– 1）高分辨率：光刻胶光刻时所能得到的光 刻图形的最小尺寸。 常用1/W（条线/毫米）表示。 • 这里的分辨率包含光刻胶和曝光两种因素 • 正胶的分辨率高于负胶
• 平均分子量越大，分子量的分散性越大，则分辨 率越小。
W/2 W/2 W/2 W/2
对比度

1 lg(D100 / D0 )
120
100 Relative Intensity (%) 80 Emission spectrum of high-intensity mercury lamp
i-line 365 nm h-line 405 nm g-line 436 nm
60
40 20
DUV 248 nm
0
200 300 400 500 600
Areas exposed to light become crosslinked and resist the developer chemical.
Ultraviolet light Chrome island on glass mask
Exposed area of photoresist
Island Window
Excimer Laser Sources for Semiconductor Photolithography
Wavelengt Material h (nm) KrF ArF F2 248 193 157 Max. Output (mJ/pulse) 300 – 1500 175 – 300 6 Frequency (pulses/sec) 500 400 10 CD Resolution Pulse Length (ns) (m) 25 15 20 0.25 0.18 0.15
Incident wave Reflected wave
Photoresist
Film Substrate Standing waves cause nonuniform exposure along the thickness of the photoresist film.
Emission Spectrum of Typical High Pressure Mercury Arc Lamp
400
450
500
550
600
650
700
13
126 157
193
248
365 i
405 436 g h
Excimer laser
Mercury lamp
Photolithography light sources
Photoresist Reflective Notching Due to Light Reflections
2) Spin coat
3) Soft bake
4) Alignment and Exposure
5) Post-exposure bake
6) Develop
ห้องสมุดไป่ตู้
7) Hard bake
8) Develop inspect
6.1.1光致抗蚀剂与涂胶工艺
– 两种类型的抗蚀剂： （Ch 8）
• 1）负性胶：抗蚀剂在曝光前对某些溶剂是可溶的，而 曝光后硬化成不可溶解的物质。
Wafer stage controls position of wafer in X, Y, Z, q)
Stepper Exposure Field
UV light Reticle field size 20 mm × 15mm, 4 die per field
5:1 reduction lens
Mercury Arc Lamp Intensity Peaks
UV Light Wavelength (nm) 436 405 365 248 Descriptor g-line h-line i-line Deep UV (DUV) CD Resolution (m) 0.5 0.4 0.35 0.25
– 涂胶工艺 – 1）增粘处理
• SiO2膜的干燥处理
• 增粘剂：
Effect of Poor Resist Adhesion Due to Surface Contamination
Resist liftoff
– 2）涂胶方法
• 转速：膜的厚度 • 时间：均匀、稳定
1) Resist dispense
Serpentine stepping pattern
Image exposure on wafer 1/5 of reticle field 4 mm × 3 mm, 4 die per exposure Wafer
Photolithography Track System
准分子激光
– 2）光源
第二单元：图形加工技术 （光 刻 Optical Lithography ） （Ch7~Ch11）
Tungsten LI
Polysilicon
Tungsten plug
Mag. 17,000 X
Micrograph courtesy of Integrated Circuit Engineering
8) Metal etch
Resulting layers
3 2 1 7 8
Cross section
Top view
• 光刻是一种将图形复印和腐蚀相结合的精密表面 加工技术 在集成电路生产过程中，在介质和金 属膜上复印并刻蚀出与设计的掩膜版完全对应的 图形，以实现选择性扩散和金属布线的目的。 • 光刻是集成电路微图形结构加工的关键工艺技术 • 集成电路的特征尺寸基本上是由光刻技术决定的， 因此通常用特征尺寸来评价生产线的技术水平。 • 通常用光刻的套刻次数来表示某中集成电路生产 工艺的难易程度。 • 关键技术：套刻（对准）、图形转移（曝光）、刻蚀
• 光致抗蚀剂有多种，一般主要根据刻蚀对象（线 条粗细、刻蚀深度、光源和材料）而定。根据需 要也有采取多层抗蚀剂的。
• 聚乙烯醇肉桂酸脂（KPR负性胶）
• 紫外光照射后，引起聚合物分子间的交联，形成 不溶于显影液的立体网状结构。
• 2-叠氮1-萘醌5-硫酰氯与聚酚团 （AZ-1350正性胶）
• 紫外光照射后，使邻-叠氮萘醌基团分解，并在 有水存在的情况下，形成五元环羧酸 — 溶于弱 碱液。
– 2）高灵敏度：光刻胶感光所必须的照射量
• 正性胶：显影后使膜厚为零时的最小照射量 • 负性胶：显影后膜厚减薄至原膜厚1/2时的照射 量
– 3）粘附性：与待刻介质之间粘附的牢固程 度，直接影响光刻质量。
• 绝大多数抗蚀剂都是疏水性的，而许多介质（特 别是SiO2是亲水的。
– 4）成膜性：能形成致密性好的、针孔密度小 的薄膜。 – 5）稳定性：主要指烘烤干燥时的热稳定性， 不发生热交联，不发生热形变。 – 6）抗蚀性：能够较长时间抵抗腐蚀剂的侵蚀。 整体的抗蚀性与粘附性、成膜性也关。 – 7）颗粒度和纯度 – 常见光致抗蚀剂及工作原理
Layout and Dimensions of Reticle Patterns
1) STI etch
2) P-well implant
3) N-well implant
4) Poly gate etch
5) N+ S/D implant
6) P+ S/D implant
5 4 6
7) Oxide contact etch
Reticle Pattern Transfer to Resist
UV light source
Shutter
Alignment laser
Shutter is closed during focus and alignment and removed during wafer exposure
Wavelength (nm)
Mercury lamp spectrum used with permission from USHIO Specialty Lighting Products
Figure 14.7
– 紫外光(g-line 436nm, I-line 365nm)、远紫外光 (DUV)（ 193nm, 157nm， P 160~162） – 软x射线 （4Å~20Å）、电子 束（Ch9） – 焦距深度： DOF （p 167~169，例7。 1）
UV exposure light
Mask
Edge diffraction Exposed photoresist
Unexposed photoresist
Surface reflection
Polysilicon
STI
Notched photoresist STI
Substrate
Incident and Reflected Light Wave Interference in Photoresist
• 图形加工（光刻）：包括图形转移（复印） 和图形刻蚀 • 基本要求：
– 高分辨率（光学仪器、光源和感光膜、刻蚀 技术） – 高灵敏度（感光膜 光致抗蚀剂） – 精密的套刻对准（自动化精密机械） – 大尺寸硅片加工（光学仪器、硅片加工精度） – 低缺陷（超净、掩膜版的完整） – 完美的刻蚀
• 图形转移技术（光刻技术）
photoresist Photoresist oxide Oxide silicon substrate Silicon substrate oxide Oxide silicon substrate Silicon substrate
Resulting pattern after the resist is developed.