5、半导体工艺原理-光刻

图中分辨率为0.25μm
焦深（DOF）
焦深是焦点上下的一个范围，在这个范围内图像 连续保持清晰。焦深类似照相的景深，集成电路 光刻中的景深很小，一般在1.0μm左右。
焦深限制光刻胶厚度，并要求表面平坦化
能力强） 2. 对比度好（指曝光区和非曝光区过渡的陡度）
（a）对比度差
（b）对比度好
3. 敏感度好（是指硅片表面光刻胶中产生良好图形 所需要的一定波长光的最小能量值，以mJ/cm2为 单位）
4. 粘滞性好（表征液体光刻胶流动性的一个指标， 即粘度，单位用cps表示）
5. 粘附性好（指光刻胶与衬底表面的粘附性好） 6. 抗蚀性好（在后续刻蚀工艺中，光刻胶很好地保
均匀性：3％以内
显影及显影后的硅片图形
7. 坚膜烘培（Hard Bake）
工艺目的： 使存留在光刻胶中的溶剂彻底挥发，提高光刻胶 的粘附性和抗蚀性。
这一步是稳固光刻胶，对下一步的刻蚀或离子注 入过程非常重要。
工艺方法：热板，温度高于前两次烘焙
8. 显影检查
8. 显影检查
由于光刻胶和
自动涂胶/显影系统－涂胶模块
涂胶模块剖面图
涂胶模块 示意图
光刻胶厚度 p2
t=k
k约等于100 p是光刻胶中固体含量百分比（p越大粘度越大）
ω是涂胶的旋转转速
光刻胶越厚，台阶覆盖和抗刻蚀性能越好，但分辨 率越差，一般厚度1微米左右。
光刻胶旋转速度曲线
3. 软烘（Soft Bake）
衬底折射率不
匹配，抗反射 膜（ARC）类 型不匹配
由于光刻胶
和衬底酸碱 不平衡
由于光刻胶
顶部受到过 多的显影
8. 显影检查
由于光刻胶 受到空气中 氨分子（碱 性）对其光 酸分子在表 面的中和
由于光刻胶 对光的吸收， 使得光刻胶 底部接收到 的光比顶部 少
由于光刻胶 同衬底的粘 附性不好， 或者HMDS 表面处理不 良，或底部 切入
的工艺流程
5.1 引 言
光刻的概念
光刻是把掩膜版上的电路图形精确地转移到硅片 表面光刻胶膜上的过程。
光刻是集成电路制造的关键工艺
光刻示意图
不透光图形（铬膜） 光刻胶
掩膜版
光刻是产生特征尺寸的工序
微芯片上的特征尺寸，是指MOS器件的沟道长度 即多晶硅栅条的宽度；或指双极器件引线孔的大 小。
投影式对准曝 光系统示意图
对准和曝光
工艺目的： 对准和曝光是将掩膜板上的图形通过镜头由紫外线 传递到硅片表面光刻胶膜上, 形成光敏感物质在空 间的精确分布，最终达到图形精确转移的目的。
对准标记
8张掩膜版及经过8次对准和曝光形成的CMOS器件结构
接触式光刻机
设备简单 70年代中期前使
目前光刻的成本很高，已占整个芯片制造总成本 的1/3。
现代IC对光刻的要求越来越高
△ IC的性能↑→
IC集成度↑ 器件尺寸↓
→IC特征尺寸↓
（即光刻线宽↓） →对光刻的要求↑
△ 现代光刻技术已发展到纳米时代（如22nm技术）
光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机 光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化 合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成 的胶状液体 光刻胶受到特定波长光线的作用后，导 致其化学结构发生变化，使光刻胶在某 种特定溶液中的溶解特性改变
用 分辨率:有微米
级的能力 掩膜版和硅片直
接接触,掩膜版 寿命短
接触式光刻机
接近式光刻机
距硅片表面 10微米
无直接接触 更长的掩膜
寿命 分辨率:>3μm
接近式光刻机
投影光刻机（扫描型）
5. 曝光后烘培（PEB）
工艺目的：促进关键化学反应 去除溶剂增强粘附性
工艺方法：热板，温度高于软烘（正胶）
工艺目的：去除光刻胶中的溶剂 改善胶的粘附性
优化胶的光吸收特性和显影能力
缓解涂胶时产生的应力
防止曝光时挥发污染设备。
溶剂含量
65%~85% 涂胶前
10%~20% 涂胶后
4%~7% 软烘后
工艺方法：热板烘烤 温度：85oC到120oC 时间：30秒到60秒 特点：光刻胶底部溶剂先挥发，避免气泡 每次一片，适合自动轨道流水作业
6. 显影 （Develop）
工艺目的： 溶解硅片上 曝光区域 的胶膜，形 成精密的光 刻胶图形。
工艺方法： 正胶显影液： 2.38% 的四甲基氢氧化铵（TMAH）
特点：碱性、水性显影液、轻度腐蚀硅 1. TMAH 喷淋显影，转速1000rpm～1500rpm 2. 去离子水喷淋定影，转速 1000rpm～1500rpm 3. 原位旋转甩干 工艺要求：
数值孔径（NA）
透镜能够把一些衍射光会聚到一点成像，透镜收 集衍射光的能力称为透镜的数值孔径。傅里叶高 阶分量衍射光的损失会影响成像对比度。
数值孔径（NA）
透镜半径
NA nsinm n 透镜焦长
n为图像介质的折射率（空气为1）
θm为主光轴与透镜边缘光线的最大夹角。
透镜半径越大数值孔径越大成像效果越好，但受 到镜头成本的限制。
气相HMDS成底模技术
最常用的HMDS成底模技术 原理：HMDS是液态具有很高的蒸汽压，使HMDS
气流通过加热的硅片表面即可形成底膜。 优点：HMDS消耗量小
工艺时间短 沾污风险小
气相成底模工艺方法： ➢ 硅片放在成底膜真空腔中的热板上，热板温度控
制在200 ℃ ～250℃，用N2携带六甲基二硅胺烷 （HMDS）进入真空腔，处理时间60秒。这样在 硅片上形成了底膜。
自动涂胶/显影系统设备－热板
软烘不当的后果 温度过高或时间过长： 光刻胶光敏感度降低 温度过低或时间不够： 光刻胶显影选择比下降
回顾问题：
1、光刻三要素有哪些？ 2、正胶和负胶的区别？ 3、光刻工艺的八个步骤？ 4、 5、 6、
4. 对准和曝光（Align and Exposure）
对准曝光系统分为两大类：接触式对准曝光系统 和投影式对准曝光系统。
版图文件
亮版
暗版
光刻机
IC制造中最关键的步骤 IC 晶圆中最昂贵的设备 最有挑战性的技术 决定最小特征尺寸
接触式光刻机 光刻的三种方式 接近式光刻机
投影式光刻机
5.2 光刻工艺原理
光刻工艺的8个基本步骤
1. 气相成底膜 3. 软烘 5. 曝光后烘培（PEB） 7. 坚膜烘培
2. 旋转涂胶 4. 对准和曝光 6. 显影 8. 显影检查
复习：
1、离子注入源分类 2、离子注入缺陷？如何解决？ 3、热氧化分类？化学反应式？ 4、影响二氧化硅生长因素？ 5、氧化后质量检测方法？
第五章 光 刻
光刻（ Lithography ）
在硅片表面匀胶，然后将掩模版上的图形转移光 刻胶上的过程，将器件或电路结构临时“复制” 到硅片上的过程。
光刻在整个硅片加工成本中几乎占三分之一。 光刻占40%到50%的流片时间。 决定最小特征尺寸。 重要性：是唯一不可缺少的工艺步骤，是一个复杂
接触式对准曝光系统简单、相对便宜，硅片上图 形与掩膜版完全相同
接触式曝光 易损坏掩膜版
接近式曝光 掩膜版寿命长、分辨率差
投影式曝光是集成电路主流工艺 可实现4倍到10倍的图形缩小，分辨率高
投影式对准曝光系统组成 1. 紫外光源 2. 光学系统 3. 投影掩膜版 4. 对准系统 5. 载片台
光刻工艺的8个基本步骤
1. 气相成底膜（HMDS priming)
工艺目的： 增加光刻胶（共价键）与硅片表面层的粘附性，在 表面为二氧化硅等（离子键、亲水）时尤其重要。
工艺步骤： 1、硅片清洗：污染物会导致光刻胶起层和针孔 2、脱水烘焙：光刻胶与水分子的粘附性差 3、HMDS成底膜：防止硅片吸潮、增强光刻胶粘附
Rinse
Table 2. Recommended soft bake parameters
光谱
5.3 光学光刻
光的能量能满足激活光刻胶，成功实现图形转移
的要求。光刻典型的曝光光源是紫外（UV ultraviolet）光源以及深紫外（DUV）光源、极 紫外（EUV）光源。
3. 在曝光过程中，感光剂（通常为DNQ）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性酚醛树脂的溶解 度
化学放大（CA）深紫外光刻胶 常规的I线光刻胶体系的光吸收敏感性对于更短的
DUV波长较差。 化学放大（CA）的原理是采Baidu Nhomakorabea光吸收敏感性更高
的感光剂和专门的溶解抑制剂。
化学放大DUV光刻胶溶解于显影液的机理 1. 具有保护团的酚醛树脂使之不溶于显影液 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
自动涂胶/显影系统－气相成底膜模块
2. 旋转涂胶（Spin Coating）
光刻胶是一种有机化合物，它受紫外线曝光后在显 影液中的溶解度发生显著变化。
光刻胶的目的 1. 做硅片上的图形模版（从掩膜版转移到硅片上的图
形） 2. 在后续工艺中，保护下面的材料（例如刻蚀或离子
注入）
光刻对光刻胶的要求： 1. 分辨率高（区分硅片上两个相邻特征尺寸图形的
光的衍射
方形小孔的衍射图像（接触孔）
透镜
透镜是一种光学元件，来自物体的光并通过它折 射形成物体的像。 光通过透镜聚焦相当于做一次傅里叶变换。例如 平行光聚焦成一个点。
光通过掩膜版小孔图形衍射进行第一次傅里叶变 换，再通过透镜聚焦进行第二次傅里叶变换，掩 膜版图形在硅片上成像。
曝 光 机 光 学 系 统
光刻胶
正胶
负胶
光刻胶的种类： 根据光刻的要求，光刻胶制成与特定波长的紫外 线有显著的光化学响应，一般按照紫外线把胶分 类：i线光刻胶、g线光刻胶、DUV线光刻胶等。
传统的正性I线光刻胶溶解于显影液的机理 1. 树脂是悬浮于溶剂中的酚醛甲醛聚合物（ 线性酚
醛树脂）
2. 感光剂化合物作为强的溶解抑制剂（不溶解于显 影液）被加到线性酚醛树脂中
光谱
曝光光源
1. 高压汞灯：365nm（I线）、436nm（G线） 2. 准分子激光：248nm（KrF）、193nm（ArF） 3. 等离子体：13.5nm（EUV），开发中
高强度汞灯的发射光谱
曝光光源的光谱
光学
光的反射
入射光线
θi θr
反射光线
θi = θr
光学
光的折射
掩膜版（Reticle或Mask）
➢ 掩膜版的材质有玻璃和石英之分，亚微米及以下 技术都用石英版，石英版的透光性好、热膨胀系 数低。版上不透光的图形是金属铬膜。
掩膜版的制造
➢ 用设计软件例如Cadence生成版图文件（ .gds）。 ➢ 制版机根据版图文件用激光或者电子束将图形写
到掩膜版上，小尺寸图形需要用电子束，花费也 相对更高。 ➢ 制版时需说明为亮版还是暗版。
入射光线
θ1
折射率n1
折射率n2
θ2
折射光线
Snell定律：n1 sinθ1 = n2 sinθ2
光的衍射
当光穿过一个小孔或经过一个轮廓分明的边缘时， 沿小孔边缘产生了干涉图形，结果得到了一个模糊 的图像，这种现象称为衍射。
波长越大 小孔尺寸越小
衍射越明显
光的衍射
衍射光强度随衍射角的变化由小孔图形的傅里叶变 化决定（平行光假设，远场条件）
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
涂胶工艺 工艺目的：在硅片上沉积一层均匀的光刻胶薄膜。 工艺方法： 1. 滴胶 2. 匀胶 ：转速500rpm～700rpm 3. 旋转：转速 3000rpm-5000rpm 工艺要求： ➢ 厚度：1.0μm左右 ➢ 均匀性：3％以内
分步重复光刻机和步进扫描光刻机的NA都能做到
0.60～0.68的水平
数值孔径
分辨率（R）
分辨率是将硅片上两个相邻的关键尺寸图形区分开 的能力。分辨率是光刻中一个重要的性能指标。
k为工艺因子，范围是0.6～0.8 λ为光源的波长
NA为曝光系统的数值孔径
提高分辨率的方法
减小工艺因子k：先进曝光技术 减小光源的波长：汞灯准分子激光（等离子体） 增大介质折射率：浸入式曝光 增大θm：增大透镜半径、减小焦距
护衬底表面，胶的这种性质称为抗蚀性）
7. 颗粒少
光刻胶的成分： 1. 树脂（是一种有机聚合物材料，提供光刻胶的机械
和化学特性） 2. 感光剂（光刻胶材料的光敏成分） 3. 溶剂（使光刻胶具有流动性） 4. 添加剂（控制光刻胶特殊方面的化学物质，备选）
正胶和负胶 正胶：曝光的部分易溶解，占主导地位 负胶：曝光的部分不易溶解 负胶的粘附性和抗刻蚀性能好，但分辨率低