光刻工艺流程及未来发展方向

集成电路制造工艺 光刻工艺流程 作者：张少军

陕西国防工业职业技术学院 电子信息学院 电子****班 24 号 710300 摘要： 摘要：光刻(photoetching)是通过一系列生产步骤将晶圆表面薄膜的特定部分除去

的工艺，在此之后，晶圆表面会留下带有微图形结构的薄膜。被除去的部分可能形状是薄膜 内的孔或是残留的岛状部分。 关键词：光刻胶；曝光；烘焙；显影；前景

Abstract: photoetching lithography (is) through a series of steps will produce wafer surface film of certain parts of the process, remove after this, wafer surface will stay with the film structure. The part can be eliminated within the aperture shape is thin film or residual island. Keywords: the photoresist, Exposure; Bake; Enhancement; prospects

基本光刻工艺流程— 1 基本光刻工艺流程—从表面准备到曝光 1.1 光刻十步法

表面准备—涂光刻胶—软烘焙—对准和曝光—显影—硬烘焙—显影目测—刻蚀—光刻胶去 除—最终目检。 1.2 基本的光刻胶化学物理属性

1.2.1 组成 聚合物+溶剂+感光剂+添加剂,普通应用的光刻胶被设计成与紫外线和激光反应， 它们称为光 学光刻胶（optical resist），还

有其它光刻胶可以与 X 射线或者电子束反应。 ■负胶：聚合物曝光后会由非聚合态变为聚合状态，形成一种互相粘结的物质，抗刻蚀的， 大多数负胶里面的聚合物是聚异戊二烯类型的，早期是基于橡胶型的聚合物。 ■正胶：其基本聚合物是苯酚-甲醛聚合物，也称为苯酚-甲醛 Novolak 树脂，聚合物是相对 不可溶的，在用适当的光能量曝光后，光刻胶转变成可溶状态。 第 1 页/共 9 页 集成电路制造工艺

1.2.2 光刻胶的表现要素 ■分辨率：resolution capability、纵横比-aspect ratio（光刻胶厚度与图形打开尺寸的比值、 正胶一般比负胶有更高的纵横比）。 ■粘结能力：负胶的粘结能力通常比正胶强一些。 曝光速度、灵敏性和曝光源：反应速度越快，在光刻蚀区域晶圆的加工速度越快；灵敏性是 与导致聚合或者光溶解发生所需要的能量总和相关的；波长越短的射线能量越高。 ■工艺宽容度：工艺维度越宽，在晶圆表面达到所需要尺寸的可能性就越大。 ■针孔：针孔是光刻胶层尺寸非常小的空穴，光刻胶层越薄，针孔越多，典型的权衡之一； 微粒和污染水平、阶梯覆盖度和热流程。 1.2.3 正胶和负胶的比较 直到 20 世纪 70 年代中期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，到 20 世纪 80 年代，正胶逐 渐被接受。两者相比优缺点如下：正胶的纵横比更高、负胶的粘结力更强曝光速度更快、正 胶的针孔数量更好阶梯覆盖度更好，但成本更高、正胶使用水溶性溶剂显影而负胶使用有机 溶剂显影。 光刻胶的物理属性 1.2.4 光刻胶的物理属性 ■固体含量：

solid content 一般在 20%-40%。 ■粘度：测试方法有落球粘度计量器、Ostwalk-Cannon-Fenske 方法、转动风向标法、粘度 单位是厘泊（centipoise），另一种单位称为 kinematic 粘度，它是 centistoke，由 粘度（厘 泊）除以光刻胶密度而得到，默认温度为 25 度。 ■折射系数：index of refraction，对于光刻胶其折射率和玻璃接近约为 1.45。 ■储存与控制： 光热敏感度、粘性敏感度、清洁度?? 1.3 光刻工艺剖析

1.3.1 1.3.1 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。 第 2 页/共 9 页 集成电路制造工艺

1.3.2 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。 1.3.3 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（ 1.3.4 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）。 ■曝光后烘焙（PEB）：驻波是使用光学曝光和正性光刻胶时出现的问题，一种减少驻波效 应的方法是在曝光后烘焙晶圆，PEB 的时间和温度的规格是烘焙方法、曝光条件以及光刻胶 化学所决定的。 2 基本光刻工艺流程—从曝光到最终检验 基本光刻工艺流程— 2.1 显影

通过对未聚合光刻胶的化学分解来使图案显影， 显影技术被设计成使之把完全一样的掩膜版 图案复制到光刻胶上。 2.1.1 负光刻胶显影 二甲苯或 stoddart 溶剂显影，n-丁基醋酸盐冲洗。 第 3 页/共 9 页 集成电路制造工艺

2.1.2 正光刻胶显影 碱（氢氧化钠或氢氧化钾）+水溶液、或叠氮化四甲基铵氢氧化物的溶液（T

MAH）。 2.1.3 湿法显影 沉浸-增加附属方法提高显影工艺，机械搅动、超声波或磁声波等；喷射-对负胶而言是标准 工艺，对温度敏感的正胶却不是很有效，隔热冷却（adiabatic cooling）；混凝-是用以获得 正胶喷射显影工艺优点的一种工艺变化；等离子去除浮渣-不完全显影造成的一个特俗困难 叫做浮渣（scumming），用氧等离子去除。 干法（或等

离子） 2.1.4 干法（或等离子）显影 干法光刻胶显影要求光刻胶化学物的曝光或未曝光的部分二者之一易于被氧等离子体去除， 换言之图案的部分从晶圆表面上氧化掉， 一种 DESIRE 的干法显影工艺会使用甲基硅烷和氧 等离子体。 2.2 硬烘焙

与软烘焙一样通过溶液的蒸发来固化光刻胶，常见工艺流程如下:显影—检验—硬烘焙—刻 蚀；显影/烘焙—检验—刻蚀；显影/烘焙—检验—重新烘焙—刻蚀；硬烘焙温度的上限是以 光刻胶流动点而定，高温烘焙会产生边缘线等不良现象。

显影检验（ 2.3 显影检验（develop inspect DI） ）

目的是区分那些有很低可能性通过最终掩膜检验的晶圆、提供工艺性能和工艺控制数据、以 及分拣出需要重做的晶圆。 晶圆被返回掩膜工艺称为重新工艺处理 （rework 或 redo） <10% 比较理想。 2.3.1 2.3.1 检验方法 人工检验 倍检验）显微镜检验 （1 、 （随机抽样 random sampling）关键尺寸 、 （Critical Dimension， CD）、自动检验。 5% 第 4 页/共 9 页 集成电路制造工艺

2.3.2 2.3.2 显影检验拒收的原因 检验遵循“首先-不足”（first-fail basis）原理，碎晶圆、划伤、污染、小孔、MA、桥接、 不完全显影、光刻胶翘起、曝光不足、无光刻胶、光刻胶流动、不正确的掩膜版、CD…… 2.4 2.4 刻蚀

主要有湿法和干法刻蚀， 两种方法的主要目标是将光刻掩膜版上的图

案精确地转移到晶圆的 表面，其他刻蚀工艺的目标包括一致性、边缘轮廓控制、选择性、洁净度和所有权成本最低 化。 2.4.1 湿法刻蚀 历史上的刻蚀方法一直是使用液体刻蚀剂沉浸的技术， 对于晶圆被刻蚀剂污染的担忧由增加 出口过滤器（point-of-use filter）来解决；不安完全刻蚀、过刻蚀（overetch）、各向异性刻 蚀（anisotropic）、各向同性刻蚀（isotropic）、底切（undercutting）、选择性（selectivity）。 ■硅湿法刻蚀：硝酸加氢氟酸的混合水溶液，醋酸等可用来控制放热反应。 ■二氧化硅湿法刻蚀：基本的刻蚀剂是氢氟酸(HF)，实际中用 49%的氢氟酸与水或氟化胺与 水混合。氟化胺[NH]来缓冲会加速刻蚀速率的氢离子的产生，这种刻蚀溶液称为缓 冲氧化物刻蚀（buffered oxide etche）或 BOE。 ■铝膜湿法刻蚀：对于铝和铝合金有选择性的刻蚀溶液是基于磷酸的（含有磷酸、硝酸、醋 酸、水和湿化代理物 16：1：1：2），可有效消除雪球（snow ball）等气泡现象。 ■淀积氧化物湿法刻蚀：（铝膜上的二氧化硅钝化膜），一般用 BOE 溶液刻蚀，但容易造成 Brown 或 stain，受青睐的刻蚀剂是氟化胺和醋酸 1：2 的混合水溶液。 ■氮化硅湿法刻蚀：180℃热磷酸溶液，一般光刻胶承受不了此温度和刻蚀速率，改用干法。 ■湿法喷射刻蚀：其主要优点是喷射的机械压力而增加了精确度、减小污染、可控性更强、 工艺一致性更好，缺点在于成本以及压力系统中有毒刻蚀剂的安全性和对机器老化性的考 验。 ■蒸气刻蚀：用 HF 蒸气在密封的系统中进行（一种新的技术）。 ■小尺寸湿法刻蚀的局限：湿法刻蚀局限于 3 微米以上的图案尺寸；湿法刻蚀为各向同性刻 蚀导致边侧形成斜坡；湿法刻蚀工

艺要求冲洗和干燥步骤；液体化学品有毒害；湿法工艺具 有潜在的污染；光刻胶粘结力的失效导致底切。 干法刻蚀（ 2.4.2 干法刻蚀（dry etching） ） 等离子体、离子束打磨（刻蚀）和反应离子刻蚀（RIE） 第 5 页/共 9 页 集成电路制造工艺

■等离子体刻蚀： 桶形刻蚀机 （barrel etcher） 平面等离子刻蚀机、 、 电子回旋加速器共振(ECR)、 高密度反射电子、Helicon 波、感应耦合等离子（ICP）、变压器耦合等离子体(TCP)等；等 离子体系统的刻蚀率由系统设计和化学品两个主要因素决定， 其它因素是离子浓度和系统压 力；辐射损伤（对晶圆的辐射 radiation 或对等离子体 plasma 的损伤、非导体损耗 dielectric wearout、下游等离子体 downstream plasma）；选择性是等离子体刻蚀工艺的一个主要的考 虑事项，用于控制选择性的 4 种方法是刻蚀气体配比的选择、刻蚀率、接近工艺结束时的气 体稀释来减缓对下层的刻蚀、在系统中使用结束点探测器，其他关注的问题还有：污染、残 余物、腐蚀以及所有权成本。 ■离子束刻蚀： 离子束刻蚀是一个物理工艺， 动力传输 （momentum transfer） 喷溅刻蚀 、 （sputter etching）或离子打磨（ion milling）；材料的去除是非常有方向性（各向异性），导致良好 的小开口区域的精密度，因为是物理工艺，离子打磨的选择性差。 ■反应离子刻蚀（RIE）：结合了前二者的优点，一个主要优点是在刻蚀硅层上的二氧化硅 层，RIE 系统已成为用于最先进生产线中的刻蚀系统。 2.5 光刻胶的去除

光刻胶去除剂被分成综合去除剂和专用于正胶及负胶的去除剂， 它们也根据晶圆表层类型被 分成有金属的和无金属的。 ■无金属表面的湿法去除：硫酸和氧化剂溶液（过氧化氢或过硫酸盐胺）、硝酸做氧化剂。 ■有金属

表面的湿法化学去除：酚有机去除剂、溶液/ 胺去除剂、特殊湿法去除剂。 ■干法去胶：等离子场把氧气激发到高能状态，因而将光刻胶成分氧化为气体由真空泵从反 应室吸走 Ashing。 ■离子注入后和等离子去胶：一般地用干法工艺来去除或减少光刻胶，然后加以湿法工艺。 2.6 最终目检

与显影检测是一样的规程，只是大多数的拒收是无法挽回的，在显影目检中应已被区分并从 批料中拿出的晶圆叫做“显影目检漏掉”（develop inspect escapes）。 3 高级光刻工艺

3.1ULSI/VLSI 集成电路图形处理过程中存在的问题 3.1ULSI/VLSI 集成电路图形处理过程中存在的问题

光学曝光设备的物理局限、光刻胶分辨率的限制、许多与晶片表面有关的问题；使用光学光 刻技术解析 0.5 微米和 0.3 微米的图形需要对虚像（aerial images）有很好的控制，控制方 第 6 页/共 9 页 集成电路制造工艺

法主要从三个方面入手：光学系统分辨率、光刻胶分辨率和晶片表面问题，第四个方面是刻 蚀图形定义问题。

3.2 光学系统分辨率控制

（光刻分辨率工艺路线图） 线→I 线+ARI→I 线+OAI/深紫外光/深紫外光+OAI 或 PSM→I 线 I + OAI 或 PSM/深紫外光+ARI 或 OAI→I 线+PSM/深紫外光+OAI 或 PSM→深紫外光+PSM（最小 分辨率减小，ARI 环形灯光源、OAI 偏轴光源、PSM 相位偏移掩膜）。 ■改进的曝光源：紫外光 UV 和深紫外光 DUV，汞灯（I 线 365nm 紫外线 313nm、深紫外线 245nm）。 ■受激准分子激光器：XeF 351nm XeCl 308nm RF 248nm AF 193nm。 ■聚焦离子束：系统稳定性非常差。 ■X 射线：需要特制掩膜版（金做阻挡层）、成本非常高。 ■电子束：电子束光刻是一门成熟的技术，无需掩膜版，直接书写（direct writing），光刻 胶曝光顺序分为光栅式和矢量式；成本也比较高。 H 线 405nm G 线 436nm 中

3.3 其他曝光问题

镜头的数值孔径（NA）、可变数值孔径透镜（景深 DOF 和视野）、离轴光线；对比效应、景 物反差；周相移动掩膜版（PSM）、（交互狭缝 AAPSM、亚分辨率及镶边）周向移动掩膜版； 光学临近纠偏掩膜版（OPC） ；环孔照射（annular ring illumination）。 掩膜版薄膜（ 3.4 掩膜版薄膜（pellicle） ）

是一层在框架上拉伸平铺的无色有机聚合物薄膜，用硝化纤维 NC 或醋酸纤维 AC 制成。 3.5 晶圆表面问题

（表面的反射率、表面地形差异、多层刻蚀等等）光刻胶的光散射现象；

光刻胶里面的光反 射现象；防反射涂层（ARC）/上涂防反射层（TAR）；驻波问题，用 PEB 曝光后烘焙、染色 剂、防反射涂层等方式改善；平整化解决景深问题，解决阶梯处由光反射造成的金属图形凹 口等问题。 3.6 先进的光刻胶工艺 复层光刻胶/

3.6.1 复层光刻胶/表面成像 双层或三层光刻胶工艺，便携式共形层（portable conformal layer）。 第 7 页/共 9 页 集成电路制造工艺

硅烷化作用/DESIRE 3.6.2 硅烷化作用/DESIRE 工艺 、 （TSI, top surface image） 。 扩散加强硅烷化光刻胶， 硅烷化反应 （silyation process） 顶面成像

3.7 化学机械研磨（CMP） 3.7 化学机械研磨（CMP）

可以达到晶圆表面整体平整化；研磨移去所有表面物质；适用于多种物质表面；使高质量的 铜制程和铜化金属层称为可能；避免使用有毒气体；费用低。主要参数如下：研磨垫的构成、 研磨垫的压力、研磨垫旋转速度、机台旋转速度、磨粉浆的流速、磨粉浆的化学成分、磨粉 浆的物质选择性、表面物质、几何图形。 3.7.1 研磨垫 由铸型用聚亚氨酯泡沫材料和填料、聚亚胺酯填充垫等制成，具有多孔性、压缩性和硬度等 特性。 3.7.2 磨粉浆 细小的硅石、三氧化二硅、添加剂等，关键参数是 PH 值、流动力学参数和磨粉浆刻蚀选择 性。 3.7.3 研磨速度 主要影响因素有研磨垫的参数、磨粉浆的种类和磨粉尺寸、磨粉浆化学

组成等。 3.7.4 平整性 随着多层金属设计的采用，平整性并不易达到，铜、钨连接柱、钽、IDL 等挑战。 3.7.5 化学研磨后的清洗 机械刷拂去或用高压水柱冲去，化学清洁一般采用与其它 FEOL 清洗相同的技术，需特别注 意铜污染。 3.7.6CMP 3.7.6CMP 设备 晶圆搬运机械手、在线测量和洁净度监测装置，目标是“干进干出”。 第 8 页/共 9 页 集成电路制造工艺 3.8 光学光刻的前景

由于 X 射线和电子束光刻技术的费用昂贵，光学系统可持续改进以满足更小图形尺寸的要 求，在无光学系统技术占领半导体以前，“亚深紫外线”可能会成为下一个重要的光学光刻 技术进步。 参考文献

[1] 庄同曾. 集成电路制造工艺 . 北京:电子工业出版社,2005.

组成等。 3.7.4 平整性 随着多层金属设计的采用，平整性并不易达到，铜、钨连接柱、钽、IDL 等挑战。 3.7.5 化学研磨后的清洗 机械刷拂去或用高压水柱冲去，化学清洁一般采用与其它 FEOL 清洗相同的技术，需特别注 意铜污染。 3.7.6CMP 3.7.6CMP 设备 晶圆搬运机械手、在线测量和洁净度监测装置，目标是“干进干出”。 第 8 页/共 9 页 集成电路制造工艺 3.8 光学光刻的前景

由于 X 射线和电子束光刻技术的费用昂贵，光学系统可持续改进以满足更小图形尺寸的要 求，在无光学系统技术占领半导体以前，“亚深紫外线”可能会成为下一个重要的光学光刻 技术进步。 参考文献

[1] 庄同曾. 集成电路制造工艺 . 北京:电子工业出版社,2005.

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