半导体工艺
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稀化光刻胶,通过旋转 形成薄膜
在曝光过程中控制和 / 或 调节光刻胶的化学反应
各种添加的化学成分实 现工艺效果,例如染色
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。
邻位 (2和 6)
间位
间甲 酚
(3和 4)
对位( 4 )
甲醛
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。
金属 掩膜
艺层的数量之大,所以光刻工
#5
艺是一个主要的缺陷来源。
PAD 掩膜
VLSI对光刻的要求
• 高分辨率:集成度越高,特征尺寸越小,
要求光学系统分辨率越高;
• 高灵敏度:曝光时间越短越好; • 套刻精度:套刻误差应小于特征尺寸的
10%;
• 大尺寸硅片加工:膨胀系数; • 低缺陷
光刻工艺流程
• 去水烘烤(Dehydration)>涂胶(Priming)
第八章 光刻
• 光刻:图形由光刻版转移到光刻胶上! • 光刻次数和光刻版个数表征了工艺的难易 • 决定了特征尺寸 • 起源于印刷技术中的照相制版。
光刻的目的
光刻工艺首先是 在晶园表面建立尽可 能接近设计规则中所 要求尺寸的图形,其 次是在晶园表面正确 定位图形。
晶圆
表面层 晶圆
图形层 晶圆
因为最终的图形是用多个掩膜版按照特定
如果掩膜版的图 形是由不透光的区域 决定的,称其为亮场 掩膜版;而在一个暗 场掩膜版中,掩膜版 上的图形是用相反的 方式编码的,如果按 照同样的步骤,就会 在晶园表面留下凸起 的图形。
暗场掩膜版主 要用来制作反刻金属 互联线。
亮场 暗场
刚才介绍了对光有负效应的光刻胶,称为 负性胶。同样还有对光有正效应的光刻胶,称为 正胶。用正性胶和亮场掩膜版在晶园表面建立凸 起图形的情况如图8.7所示。
右图显示了用不同极
性的掩膜版和不同极
掩膜版极性
性的光刻胶相结合而
负
正
产生的结果。通常是
根据尺寸控制的要求 光刻 亮场 空穴
凸起
和缺陷保护的要求来 胶极性
暗场 凸起
空穴
选择光刻胶和掩膜版
极性的。
光刻胶的组成
光刻胶由4种 成分组成: 聚合物
成分 聚合物
溶剂
感光剂
溶剂
添加剂
感光剂
添加剂
功能
当被对准机光源曝光时, 聚合物结构由可溶变成 聚合(或反之)
的顺序在晶园表面一层一层叠加建立起来的。 图形定位的要求就好像是一幢建筑物每一
层之间所要求的正确对准。如 #2
果每一次的定位不准,将会导 栅掩膜
致整个电路失效。除了对特征 #1
阱掩膜
图形尺寸和图形对准的控制,
#3 接触
在工艺过程中的缺陷水平的控
掩膜
制也同样是非常重要的。光刻 #4
操作步骤的数目之多和光刻工
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2~5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Biblioteka Baidu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。
(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
晶圆 (a)
非聚合光刻胶 聚合光刻胶
晶圆 (b)
• 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
时间和温度是软烘焙的参数,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。
负胶必须在氮气中进行烘焙,而正胶可以 在空气中烘焙。
下表总结了不同的烘焙方式。
方法
烘焙时间(分钟) 温度控制 生产率
速度 排队
a) Pattern definition in positive resist, b) Pattern definition in negative resist
a) Pattern transfer from patterned photoresist to
underlying layer by etching, b) Pattern transfer from patterned photoresist to overlying layer by lift-off.
>软烤(Soft Bake)>曝光(Exposure) > 烘烤(Bake)>显影(Develop) >硬烤 (Hard Bake) > 腐蚀(Etch)>去胶 (Photoresist strip)
• 正光刻胶:光致不抗蚀
负光刻胶:光致抗蚀
Transfer of a pattern to a photosensitive material
类型
Waf/Hr
热板
5~15
对流烘箱
30
真空烘箱
30
移动带式红外烘箱 5~7
导热移动带
5~7
微波
0.25
好
单片(小批量) 60
是
一般(好) 批量
400
是
差(一般) 批量
200
是
差(一般) 单片
90
否
一般
单片
90
否
差(一般) 单片
参数
纵横比(分辨力) 黏结力 曝光速度 针孔数量 阶梯覆盖度 成本 显影液 光刻胶去除剂
氧化工步 金属工步
正胶
更好 更快
有机溶剂 酸 氯化溶剂化合物
负胶 更高
更少 更好 更高 水溶性溶剂
酸 普通酸溶剂
涂胶
涂胶
铺展
旋转
高转 速
真空
静态旋转工艺 光刻胶膜的最终厚度是由光刻胶的粘度、 旋转速度、表面张力和国光刻胶的干燥性来决 定的。
• 阶梯覆盖度
随着晶园表面上膜层的不断增加,表面不再是 完全平坦化的,
如图所示。 所以要求光刻
硅晶片
胶必须具有良 再氧化之前
好的阶梯覆盖
( a)
特性。
台阶 硅晶片
再氧化之后 ( b)
光刻 胶浇 注
不充 分 覆盖
旋转 后
完整光 刻胶 覆盖
过多 光刻 胶
光刻胶覆盖
软烘焙
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。但和晶园的粘结更加牢固。
在曝光过程中控制和 / 或 调节光刻胶的化学反应
各种添加的化学成分实 现工艺效果,例如染色
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。
邻位 (2和 6)
间位
间甲 酚
(3和 4)
对位( 4 )
甲醛
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。
金属 掩膜
艺层的数量之大,所以光刻工
#5
艺是一个主要的缺陷来源。
PAD 掩膜
VLSI对光刻的要求
• 高分辨率:集成度越高,特征尺寸越小,
要求光学系统分辨率越高;
• 高灵敏度:曝光时间越短越好; • 套刻精度:套刻误差应小于特征尺寸的
10%;
• 大尺寸硅片加工:膨胀系数; • 低缺陷
光刻工艺流程
• 去水烘烤(Dehydration)>涂胶(Priming)
第八章 光刻
• 光刻:图形由光刻版转移到光刻胶上! • 光刻次数和光刻版个数表征了工艺的难易 • 决定了特征尺寸 • 起源于印刷技术中的照相制版。
光刻的目的
光刻工艺首先是 在晶园表面建立尽可 能接近设计规则中所 要求尺寸的图形,其 次是在晶园表面正确 定位图形。
晶圆
表面层 晶圆
图形层 晶圆
因为最终的图形是用多个掩膜版按照特定
如果掩膜版的图 形是由不透光的区域 决定的,称其为亮场 掩膜版;而在一个暗 场掩膜版中,掩膜版 上的图形是用相反的 方式编码的,如果按 照同样的步骤,就会 在晶园表面留下凸起 的图形。
暗场掩膜版主 要用来制作反刻金属 互联线。
亮场 暗场
刚才介绍了对光有负效应的光刻胶,称为 负性胶。同样还有对光有正效应的光刻胶,称为 正胶。用正性胶和亮场掩膜版在晶园表面建立凸 起图形的情况如图8.7所示。
右图显示了用不同极
性的掩膜版和不同极
掩膜版极性
性的光刻胶相结合而
负
正
产生的结果。通常是
根据尺寸控制的要求 光刻 亮场 空穴
凸起
和缺陷保护的要求来 胶极性
暗场 凸起
空穴
选择光刻胶和掩膜版
极性的。
光刻胶的组成
光刻胶由4种 成分组成: 聚合物
成分 聚合物
溶剂
感光剂
溶剂
添加剂
感光剂
添加剂
功能
当被对准机光源曝光时, 聚合物结构由可溶变成 聚合(或反之)
的顺序在晶园表面一层一层叠加建立起来的。 图形定位的要求就好像是一幢建筑物每一
层之间所要求的正确对准。如 #2
果每一次的定位不准,将会导 栅掩膜
致整个电路失效。除了对特征 #1
阱掩膜
图形尺寸和图形对准的控制,
#3 接触
在工艺过程中的缺陷水平的控
掩膜
制也同样是非常重要的。光刻 #4
操作步骤的数目之多和光刻工
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2~5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Biblioteka Baidu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。
(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
晶圆 (a)
非聚合光刻胶 聚合光刻胶
晶圆 (b)
• 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
时间和温度是软烘焙的参数,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。
负胶必须在氮气中进行烘焙,而正胶可以 在空气中烘焙。
下表总结了不同的烘焙方式。
方法
烘焙时间(分钟) 温度控制 生产率
速度 排队
a) Pattern definition in positive resist, b) Pattern definition in negative resist
a) Pattern transfer from patterned photoresist to
underlying layer by etching, b) Pattern transfer from patterned photoresist to overlying layer by lift-off.
>软烤(Soft Bake)>曝光(Exposure) > 烘烤(Bake)>显影(Develop) >硬烤 (Hard Bake) > 腐蚀(Etch)>去胶 (Photoresist strip)
• 正光刻胶:光致不抗蚀
负光刻胶:光致抗蚀
Transfer of a pattern to a photosensitive material
类型
Waf/Hr
热板
5~15
对流烘箱
30
真空烘箱
30
移动带式红外烘箱 5~7
导热移动带
5~7
微波
0.25
好
单片(小批量) 60
是
一般(好) 批量
400
是
差(一般) 批量
200
是
差(一般) 单片
90
否
一般
单片
90
否
差(一般) 单片
参数
纵横比(分辨力) 黏结力 曝光速度 针孔数量 阶梯覆盖度 成本 显影液 光刻胶去除剂
氧化工步 金属工步
正胶
更好 更快
有机溶剂 酸 氯化溶剂化合物
负胶 更高
更少 更好 更高 水溶性溶剂
酸 普通酸溶剂
涂胶
涂胶
铺展
旋转
高转 速
真空
静态旋转工艺 光刻胶膜的最终厚度是由光刻胶的粘度、 旋转速度、表面张力和国光刻胶的干燥性来决 定的。
• 阶梯覆盖度
随着晶园表面上膜层的不断增加,表面不再是 完全平坦化的,
如图所示。 所以要求光刻
硅晶片
胶必须具有良 再氧化之前
好的阶梯覆盖
( a)
特性。
台阶 硅晶片
再氧化之后 ( b)
光刻 胶浇 注
不充 分 覆盖
旋转 后
完整光 刻胶 覆盖
过多 光刻 胶
光刻胶覆盖
软烘焙
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。但和晶园的粘结更加牢固。