光刻过程与问题分析

§2光刻工艺过程

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，暴光，显影，坚膜，

腐蚀和去胶等七个步骤

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．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。

3．暴光暴光就是对涂有光刻胶的基片进行选择性光化学反应，使暴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暴光法，其基本步骤是定位对准和暴光。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。

暴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。最佳暴光量的确定，还要考虑衬底的光反射特性。在实际生产中，往往以暴光时间来控制暴光量，并通过实验来确定最佳暴光时间。

暴光时影响分辨率的因素有：

①掩膜版于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。

②暴光光线的平行度暴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。

③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。

④ 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。

⑤暴光时间暴光时间越长，由于光的衍射，反射和散射作用，使分辨率降低。但暴光不足，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。

⑥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。

4．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

5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。

6 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。

腐蚀方法有两种类型，即湿式化学腐蚀和干式等离子体腐蚀。

（1）湿式化学腐蚀二氧化硅腐蚀是以氢氟酸为基础的水溶液。在腐蚀液中存在如下的电离平衡：HF=H+F

腐蚀时，腐蚀液中的氟离子与二氧化硅中的硅离子结合成六氟硅酸根络离子[SiO2]。它与氢离子结合而生成六氟硅酸H2[SiF6]。同时腐蚀液中的氢离子与SiO2中的氧离子结合成难电离的水。由于六氟硅酸是可溶性的络合物，使SiO2被氢氟酸溶解，其反应式

为： SiO2+6HF=H2[SiF6]+2H2O

显然，F-和H+的浓度越大，反应速度越快，并且所消耗的F-和H+是等量的，如果在腐蚀液中加入氟化氨，它在水溶液中电离成氟离子和氨离子。此时，腐蚀液中F+浓度增大，根据同离子效应原理，HF的电离平衡式将向生成HF的方向移动，这样就降低了溶液中H+的浓度，使HF 和SiO2的反应速度减弱，起着缓冲的作用。所以，氟化氨在SiO2腐蚀液中起缓冲剂的作用。这种加有氟化氨的氢氟酸溶液，习惯上称为HF缓冲液。常用的配方为：HF：NH4F：H20=3ml：6g：10ml

影响SiO2腐蚀质量的因素很多。光刻胶与SiO2表面粘附良好是保证腐蚀质量的重要条件，粘附不良会使腐蚀液沿界面钻蚀，图形遭到破坏。不同方法生长的SiO2腐蚀速率不同，低温沉积的SiO2比热生长SiO2的腐蚀速率快得多。SiO2中含有硼，会使腐蚀速率降低；而含有磷，又会使腐蚀速率增大，如图所示。腐蚀SiO2的速率一般都在30～40摄氏度范围内。温度过高，腐蚀速度过快，不易控制，易产生钻蚀现象；温度太低，腐蚀速度太慢，胶膜长期浸泡，也易产生浮胶。腐蚀时间取决于腐蚀速率和SiO2的厚度，腐蚀不足，氧化层未去干净，将影响杂质扩散或使电极接触不良；腐蚀时间过长又会造成侧向腐蚀，使分辨率下降。

[2] 氮化硅腐蚀氮化硅的化学性质比较稳定，在氢氟酸中腐蚀速率很慢。对于厚度为

10-2um的较薄氮化硅膜，可用SiO2作掩膜的间接光刻方法刻蚀。它是在Si3N4膜上用热分解法淀积一层SiO2膜，然后用普通光刻方法在SiO2膜上刻蚀出所需图形后，再放入180

摄氏度的热磷酸中继续刻蚀图形窗口内的Si3N4膜。由于热磷酸对Si3N4的腐蚀速率比对SiO2的大得多，所以SiO2起到掩膜腐蚀的作用。

[3] 铝的腐蚀目前常用的腐蚀液有磷酸和高锰酸钾腐蚀液。对于磷酸，是利用它与铝反应能生成可溶于水的酸式磷酸铝，以达到腐蚀的目的，其反应式为：

2Al+6H3PO4=2Al（H2PO4）3+3H2

腐蚀时反应激烈，会有气泡不断冒出，影响腐蚀的均匀性。为此，可在腐蚀液中加入少量无水乙醇或在腐蚀时采用超声振动，以去除反应生成的气泡。

光刻质量分析

平面晶体管和集成电路制造中要进行多次光刻,而光刻工艺的质量不仅影响器件特性而且对器件的成品率和可靠性也有很大影响.半导体器件生产对光刻质量的要求是:刻蚀图形完整、尺寸准确、边缘整齐;图形外氧化层上没有针孔,图形内没有残留的被腐蚀物质;同时要求套合准确,无沾污等.但在光刻过程中常会出现浮胶、毛刺、钻蚀、针孔和小岛等缺陷.本结讨

论这些缺陷产生的原因及其对器件特性的影响.

1、浮胶浮胶就是在显影或腐蚀过程中,由于化学试剂不断侵入光刻胶膜与SIO2或其他薄膜间的界面,引起抗蚀剂胶膜皱起或剥落的现象.光刻时产生浮胶,将严重影响光刻图形的质量,甚至造成整批硅片的报废.产生浮胶的原因往往和胶膜与似底的粘附性有密切关系.

(1) 显影时产生的原因

①涂胶前硅片表面不清洁，沾有油污或水汽，使胶膜表面间沾污不良。

②光刻配制有误或胶液陈旧变质，胶的光化学反应性能不好，与硅片表面粘附能力差。

③前烘时间不足或过度。

④暴光不足，光化学反应不彻底，部分胶膜容于显影液中，引起浮胶。

⑤显影时间过长。

（2）腐蚀时产生浮胶的原因

①坚膜不足，胶膜没有烘透，沾附性差，在腐蚀液作用下引起浮胶。

②腐蚀液配比不当。如腐蚀的氢氟酸缓冲腐蚀液中氢化铵太少，腐蚀液活泼性太强。

③腐蚀温度太高或太低。温度太低，腐蚀时间太长，腐蚀液穿透或从胶膜底部渗入，引起浮胶，温度太高，则腐蚀液活泼性强，也可能产生浮胶。

此外，显影时产生浮胶的因素也可能造成腐蚀时浮胶。腐蚀时浮胶会使掩蔽区的氧化层受到严重破坏。在光刻时必须加以注意。

2、毛刺和钻蚀腐蚀时，如果腐蚀液渗入光刻胶膜的边缘，使图形边缘受到腐蚀，从而破坏掩蔽扩散的氧化层或捛条的完整性。若渗透腐蚀较轻，图形边缘出现针状的局部破坏，习惯上称为毛刺。若图形边缘腐蚀严重，出现锯齿状或花斑状的破坏，称为钻蚀。当SIO2掩蔽膜窗口存在毛刺和钻蚀时，会引起侧面扩散结特性变坏，影响器件的成品率和可靠性。

产生毛刺或钻蚀的原因有：

①基片表面不清洁，存在油污，灰尘或水汽，使光刻胶和氧化层粘附不良，引起毛刺或局部钻蚀。

②氧化层表面存在磷硅玻璃，特别是磷的浓度较大时，表面与光刻胶粘附性不好，耐腐蚀性能差，容易造成钻蚀。

③光刻胶中存在颗粒状物质，造成局部粘附不良。

④对于光聚合型光刻胶，暴光不足，显影时产生钻溶，腐蚀时造成毛刺或钻蚀。

⑤显影时过长，图形边缘发生钻溶，腐蚀时造成钻溶。

⑥掩模图形的边缘有毛刺状缺陷，以及硅片表面有突起或固体颗粒，在对准定位时掩模与硅片表面间有摩擦，使图形的边缘有划痕，腐蚀时产生毛刺。

3、针孔在光刻图形外面的氧化层上，经光刻后会出现直径为微米数量级的小孔洞，称为针孔。

针孔的存在，将使氧化层不能有效地起到杂质扩散的掩蔽作用和绝缘作用。在平面器件生产中，尤其对集成电路和大功率器件，氧化层针孔是影响成品率的主要因素。例如，光刻集成电路隔离槽时，在隔离区上的针孔经隔离扩散后会形成P型管道，将使晶体管的集电结结面不平整，甚至造成基区与村底路。对于大功率平面晶体官，光刻引线孔时，在延伸电极处的SIO2，膜上产生针孔，则会造成金属化电极与集电区之间的短路，因此，在大功率晶体管和集成电路产生中，往往在刻引线孔之后，进行低温沉积SIO2，然后套引线孔，以减少氧化层针孔。光刻时产生针孔的原因有：

①氧化硅薄膜表面有尘土、石英屑、硅渣等外来颗粒，使得涂胶与基片表面未充分沾润，留有未覆盖的小区域，腐蚀时产生针孔。

②光刻胶中含有固体颗粒，影响暴光效果，显影时剥落，腐蚀时产生针孔。

③光刻胶模本身抗蚀能力差，或胶模太薄，腐蚀液局部穿透胶模，造成针孔。

④前烘不足，残存溶剂阻碍抗腐蚀剂挥发过快而鼓泡，腐蚀时产生针孔。

⑤暴光不足，关联不充分，或暴光时间过长，胶层发生皱皮，腐蚀液穿透胶模而产生腐蚀斑点。

⑥腐蚀液配方不当，腐蚀能力太强。

⑦掩模版透光区存在灰尘或黑斑，暴光时局部胶模未暴光，显影时被溶解，腐蚀后产生针孔。

4、小岛小岛是指在应该将氧化层刻蚀干净的光刻窗口内，还留有没有刻蚀干净的氧化局部区域，形成状不规则，习惯上称为小岛。

小岛的存在，使扩散区域的局部点有氧化层，阻碍了杂质在该处的扩散而形成异常区，造成器件击穿特性变坏，反向漏电增加，甚至极间穿通。光刻中产生小岛的原因有：

①掩模版图形上的针孔或损伤，在暴光时形成漏光点，使该处的光刻胶模感光交联，保护了氧化层不被腐蚀，形成小岛。对这种情况，可在光刻腐蚀后，易版或移位再进行一次套刻，以减少或消除小岛。

②暴光过度或光刻胶变质失效，以及显影不足，局部区域光刻胶在显影时溶解不净。

③氧化层表面有局部耐腐蚀物质，如硼硅玻璃等。

④腐蚀液不干净，存在阻碍腐蚀作用的脏物。因此必须定期更换新的腐蚀液。

§5. 结语

要使光刻工艺技术不断发展进步，我们还有许多工作要做。

§6.参考文献：1.半导体科技