半導體行業觀察

2019-05-03 00:47:28

在積體電路的製造過程中,有一個重要的環節——光刻,正因為有了它,我們才能在微小的晶片上實現功能。現代刻劃技術可以追溯到190年以前,1822年法國人Nicephore niepce在各種材料光照實驗以後,開始試圖複製一種刻蝕在油紙上的印痕(圖案),他將油紙放在一塊玻璃片上,玻片上塗有溶解在植物油中的瀝青。經過2、3小時的日曬,透光部分的瀝青明顯變硬,而不透光部分瀝青依然軟並可被松香和植物油的混合液洗掉。通過用強酸刻蝕玻璃板,Niepce在1827年製作了一個d’Amboise主教的雕板相的複製品。

Niepce的發明100多年後,即第二次世界大戰期間才第一套用於製作印刷電路板,即在塑膠板上製作銅線路。到1961年光刻法被用於在Si上製作大量的微小電晶體,當時解析度5um,如今除可見光光刻之外,更出現了X-ray和荷電粒子刻劃等更高解析度方法。

所謂光刻,根據維基百科的定義,這是半導體器件製造工藝中的一個重要步驟,該步驟利用曝光和顯影在光刻膠層上刻畫幾何圖形結構,然後通過刻蝕工藝將光掩模上的圖形轉移到所在襯底上。這裡所說的襯底不僅包含矽晶圓,還可以是其他金屬層、介質層,例如玻璃、SOS中的藍寶石。

光刻的基本原理是利用光致抗蝕劑(或稱光刻膠)感光後因光化學反應而形成耐蝕性的特點,將掩模板上的圖形刻制到被加工表面上。

光刻原理意圖

光刻不是一個簡單的過程,它要經歷很多步驟:

光刻的工序

下面我們來詳細介紹一下光刻的工序:

一、清洗矽片(Wafer Clean)

清洗矽片的目的是去除污染物去除顆粒、減少針孔和其它缺陷,提高光刻膠黏附性

基本步驟:化學清洗——漂洗——烘乾。

矽片經過不同工序加工後,其表面已受到嚴重沾污,一般講矽片表面沾污大致可分在三類:

A. 有機雜質沾污: 可通過有機試劑的溶解作用,結合超音波清洗技術來

去除。

B. 顆粒沾污:運用物理的方法可采機械擦洗或超音波清洗技術來去除粒徑 ≥ 0.4 μm顆粒,利用兆聲波可去除 ≥ 0.2 μm顆粒。

C. 金屬離子沾污:必須採用化學的方法才能清洗其沾污,矽片表面金屬雜質沾污有兩大類:

a. 一類是沾污離子或原子通過吸附分散附著在矽片表面。

b. 另一類是帶正電的金屬離子得到電子後面附著(尤如“電鍍”)到矽片表面。

矽拋光片的化學清洗目的就在於要去除這種沾污,一般可按下述辦法進行清洗去除沾污。

a. 使用強氧化劑使“電鍍”附著到矽表面的金屬離子、氧化成金屬,溶解在清洗液中或吸附在矽片表面。

b. 用無害的小直徑強正離子(如H+)來替代吸附在矽片表面的金屬離子,使之溶解於清洗液中。

c. 用大量去離水進行超音波清洗,以排除溶液中的金屬離子。

自1970年美國RCA實驗室提出的浸泡式RCA化學清洗工藝得到了廣泛套用,1978年RCA實驗室又推出兆聲清洗工藝,近幾年來以RCA清洗理論為基礎的各種清洗技術不斷被開發出來,例如:美國FSI公司推出離心噴淋式化學清洗技術、美國原CFM公司推出的Full-Flow systems封閉式溢流型清洗技術、美國VERTEQ公司推出的介於浸泡與封閉式之間的化學清洗技術(例Goldfinger Mach2清洗系統)、美國SSEC公司的雙面檫洗技術(例M3304 DSS清洗系統)、 日本提出無藥液的電介離子水清洗技術(用電介超純離子水清洗)使拋光片表面潔淨技術達到了新的水平、以HF / O3為基礎的矽片化學清洗技術。

二、預烘和底膠塗覆(Pre-bake and Primer Vapor)

由於光刻膠中含有溶劑,所以對於塗好光刻膠的矽片需要在80度左右的。矽片脫水烘焙能去除圓片表面的潮氣、增強光刻膠與表面的黏附性、通常大約100 °C。這是與底膠塗覆合併進行的。

底膠塗覆增強光刻膠(PR)和圓片表面的黏附性。廣泛使用: (HMDS)六甲基二矽胺、在PR旋轉塗覆前HMDS蒸氣塗覆、PR塗覆前用冷卻板冷卻圓片。

預烘和底膠蒸氣塗覆

三、光刻膠塗覆(Photoresist Coating)

光刻膠塗覆通常的步驟是在塗光刻膠之前,先在900-1100度濕氧化。氧化層可以作為濕法刻蝕或B注入的膜版。作為光刻工藝自身的第一步,一薄層的對紫外光敏感的有機高分子化合物,即通常所說的光刻膠,要塗在樣品表面(SiO2)。首先光刻膠被從容器中取出滴布到置於塗膠機中的樣品表面,(由真空負壓將樣品固定在樣品台上),樣品然後高速旋轉,轉速由膠粘度和希望膠厚度確定。在這樣的高速下,膠在離心力的作用下向邊緣流動。

塗膠工序是圖形轉換工藝中最初的也是重要的步驟。塗膠的質量直接影響到所加工器件的缺陷密度。為了保證線寬的重複性和接下去的顯影時間,同一個樣品的膠厚均勻性和不同樣品間的膠厚一致性不應超過±5nm(對於1.5um膠厚為±0.3%)。

光刻膠的目標厚度的確定主要考慮膠自身的化學特性以及所要複製圖形中線條的及間隙的微細程度。太厚膠會導致邊緣覆蓋或連通、小丘或田亘狀膠貌、使成品率下降。在MEMS中、膠厚(烤後)在0.5-2um之間,而對於特殊微結構製造,膠厚度有時希望1cm量級。在後者,旋轉塗膠將被鑄膠或電漿膠聚合等方法取代。常規光刻膠塗布工序的最佳化需要考慮滴膠速度、滴膠量、轉速、環境溫度和濕度等,這些因素的穩定性很重要。

在這裡說一下,光刻膠的主要成分有一種聚合物(樹脂)、敏化劑和溶劑。聚合物在被輻照時結構變化,溶劑使其能被甩膠並在樣品表面形成薄膜,敏化劑控制聚合相的化學反應。不含有敏化劑的光刻膠有時稱為單元或一元體系,而含有敏化劑使則稱為二元體系。溶劑或其它添加物通常不計入元數,因為它們不直接參與光刻膠的光化學反應。

根據性質的不一樣,光刻膠可以分為正膠和負膠。

在工藝發展的早期,負膠一直在光刻工藝中占主導地位,隨著VLSI IC和2~5微米圖形尺寸的出現,負膠已不能滿足要求。隨後出現了正膠,但正膠的缺點是粘結能力差。

用正膠需要改變掩膜版的極性,這並不是簡單的圖形翻轉。因為用掩膜版和兩種不同光刻膠結合,在晶園表面光刻得到的尺寸是不一樣的,由於光在圖形周圍的衍射效應,使得用負膠和亮場掩膜版組合在光刻膠層上得到的圖形尺寸要比掩膜版上的圖形尺寸小。用正膠和暗場掩膜版組合會使光刻膠層上的圖形尺寸變大。

光刻膠塗覆

四、前烘(Soft Bake)

完成光刻膠的塗抹之後,需要進行軟烘乾操作,這一步驟也被稱為前烘。前烘能夠蒸發光刻膠中的溶劑溶劑、能使塗覆的光刻膠更薄。

在液態的光刻膠中,溶劑成分占65%-85%。雖然在甩膠之後,液態的光刻膠已經成為固態的薄膜,但仍有10%-30%的溶劑,容易沾污灰塵。通過在較高溫度下進行烘培,可以使溶劑從光刻膠中揮發出來(前烘後溶劑含量降至5%左右),從而降低了灰塵的沾污。同時,這一步驟還可以減輕因高速旋轉形成的薄膜應力,從而提高光刻膠 襯底上的附著性。

在前烘過程中,由於溶劑揮發,光刻膠厚度也會減薄,一般減薄的幅度為10%-20%左右。

Baking Systems

四、對準(Alignment)

光刻對準技術是曝光前一個重要步驟作為光刻的三大核心技術之一,一般要求對準精度為最細線寬尺寸的 1/7---1/10。隨著光刻分辨力的提高 ,對準精度要求也越來越高 ,例如針對 45am線寬尺寸 ,對準精度要求在5am 左右。

受光刻分辨力提高的推動 ,對準技術也經歷 迅速而多樣的發展 。從對準原理上及標記結 構分類 ,對準技術從早期的投影光刻中的幾何成像對準方式 ,包括視頻圖像對準、雙目顯微鏡對準等,一直到後來的波帶片對準方式 、干涉強度對準 、雷射外差干涉以及莫爾條紋對準方式 。從對準信號上分 ,主要包括標記的顯微圖像對準 、基於光強信息的對準和基於相位信息對準。

對準法則是第一次光刻只是把掩膜版上的Y軸與晶園上的平邊成90º,如圖所示。接下來的掩膜版都用對準標記與上一層帶有圖形的掩膜對準。對準標記是一個特殊的圖形(見圖),分布在每個晶片圖形的邊緣。經過光刻工藝對準標記就永遠留在晶片表面,同時作為下一次對準使用。

a、預對準,通過矽片上的notch或者flat進行雷射自動對準

b、通過對準標誌,位於切割槽上。另外層間對準,即套刻精度,保證圖形與矽片上已經存在的圖形之間的對準。

五、曝光(Exposure)

在這一步中,將使用特定波長的光對覆蓋襯底的光刻膠進行選擇性地照射。光刻膠中的感光劑會發生光化學反應,從而使正光刻膠被照射區域(感光區域)、負光刻膠未被照射的區域(非感光區)化學成分發生變化。這些化學成分發生變化的區域,在下一步的能夠溶解於特定的顯影液中。

在接受光照後,正性光刻膠中的感光劑DQ會發生光化學反應,變為乙烯酮,並進一步水解為茚並羧酸(Indene-Carboxylic-Acid, CA),羧酸在鹼性溶劑中的溶解度比未感光部分的光刻膠高出約100倍,產生的羧酸同時還會促進酚醛樹脂的溶解。利用感光與未感光光刻膠對鹼性溶劑的不同溶解度,就可以進行掩膜圖形的轉移。

曝光方法:

a、接觸式曝光(Contact Printing)掩膜板直接與光刻膠層接觸。

b、接近式曝光(Proximity Printing)掩膜板與光刻膠層的略微分開,大約為10~50μm。

c、投影式曝光(Projection Printing)。在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡聚集光實現曝光。

d、步進式曝光(Stepper)

這裡特別說一下投影式曝光的分類:

曝光中最重要的兩個參數是:

1.曝光能量(Energy)

2.焦距(Focus)

如果能量和焦距調整不好,就不能得到要求的解析度和大小的圖形。表現為圖形的關鍵尺寸超出要求的範圍。

六、顯影(development)

通過在曝光過程結束後加入顯影液,正光刻膠的感光區、負光刻膠的非感光區,會溶解於顯影液中。這一步完成後,光刻膠層中的圖形就可以顯現出來。為了提高解析度,幾乎每一種光刻膠都有專門的顯影液,以保證高質量的顯影效果。

顯影工序使將在曝光過程中形成的隱性圖形成為光刻膠在與不在的顯性圖形,以作為下一步加工的膜版。顯影中進行的是選擇性溶解的過程,最重要的是曝光區和未曝光區之間溶解率的比值(DR)。商用正膠有大於1000的DR比,在曝光區溶解速率為3000nm/min,在未曝光區只有幾nm/min。

現在有二種顯影方法,一是濕顯影,他在IC和微加工中正廣泛使用,另一種是乾顯影。

a、整盒矽片浸沒式顯影(Batch Development)。

缺點:顯影液消耗很大;顯影的均勻性差;

b、連續噴霧顯影(Continuous Spray Development)/自動旋轉顯影(Auto-rotation Development)。一個或多個噴嘴噴灑顯影液在矽片表面,同時矽片低速旋轉(100~500rpm)。噴嘴噴霧模式和矽片旋轉速度是實現矽片間溶 解率和均勻性的可重複性的關鍵調節參數。

c、水坑(旋覆浸沒)式顯影(Puddle Development)。噴覆足夠(不能太多,最小化背面濕度)的顯影液到矽片表面,並形成水坑形狀(顯影液的流動保持較低,以減少邊緣顯影速率的變 化)。矽片固定或慢慢旋轉。一般採用多次旋覆顯影液:第一次塗覆、保持10~30秒、去除;第二次塗覆、保持、去除。然後用去離子水沖洗(去除矽片兩面的 所有化學品)並旋轉甩乾。優點:顯影液用量少;矽片顯影均勻;最小化了溫度梯度。

顯影液:

a、正性光刻膠的顯影液。正膠的顯影液位鹼性水溶液。KOH和NaOH因為會帶來可 動離子污染(MIC,Movable Ion Contamination),所以在IC製造中一般不用。最普通的正膠顯影液是四甲基氫氧化銨(TMAH)(標準當量濃度為0.26,溫度 15~250C)。在I線光刻膠曝光中會生成羧酸,TMAH顯影液中的鹼與酸中和使曝光的光刻膠溶解於顯影液,而未曝光的光刻膠沒有影響;在化學放大光刻 膠(CAR,Chemical Amplified Resist)中包含的酚醛樹脂以PHS形式存在。CAR中的PAG產生的酸會去除PHS中的保護基團(t-BOC),從而使PHS快速溶解於TMAH顯 影液中。整個顯影過程中,TMAH沒有同PHS發生反應。

b、負性光刻膠的顯影液。二甲苯。清洗液為乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。

顯影中的常見問題:

a、顯影不完全(Incomplete Development)。表面還殘留有光刻膠。顯影液不足造成;

b、顯影不夠(Under Development)。顯影的側壁不垂直,由顯影時間不足造成;

c、過度顯影(Over Development)。靠近表面的光刻膠被顯影液過度溶解,形成台階。顯影時間太長。

六、堅膜 (Hard Bake)

刻膠顯影完成後,圖形就基本確定,不過還需要使光刻膠的性質更為穩定。硬烘乾可以達到這個目的,這一步驟也被稱為堅膜。在這過程中,利用高溫處理,可以除去光刻膠中剩餘的溶劑、增強光刻膠對矽片表面的附著力,同時提高光刻膠在隨後刻蝕和離子注入過程中的抗蝕性能力。另外,高溫下光刻膠將軟化,形成類似玻璃體在高溫下的熔融狀態。這會使光刻膠表面在表面張力作用下圓滑化,並使光刻膠層中的缺陷(如針孔)減少,這樣修正光刻膠圖形的邊緣輪廓。

用O2電漿對樣品整體處理,以清除顯影后可能的非望殘留叫de-scumming。特別是負膠但也包括正膠,在顯影后會在原來膠-基板界面處殘留聚合物薄層,這個問題在結構小於1um或大深-寬比的結構中更為嚴重。當然在De-scumming過程中留膠厚度也會降低,但是影響不會太大。

最後,在刻蝕或鍍膜之前需要硬烤以去除殘留的顯影液和水,並退火以改善由於顯影過程滲透和膨脹導致的界面接合狀況。同時提高膠的硬度和提高抗刻蝕性。硬烤溫度一般高達120度以上,時間也在20分左右。主要的限制是溫度過高會使圖形邊緣變差以及刻蝕後難以去除。

方法:熱板,100~1300C(略高於玻璃化溫度Tg),1~2分鐘。

目的:

a、完全蒸發掉光刻膠裡面的溶劑(以免在污染後續的離子注入環境,例如DNQ酚醛樹脂 光刻膠中的氮會引起光刻膠局部爆裂);

b、堅膜,以提高光刻膠在離子注入或刻蝕中保護下表面的能力;

c、進一步增強光刻膠與矽片表面之間的黏附性;

d、進 一步減少駐波效應(Standing Wave Effect)。

a、烘烤不足(Underbake)。減弱光刻膠的強度(抗刻蝕能力和離子注入中 的阻擋能力);降低針孔填充能力(Gapfill Capability for the needle hole);降低與基底的黏附能力。

b、烘烤過度(Overbake)。引起光刻膠的流動,使圖形精度降低,解析度變差。另外還可以用深紫外線(DUV,Deep Ultra-Violet)堅膜。使正性光刻膠樹脂發生交聯形成一層薄的表面硬殼,增加光刻膠的熱穩定性。在後面的等離子刻蝕和離子注入(125~2000C)工藝中減少因光刻膠高溫流動而引起解析度的降低。

七、刻蝕或離子注入

刻蝕(英語:etching)是半導體器件製造中利用化學途徑選擇性地移除沉積層特定部分的工藝。刻蝕對於器件的電學性能十分重要。如果刻蝕過程中出現失誤,將造成難以恢復的矽片報廢,因此必須進行嚴格的工藝流程控制。半導體器件的每一層都會經歷多個刻蝕步驟。

刻蝕一般分為電子束刻蝕和光刻,光刻對材料的平整度要求很高,因此,需要很高的清潔度。 但是,對於電子束刻蝕,由於電子的波長極短,因此解析度與光刻相比要好的多。 因為不需要掩模板,因此對平整度的要求不高,但是電子束刻蝕很慢,而且設備昂貴。

對於大多數刻蝕步驟,晶圓上層的部分位置都會通過“罩”予以保護,這種罩不能被刻蝕,這樣就能對層上的特定部分進行選擇性地移除。在有的情況中,罩的材料為光阻性的,這和光刻中利用的原理類似。而在其他情況中,刻蝕罩需要耐受某些化學物質,氮化矽就可以用來製造這樣的“罩”。

離子注入是一種將特定離子在電場裡加速,然後嵌入到另一固體材料之中的技術手段。使用這個技術可以改變固體材料的物理化學性質,現在已經廣泛套用於半導體器件製造和某些材料科學研究。離子注入可以導致核轉變,或改變某些固體材料的晶體結構。

八、光刻膠的去除

光刻膠的主要功能是在整個區域進行化學或機械處理工藝時,保護光刻膠下的襯底部分。所以當以上工藝結束之後,光刻膠應全部去除,這一步驟簡稱去膠。只有那些高溫穩定的光刻膠,例如光敏感聚醯亞胺,可以作為中間介質或緩衝塗層而留在器件上。

為避免對被處理表面的任何損傷,應當使用低溫下溫和的化學方法。超音波的套用也可以增強剝離效能。因為有腐蝕問題、一些已知的剝離液不能作用與鋁等金屬表面;在此情況下、臭氧或氧電漿(灰化)是首先採用的。這些電漿同樣成功地作為非鋁表面的光刻交剝離劑,但是,器件表面的損壞仍是要解決的問題。

刻蝕或離子注入之後,已經不再需要光刻膠作保護層,可以將其除去。去膠的方法分類如下:

濕法去膠

有機溶劑去膠:利用有機溶劑除去光刻膠

無機溶劑:通過使用一些無機溶劑,將光刻膠這種有機物中的碳元素氧化為二氧化碳,進而而將其除去

乾法去膠:利用電漿將光刻膠剝除

除了這些主要的工藝以外,還經常採用一些輔助過程,比如進行大面積的均勻腐蝕來減小襯底的厚度,或者去除邊緣不均勻的過程等等。一般在生產半導體晶片或者其它元件時,一個襯底需要多次重複光刻。

以上是光刻的步驟,特此收集給大家,希望指正。

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第1390期內容,歡迎關注。

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