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毕业设计论文半导体光刻工艺技术

毕业设计（论文）报告

题目半导体光刻工艺技术

系别尚德光伏学院

专业液晶显示技术与应用

班级0801

学生姓名

学号

指导教师

2011年4月

半导体光刻工艺技术

摘要：

在平面晶体管和集成电路生产中，要进行多次的光刻，以实现选择性扩散和金属膜布线的目的。

光刻工艺是利用光刻胶的感光性和耐蚀性，在SIO2或金属膜上复印并刻蚀出与掩模版完全对应的几何图形.由于光刻工艺是一种非常精细的表面加工技术,在平面器件和集成电路生产中得到广泛应用.如果把硅片的外延、氧化、扩散和淀积看成是器件结构的纵向控制的话,那么，器件的横向控制就几乎全部有光刻来实现.因此,光刻的精度和质量将直接影响器件的性能指标,同时也是影响器件的成品率和可靠性的重要因素.

目前生产上通常采用的紫外光接触暴光法光刻工艺的一般过程;列出几种常用的光刻腐蚀剂配方;最后对光刻工艺中较常见的质量问题进行分析和讨论.

关键词：

光刻、工艺、光刻胶、质量问题

Semiconductorlithographytechnology

Abstract：

Intheplanartransistorandintegratedcircuitproduction,toberepeatedlithography,inordertoachieveselectiveproliferationandmetalfilmwiringpurposes.Photoresistlithographyprocessistheuseofphotosensitiveandcorrosionresistance,intheSIO2oretchingametalfilmcopiesandcorrespondingexactlywiththemaskgeometry.Aslithographyisaveryfinesurfaceprocessingtechnology,Intheproductionofplanardevicesandintegratedcircuitsarewidelyused.Ifthesiliconepitaxy,oxidation,diffusionanddepositionastheverticalstructureofthecontroldevice,thenthelateralcontroldeviceandalmostallhadalithographytoachieve.Therefore,theaccuracyandqualityoflithographywilldirectlyaffectthedeviceperformance,butalsoaffectdeviceyieldandreliabilityoftheimportantfactors.

CommonlyusedoncurrentproductionofUVexposurelithographyexposurethegeneralprocessoflaw;listsseveralcommonlithographycorrosiveformula;Finally,thelithographyprocessinthequalityofthemorecommonproblemsareanalyzedanddiscussed.

KeyWords:

Lithography、Technology、Photoresist、Qualityproblems

前言……………………………….…………………………………………..……….1

第1章光刻工艺简介………….…………...………………………………………...2

1.1光刻工艺的定义……………..……………………………….………...……...2

1.2光刻工艺剖析………………..……………………………….……….......…...2

表面准备……………..………….……………………….………...…...2

涂光刻胶……………..…….…………………………….………...….2

软烘培……………..…………….……………………….………...….2

对准和曝光……………..……………….……………….………...….3

第2章光刻工艺流程……………….……...………………………………..……….3

光刻工艺步骤……………….……...………………………………………….3

涂胶….……...…………………………………...……………………..….3

前烘….……...…………………………………...……………………..….3

曝光….……...……………………………………...…………………..….4

显影….……...………………………………………...………………..….4

坚膜….……...…………………………………………...…………..…….4

腐蚀….……...……………………………………………...………..…….5

去胶….……...……………………………………………...……..……….5

2.2曝光时影像分辨率的因素….……...………………………..…………..…….5

掩膜版与光刻胶膜的接触情况….……...……………...…………..…….5

曝光光线的平行度….……...……………………………...……..……….5

光的衍射和反射….……...………………………………………..…...….5

光刻胶膜的质量和厚度.……...…………………………...…………..….5

曝光时间….……...……………………………………………………......6

掩膜版的分辨率和质量….…...………………………...……………..….6

第3章光刻胶的特性和配置……………………………………………………..….6

3.1光刻胶的性质……………………......………………………………..…….6

3.2光致抗蚀剂的种类……………..…...…………………………….……..….6

负性光致抗蚀剂…………..………………………………….…..…….6

3正性光致抗蚀剂…………..………………………………….…..…….7

3.3对光致抗蚀剂性能的要求……..………...……………………….…..…….8

3.4光刻胶的配置…………..…………………...…………………….…..…….9

3KPR光刻胶………….………………….…………………….…………....9

聚酯类光刻胶…………..…………………………………….………….10

第4章光刻质量分析…………………….……………...………………………….10

光刻过程中的一些缺陷…….……...…………..………………………….10

浮胶……………………….……...………………………………….10

毛刺和钻蚀…………….……...……………………………….………….11

针孔…………….……...………………………………………….……….12

小岛…………….……...……………………………………….………….12

附录………………………………………………………………………….……….14

谢辞……………………………………………………………………………….15

参考文献………………………………………………………………………….16

前言

在微电子机械系统（MEMS）和集成电路的生产中，光刻工艺都是重要的工艺步骤。

是在将来都将是一个永无止境的高技术的难题，也将面临着各种挑战。

与此同时，不断缩小的器件结构，对硅片的内在性能的要求也更高、更苛刻。

这些需求迫使光刻技术不断采用新工艺、新技术解决实际问题，迎接高科技的挑战。

第1章光刻工艺简介

1.1光刻工艺的定义

光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面层上所规定的特定区域的基本操作。

（Photolithography、Photomasking、Masking、Oxide、lRemoval-OR,MR、Microlithography）

光刻工艺是是化合物半导体器件制作中最常用的工艺，也是最关键的工艺之一；它是将掩膜版上的图形转移到衬底表面的光刻胶图形上，为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备。

一般的光刻工艺流程包括前处理、匀胶、前烘、对准曝光、显影、后烘，可以根据实际情况调整流程中的操作。

根据曝光方式可分为接触式、接近式和投影式，根据光刻面数的不同有单面对准光刻和双面对准光刻，根据光刻胶类型不同，有薄胶光刻和厚胶光刻。

光刻工艺的要求：

光刻工具具有高的分辨率；光刻胶具有高的光学敏感性；准确地对准；大尺寸硅片的制造；低的缺陷密度。

1.2光刻工艺剖析

1.2.1表面准备

微粒清除：

高压氮气吹除、化学湿法清洗、旋转刷刷洗、高压水流；

脱水烘焙：

低温烘焙（150~200℃），憎水性-hydrophobic 亲水性-hydrophilic

晶圆涂底胶：

HMDS（六甲基乙硅烷）沉浸式涂底胶、旋转式涂底胶、蒸气式涂底胶

涂光刻胶

普通的光刻胶涂胶方法有三种：

刷法、滚转方法和浸泡法；

IC封装用光刻胶的涂布方法如下：

静态涂胶工艺、动态喷洒、移动手臂喷洒、手动旋转器、自动旋转器、背面涂胶

软烘焙

热传递的三种方式：

传导、对流和辐射；

常用的软烘焙加热方式如下：

对流烘箱、手工热板、内置式单片晶圆加热板、移动带式热板、移动带式红外烘箱、微波烘焙、真空烘焙

对准和曝光（A&E）

对准系统的性能表现：

对准系统包含两个主要子系统、一个是要把图形在晶圆表面上准备定位，另一个是曝光子系统，包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向晶圆表面上的机械装置；

对准与曝光系统：

光学（接触式、接近式、投影式、步进式），非光学（X射线、电子束）

曝光光源：

高压汞灯、准分子激光器、X射线及电子束；

对准法则：

第一个掩膜版的对准是把掩膜版上的Y轴与晶圆上的平边成90°放置，接下来的掩膜都用对准标记（又称靶）与上一层带有图形的掩膜对准。

对准误差称为未对准（misalignment）

第2章光刻工艺流程

在平面管和集成电路生产中，都要经过多次光刻。

虽然各次光刻的目的要求和工艺条件有所差别，但其工艺过程是基本相同的。

光刻工艺一般都要经过涂胶，前烘，曝光，显影，坚膜，腐蚀和去胶等七个步骤。

2.1光刻工艺步骤

2.1.1涂胶

涂胶就是在SIO2或其他薄膜表面，涂布一层粘附良好，厚度适当，厚薄均匀的光刻胶膜。

涂胶前的硅片表面必须清洁干燥，如果硅片搁置较久或光刻返工，则应重新进行清洗并烘干后再涂胶。

生产中，最好在氧化或蒸发后立即涂胶，此时硅片表面清洁干燥，光刻胶的粘附性较好。

涂胶一般采用旋转法，其原理是利用转动时产生的离心力，将滴在硅片的多余胶液甩去，在光刻胶表面张力和旋转离心力共同作用下，扩展成厚度均匀的胶膜。

胶膜厚度可通过转速和胶的浓度来调节。

涂胶的厚度要适当，膜厚均匀，粘附良好。

胶膜太薄，则针孔多，抗蚀能力差；胶膜太厚，则分辨率低。

在一般情况下，可分辨线宽约为膜厚的5～8倍。

2.1.2前烘

前烘就是在一定的温度下，使胶膜里的溶剂缓慢地挥发出来，使胶膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。

前烘的温度和时间随胶的种类及膜厚的不同而有所差别，一般通过实验来加以确定。

前烘的温度和时间必须适当。

温度过高会引起抗蚀剂的热交联，在显影时留下底膜，或者增感剂升华挥发使感光灵敏度下降；前烘温度过低或时间过短，则抗蚀剂中的有机溶剂不能充分挥发，残留的溶剂分子会妨碍光交链反应，从而造成针孔密度增加，浮胶或图形变形等。

同时，前烘时还不能骤热，以免引起表面鼓泡，产生针孔甚至浮胶。

一般前烘是在80℃恒温干燥箱中烘烤1015分钟；也可以用红外灯在硅片背面烘烤，使胶膜的干燥从里到外，以获得良好的前烘效果。

2.1.3曝光

曝光就是对涂有光刻胶的基片进行选择性光化学反应，使曝光部分的光刻胶改变在显影液中的溶解性，经显影后在光刻胶膜上得到和掩膜版相对应的图形。

生产上，通常都采用紫外光接触曝光法，其基本步骤是定位对准和曝光。

定位对准是使掩膜版的图形和硅片上的图形精确套合，因此要求光刻机有良好的对准装置，即具有精密的微调和压紧机构，特别是在压紧时保证精确套合不发生位移。

此外，光刻机还应具有合适的光学观察系统，要求有一个景深较大，同时又有足够高分辨率的显微镜。

曝光量的选择决定于光刻胶的吸收光谱，配比，膜厚和光源的光谱分布。

最佳曝光量的确定，还要考虑衬底的光反射特性。

在实际生产中，往往以曝光时间来控制曝光量，并通过实验来确定最佳曝光时间。

2.显影

显影是把暴光后的基片放在适当的溶剂里，将应去除的光刻胶膜溶除干净，以获得腐蚀时所需要的抗蚀剂膜的保护图形，KPR胶通常用丁酮。

2.坚膜

坚膜是在一定温度下对显影后的硅片进行烘焙，除去显影时胶膜所吸收的显影液和残留的水份，改善胶膜与硅片的粘附性，增强角膜的抗蚀能力。

坚膜的温度和时间要适当。

坚膜不足，则抗蚀剂胶膜没有烘透，膜与基片粘附性差，腐蚀时易浮胶；坚膜温度过高，则抗蚀剂胶膜会因热膨胀而翘曲或剥落，腐蚀时同样会产生钻蚀或浮胶。

温度更高时，聚合物将分解，影响粘附性和抗蚀能力。

此外，坚膜时最好采用缓慢升温和自然冷却的烘焙过程。

对于腐蚀时间较长的厚膜刻蚀，可在腐蚀一半后再进行一次坚膜，以提高胶膜的抗蚀能力。

2.腐蚀

腐蚀就是用适当的腐蚀剂，对未被胶膜覆盖的SiO2或其他薄膜进行腐蚀，以获得完整、清晰、准确的光刻图形，达到选择性扩散或金属布线的目的。

光刻工艺对腐蚀剂的要求是：

只对需要除去的物质进行腐蚀，而对抗蚀剂胶膜不腐蚀或腐蚀量很小。

同时，还要求腐蚀因子要足够大。

腐蚀因子的定义是腐蚀深度与一边的横向腐蚀量很小。

同时，还要求腐蚀因子要足够大。

腐蚀因子的定义是腐蚀深度与一边的横向腐蚀量之比。

腐蚀因子越大，表示横向腐蚀量越小。

此外，还要求腐蚀图形边缘整齐、清晰；腐蚀液毒性小，使用方便。

2.去胶

刻蚀或离子注入之后，已经不再需要光刻胶作保护层，可以将其除去，称为去胶，分为湿法去胶和干法去胶，其中湿法去胶又分有机溶剂去胶和无机溶剂去胶。

有机溶剂去胶，主要是使光刻胶溶于有机溶剂而除去；无机溶剂去胶则是利用光刻胶本身也是有机物的特点，通过一些无机溶剂，将光刻胶中的碳元素氧化为二氧化碳而将其除去；干法去胶，则是用等离子体将光刻胶剥除。

曝光时影响分辨率的因素

 掩膜版与光刻胶膜的接触情况

若硅片弯曲，硅片表面有灰尘或突起，胶膜厚度不均匀，光刻机压紧机构不良等都会影响掩膜版与光刻胶膜的接触情况，从而使分辨率降低。

曝光光线的平行度

曝光光线应与掩膜版和胶膜表面垂直，否则将使光刻图形发生畸变。

 光的衍射和反射

光波在掩膜版图形边缘的衍射和反射将使分辨率降低。

光刻胶膜的质量和厚度

胶膜越厚，光刻胶中固态微粒含量越高，则光线在胶膜中因散射而产生的侧向光化学反应越严重，光刻图形的分辨率也越低。

曝光时间

曝光时间越长，由于光的衍射，反射和散射作用，使分辨率降低。

但曝光不足，则光反应不充分，显影时部分胶被溶解，从而使胶膜的抗蚀能力降低，针孔密度增加。

掩膜版的分辨率和质量

掩膜版的分辨率和质量将影响光刻分辨率。

此外，显影，腐蚀以及光刻胶的性能也是影响光刻分辨率的因素。

第3章光刻胶的特性和配置

3.1光刻胶的性质

光致抗蚀剂是一种主要由碳、氢等元素组成的高分子化合物，其分子结构有线型和体型两种。

线型高分子化合物，其长链之间的结合力主要是靠化学键。

由于分子间作用力比化学键的结合要弱的多，所以线型高分子化合物一般是可溶性的，而体型高分子化合物往往是难溶性的。

如果在高分子化合物内部存在不稳定的双键等可变因素的话，则在外界光或热的作用下，高分子化合物的分子结构就可能会在线型和体型之间发生变化。

分子结构的变化，必然会引起高分子化合物的机械和物理性质的相应变化。

例如，由可溶性变为不可溶性或者相反。

光刻工艺就是利用光致抗蚀剂有这样内在的可变因素，在一定条件下使部分高分子化合物由可溶性转变为不可溶性，或由不可溶性转变为可溶性，将掩模上的图形复印在光刻胶膜上。

然后利用光刻胶膜对腐蚀液的抗蚀性，在硅片表面选择性地刻蚀SIO2或金属膜，实现定域扩散及金属膜布线的目的。

3.2光致抗蚀剂的种类

根据光致抗蚀剂在曝光前后溶解性的变化，可以分为正性光刻胶和负性光刻胶两种。

3.2.1负性光致抗蚀剂

曝光前光致抗蚀剂在有机溶剂中是可溶解的，曝光后成为不可溶的物质，这类抗蚀剂称为负性光致抗蚀剂，由此组成的光刻胶称为负性胶。

目前，主要的负性光致抗蚀剂有聚肉桂酸酯类，聚酯类和环化橡胶类等。

①聚肉桂酸脂类聚肉桂酸脂类抗蚀剂的特点是在树脂分子的侧链上带有肉桂酰感光性官能团。

典型的聚肉桂酸脂类抗蚀剂有聚乙烯醇脂（又称KPR），它是一种浅黄色的纤维状固体，能溶解于丙酮，丁酮，环已酮等有机溶剂中。

在紫外光的作用下，肉桂酰官能团发生二聚反应，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。

光刻胶中加入适量的5-硝基苊，不仅扩大了感光波长范围，而且提高了光刻胶的感光灵敏度，缩短了曝光时间。

聚乙烯醇肉桂酸脂经交联反应后生成的立体网状分子结构不再溶于有机溶剂，干燥后又能耐酸的腐蚀，光刻腐蚀后可以通过多种途径去除干净，因此在光刻技术中得到了广泛的应用。

②聚脂类 聚脂类光致抗蚀剂的特点，是在树脂分子的侧链上含有共轭双键的感光性官能团，具有较强的感光灵敏度；在感光性树脂分子的主链上含有极性基团，因而对一些衬底材料，如SIO2和AL，有较好的粘附性。

聚酯类光刻胶也可用5-硝基苊作增感剂以缩短曝光时间。

聚酯胶与聚乙烯醇肉桂酸酯比较，前者粘附性好，分辨率高，适合于刻蚀细线条。

③环化橡胶类 环化橡胶类抗蚀剂的特点是，其交联反应由带有双感光性官能团的交联剂，在曝光后产生双自由基，和附近的环化橡胶分子相互作用，在聚合物分子链之间形成桥键，从而变成三维结构的不溶性物质。

由于这类抗蚀剂和衬底材料有较强的粘附性，抗蚀能力也很强，特别适合于金属材料的刻蚀。

但由于氧会使交联剂的光化学分解反应停留在中间阶段，即停留在生成N-R-N3的阶段而阻碍了交联反应的进行，因此曝光要在充氮或真空条件下进行。

3.2.2正性光致抗蚀剂

曝光前对某些溶剂是不可溶的，而曝光后却变成了可溶性的抗蚀剂称为正性光致抗蚀剂。

曝光后，可用稀碱性水溶液进行显影。

这时光照部分由于生成羧酸盐而溶解，而未受光照部分难溶，因而显出与掩膜版相同的正图象。

正性抗蚀剂的抗碱性差而耐酸性好，所以常用1.5～3％Na3PO4水溶液进行显影,为了避免钠离子对器件的不良影响,也可用有机碱性水溶液进行显影,如氢氧化四烷基铵水溶液等.由于碱性显影液会受空气中CO2的影响而变质,因此显影速率会随时间发生变化.但正性光刻胶分辨率高,边缘整齐,反刻时易于套刻,是一种重要的抗蚀剂。

3.3对光致抗蚀剂性能的要求

（1）分辨率高 分辨率是指某种光刻胶光刻时所能得到的最小尺寸。

它通常用1mm的宽度上能刻蚀出可分辨的最大线条数目来表示。

若能刻蚀出可分辨的最小线宽为W/2,线与线之间距离也为W/2,则分辨率为1/W,单位为条线。

分辨率与光刻工艺有关;也与光致抗蚀剂本身的结构性质有关。

例如正性胶的分辨率高于负性胶;光刻胶的平均分子量越低,分子量的分散性越小,则分辨率越高。

（2）灵敏度高 光致抗蚀剂的感光灵敏度反映了光刻胶感光所必须的照射量,照射量正比于光强和暴光时间。

对于正性胶,灵敏度定义为暴光显影后膜后为零时的最小照射量;对于负性胶,灵敏度是指暴光显影后膜厚可保留至原膜厚二分之一的照射量。

光刻胶的感光灵敏度和光刻胶的性质及光刻工艺有关。

例如，由于负性胶在暴光时其交联反应会出现连锁反应，因而负性胶一般比正性胶具有更高的灵敏度。

在工艺上，涂胶厚度，显影条件，光源的光谱成分以及增感剂的作用等都对灵敏度有影响。

（3）粘附性好 抗蚀剂与衬底（如SIO2，金属等）之间粘附的牢固程度直接影响到光刻的质量。

影响粘附性的因素有抗蚀剂的性质，衬底的性质及其表面情况。

实践表明，平整，致密，清洁，干燥的衬底表面有利于光刻胶的粘附。

衬底表面的灰尘，油污，水汽以及高低不平，会形成光刻胶粘附的薄弱区域。

由于大多数抗蚀剂都是疏水性的，而湿氧氧化的SIO2表面含有硅醇基（—Si—OH），羟基形式的表面很容易因氢键的作用而吸附水分子，形成亲水性表面。

疏水性的抗蚀剂和亲水性衬底之间的粘附性很差。

在生产中，湿氧氧化后一般都要用高温干氧吹干表面，以形成硅氧桥表面结构（O—SI—O），从而改善其粘附性。

为了避免硅片表面粘污和水汽的不良影响，最好从高温炉中取出后立即进行涂胶，以保证光刻胶和衬底之间有良好的粘附性。

此外，粘附性与胶膜厚度，暴光和烘焙因素也有密切关系。

（4）抗蚀性好 光刻工艺要求抗蚀剂在坚膜后，能较长时间地抵抗腐蚀剂的侵蚀。

光致抗蚀剂的抗蚀性与其本身的性质有关。

例如环化橡胶类抗蚀剂比聚肉桂酸酯类抗蚀剂有更好的抗蚀性能。

（5）稳定性好  光刻工艺要求抗蚀剂在室温和避光的情况下，即使加入了增感剂也不发生暗反应；在烘烤干燥时，不发生热交联。

为了提高抗蚀剂的稳定性，可能加入能抑制活性基团自发反应的稳定剂。

例如，KPR胶可以加对苯二酚等。

此外，还要求光刻胶成膜性好，致密性好，针孔密度低，固态微粒含有率低，显影后无残渣，刻蚀后易去除干净等性能。

3.4光刻胶的配制

光刻时，需根据具体要求将光致抗蚀剂配成胶状液体，称为光刻胶。

光刻胶配制时，应根据不同的刻蚀要求，选取合适的抗蚀剂，增感剂和溶剂。

溶剂的用量决定着光刻胶的稀稠，从而影响光刻胶膜的厚薄。

光刻胶膜薄，暴光时光的散射和衍射作用影响较小，显影时间也缩短，因此光刻图形清晰，边缘整齐，有利于提高分辨率。

但胶膜薄时，抗蚀能力降低，针孔密度会增加。

所以，应根据各次光刻对分辨率和抗蚀性的要求来决定光刻胶的浓度。

配比选择的一般原则是在保证抗蚀能力的条件下，用较薄的胶膜，以提高分辨率。

增感剂的用量，决定着光刻胶的感光灵敏度。

光刻胶中加入适量增感剂，可以缩短暴光时间。

增感剂用量过多，光在感光膜表面被强烈吸收，会造成内层光刻胶暴光不足，显影时出现浮胶。

增感剂过多还会使胶膜变脆，增感剂在显影时被溶解还会使针孔密度增加。

因此增感剂的用量必须适当。

KPR光刻胶

对于KPR光刻胶，其组分的变化范围通常为：

抗蚀剂   聚乙烯醇肉桂酸酯       5～10%

增感剂   5—硝基苊          0.25～1.0%

溶剂     环已酮                90～95%

聚酯类光刻胶

对于聚酯类光刻胶，常用的配方为：

抗蚀剂   聚肉桂叉丙二酸乙醇酯    12ɡ

增感剂   5—硝基苊              

溶剂     环已酮                 100ml

光刻时，可以根据不同的光刻对象和要求，选用不同配比的光刻胶。

光刻胶一般在暗室红灯下配制，待光刻胶充分溶解后，可用离心法，过滤法或沉降法除去光刻胶中的故态杂质微粒。

离心法是用每分钟1000