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本文由 sunliang5022 贡献 ppt文档可能在WAP 端浏览体验不佳 建议您优先选择 TXT 或下载源文件到本机查看 微电子工艺 5 微电子工艺 光刻与腐蚀 光刻与腐蚀 田丽 第 8章 光刻 章 8 1 概述 8 2 光刻工艺流程 8 3 光刻胶的基本属性 8 4 光刻方法 8 5 掩模版的制 造 8 6 紫外光曝光 8 7 X射线光刻 射线光刻 8 8 电子束光刻 第 8章 光刻 2 8 1 概述 光刻是光学照相和腐蚀技术相结合 光刻是光学照相和腐蚀技术相结合 将 设计图 形转移到晶片表面薄膜上的工艺 技术 技术 发展历程 光学光刻 可见光 紫外 UV 可见光 发展历程 光学光刻 可见光 紫外 深紫外 DU 极紫外 EUV 电子束 EB X 深紫外 极紫外 电子束 射线 包含内容 光刻工艺 制版技术 包含内容 光刻 工艺 制版技术 光刻 设备 光刻胶 腐蚀技术等多方面 设备 光刻胶 腐蚀技术等 多方面 35 的成本来自于光刻工艺 第 8章 光刻 3 8 1 1光刻分辨率 光刻分辨率 分辨率 线条和间隔清晰 可辨时每 mm 中的线对数 可辨时每 中的线对数 R 1 2L mm 1 直接用线宽 L 表示 直接用线宽 L 表示 L L 存在物理极限 存在物理极限 由衍射效 应限制线宽 L 应限制线宽 L 2 Rmax 1 第 8章 光刻 4 物理极限 由量子理论的海森堡不确定关系式也得出其他离 子束光刻极限 子束光刻极限 L p h h 普朗克常数 粒子束的波动性波长 质量 m 动能 E 关系 关系 p mv E mv2 2 h 2mE L h 2 2mE E 一定时 粒子质量愈大 L愈小 分辨率愈高 一 定时 子质量愈大 愈小 愈小 一定时 m一定时 动能愈高 L愈小 分辨率愈高 一定时 动能愈高 愈小 分辨率愈高 一定时 愈小 第 8章 光刻 5 8 1 2 IC 对光刻的要求 对光刻的要求 高分辨率 高灵敏度的光刻胶 低缺陷 精密的套刻精度 误差 精密的套刻精度 误 差 10 L 可对大尺寸硅片进行光刻加工 第 8章 光刻 6 8 1 光刻工艺流程 光刻是光作用与腐蚀作用相结合 光刻是光作用与腐蚀作用相结合 在晶 片表面薄 膜上制备图形的工艺方法 片表面薄膜上制备图形的工艺方法 涂胶 涂胶 前烘 曝光 显影 显影 坚膜 腐蚀 第 8章 光刻 去胶 7 1 涂胶 在硅片表面涂敷的光刻胶应厚度均匀 在硅片表面涂敷的光刻胶应厚度均匀 附着 性强 没有缺陷 附着性强 没有缺陷 在涂胶之前 在涂胶之前 硅片一般需要经 过脱水烘 焙 或涂敷能增加光刻胶与硅片表面附 着能力的化合物 着能力的化合物 六甲基乙硅氮烷 HMDS 三甲基甲硅烷基二乙胺 三甲基甲硅烷基二乙胺 TMSDEA 第 8章 光刻 8 HMDS 与 SiO2 表面键合示意图 与 在固 液 气三相交界处 自固 液界面经 过液体内部到气 液界面之间的夹角称为 六甲基乙硅氮烷 接触角 通常以 表示 反映液体对固体 接触角 表面的润湿情况 接触角愈小 润湿得愈 胶 好 小角度接触高表面能 三甲基甲硅烷 胶 大角度接触低表面能 第 8章 光刻 9 涂胶工艺示意图 注意 转速 注意 转速 光刻胶的黏性 第 8章 光刻 10 2 前烘 液态光刻胶中 溶剂的成份占 经过 液态光刻胶中 溶剂的成份占 65 85 经过 甩胶之后 甩胶之后 虽然液态的光刻胶已经成为固态 的薄膜 但仍含有 10 30 的溶剂 容易玷污 的薄膜 但仍含有 的溶剂 灰尘 通过在较高温度下进行烘焙 灰尘 通过在较高温度下进行烘焙 可以使 溶剂从光刻胶内挥发出来 溶剂从光刻胶内 挥发出来 前烘方法 热平板传导 红外线辐射 前烘方法 热平板传导 红外线辐射 干燥 循环热风 循环热风 注意 温度 注意 温度 时间 第 8章 光刻 11 3 曝光 光刻胶曝光后发生光化学反应 光刻胶曝光后发生光化学反应 该工序 是光刻工艺 的关键工序 是光刻工艺的关键工序 工艺上要保证对版准确 曝光时间恰当 工艺上 要保证对版准确 曝光时间恰当 光学曝光有接触式和非接触式两种方法 光学曝光有 接触式和非接触式两种方法 接触式曝光出现早 接触式曝光出现早 目前只有简单图 形 采用此法光刻 采用此法光刻 非接触式曝光是光学光 刻的主要方式 刻的主要方 式 防驻波效应曝光后烘焙 防驻波效应 曝光后烘焙 第 8章 光刻 12 驻波对于光刻图形的影响 第 8章 光刻 13 简单的光学系统曝光图 第 8章 光刻 14 4 显影 正胶的曝光区和负胶的非曝光区的光刻 胶在显影液中溶解 而正胶的非曝光区 胶在 显影液中溶解 和负胶的曝光区的光刻胶则不会在显影 液中溶解 液中溶解 曝光后 在光刻胶层中形成的潜在图形 曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形 显影后便显现出 来 显影后便显现出来 在光刻胶上形成三 维图形 这一步骤称为显影 维图形 这 一步骤称为显影 注意 注意 正胶 正胶 负胶 第 8章 光刻 15 显影后的镜检 在显微镜下发现有下列问题返工 光刻胶钻蚀 图形尺寸变化 套刻对准不良 光刻胶膜损伤 线条是否齐 线条是否齐 陡 针孔 针孔 小岛 第 8章 光刻 钻蚀 针孔 小岛 针孔 小岛 划伤 16 金属光刻后 做金属腐蚀时 残留物出现 第 8章 光刻 17 5 坚膜 坚膜也叫后烘 是为了去除由于显影液的浸泡 坚膜也叫后烘 后烘 引起的胶膜软化 溶胀现象 引起的胶膜软化 溶胀现象 能使胶膜附着能 力增强 抗腐蚀能力提高 力 增强 抗腐蚀能力提高 坚膜温度要高于前烘和曝光后烘烤温度 坚膜温度要高于前烘 和曝光后烘烤温度 较高 的坚膜温度可使坚膜后光刻胶中的溶剂含量更 但增加了去胶时 的困难 少 但增加了去胶时的困难 且光刻胶内部拉 伸应力的增加会使光刻胶的附着 性下降 伸应力的增加会使光刻胶的附着性下降 因此 必须适当的控制坚膜温度 第 8章 光刻 18 6 腐蚀 去胶 腐蚀 腐蚀 湿法腐蚀SiO2 Al poly Si等薄膜 湿法腐蚀 等薄膜 干法腐蚀 第 8章 光刻 19 去胶 湿法去胶 用溶剂 湿法去胶 用溶剂 用浓硫酸 负胶 负胶 98 H2SO4 H2O2 胶 CO CO2 H2O 胶 正胶 正胶 丙酮 干法去胶 干法去胶 Ash 1 氧气加热去胶 氧气加热去胶 O2 胶 CO CO2 H2O 胶 2 等离子去胶 等离子去胶 Oxygen plasma ashing 等离子去胶 电离 O 高频电场 O2 电离 O O 活性基与胶反应 CO2 CO 镜检 H2O 第 8章 光刻 20 8 3光刻胶的基本属性 光刻胶的基本属性 光刻时接受图像的介质称为光刻胶 光刻时接受图像的介质称为光刻胶 以光刻胶 构成的图形作为掩膜对薄膜 进行腐蚀 进行腐蚀 图形就转移到晶片表面的 薄膜上了 所以也将光刻胶称为抗蚀 薄膜上了 所以也将光刻胶称为抗蚀 剂 第 8章 光刻 21 8 3 1 光刻胶组成分类 1 组成 感光剂 胶的主体 又称光敏剂 感光剂 胶的主体 又称光敏剂 聚合物 材料 使胶具有一定的粘度 聚合物材料 使胶具有一定的粘度 能 均匀涂覆 均匀涂 覆 增感剂 能增加胶的感光能力的物质 增感剂 能增加胶的感光能力的物质 溶剂 第 8章 光刻 22 2 分类 按曝光区在显影中被去除或保留来划分 按曝光区在显影中被去除或保留来划分 正 性 胶 负 性 胶 按其用途划分 按其用途划分 光学光刻胶 电子抗蚀剂 X 射线抗蚀剂 射线抗蚀剂 第 8章 光刻 23 光刻胶 光刻胶的作用 光刻胶的作用 对于入射光 子有化学变化 子有化学变化 保持潜 像至 显影 从而实现图形转移 显影 从而实现图形转移 潜像 即空间图像 潜像 灵敏度 灵敏度 单位面积的胶曝光 所需的光能量 mJ cm2 所需的光能量 正胶 烃基 高分子材料 正胶分辨率高于负胶 负胶 IC 主导 主导 第 8章 光刻 抗蚀性 抗蚀性 刻蚀和离子注入 24 负胶 Negative Optical Photoresist 电路需分辨率达 2 之前 当 VLSI 电路需分辨率达 m 之前 基本上是采用负性光刻 电路需分辨率达 之前 负胶在显影时线条会变粗 使其分辨率不能达到很高 胶 负胶 在显影时线条会变粗 使其分辨率不能达到很高 但在分辨率要求不太高的情况 负胶也 有其优点 但在分辨率要求不太高的情况 负胶也有其优点 a 对衬底表面粘附性好 对 衬底表面粘附性好 b 抗刻蚀能力强 抗刻蚀能力强 c 曝光时间短 产量高 曝光时间短 曝光时间短 d 工艺宽容度较高 显影液稀释度 温度等 工艺宽容度较高 显影液稀释 度 温度等 e 价格较低 约正胶的三分之一 价格较低 约正胶的三分之一 第 8章 光刻 25 负胶的组成部分 负胶的组成部分 a 基底 合成环化橡胶树脂 基底 负胶显影液 cyclized synthetic rubber risin 对光照不敏感 对光照不敏感 但在有机溶剂如甲苯和二甲苯中溶解很快 b 光 敏材料 PAC 双芳化基 bis arylazide 当光照后 产生交联的三维分子网络 使光 刻胶在显 当光照后 产生交联的三维分子网络 影液中具有不溶性 影液中具有不溶性 c 溶剂 芳香族化合物 aromatic 溶剂 溶剂 第 8章 光刻 26 负胶 负胶多由长链高分子有机物组成 负胶多由长链高分子有机物组成 响应波长 330 430nm 胶膜厚度 胶膜厚度 0 3 1 m 第 8章 光刻 27 2 正胶 g线和 线光刻胶的组成 线和 i 线光刻胶的组成 线和 正胶 positive photoresist DQN 正胶 a 基底 树脂 是一种低分子量的酚醛树脂 novolac a polymer 基底 本身溶于 显影液 溶解速率为 15 本身溶于显影液 溶解速率为 nm s b 光敏材料 PAC photoactive compounds 光敏材料 光敏材料 二氮醌 diazoquinone DQ DQ 不溶 于显影液 光刻胶在显影液中的溶解速率为 1 2 nm sec 不溶于显影液 不溶于显影液 光照后 可以自我稳定 可以自我稳定 重排列 光照后 DQ 可以自我稳定 Wolff 重排列 成为溶于显影液 重排列 成为溶于显影液 典型显影液 TMAH 四 甲基氢氧化铵 典型显影液 氢氧化钠等碱性物质 四甲基氢氧化铵 典型显影液 氢 氧化钠等碱性物质 的羧酸 光照后 光刻胶在显影液中的溶解速度为 100 200nm s 光照 后 光刻胶在显影液中的溶解速度为 c 溶剂 是醋酸丁脂 二甲苯 乙酸溶纤剂的混合 物 用于调节光 溶剂 是醋酸丁脂 二甲苯 乙酸溶纤剂的混合物 刻胶的粘度 刻胶 的粘度 第 8章 光刻 28 响应波长 330 430nm 胶膜厚 胶膜厚 1 3 m 显 响应波长 影液是氢氧化钠等碱性 物质 影液是氢氧化钠等碱性物质 第 8章 光刻 29 8 3 2 显影原理 顺聚异戊二烯负胶显影原理 hv 顺聚异戊二烯 交联剂 顺聚异戊二烯 交联剂 固化为体型分子 曝光的顺聚异戊二烯在交联剂作用下交联 曝光的顺聚异戊二烯在交联剂作用下交联 成为体型高分子 并固化 成为体型高分子 并固化 不再溶于有机 溶剂构成的显影液 溶剂构成的显影液 而未曝光的长链高分 子溶于显影液 显影时被去掉 子溶于显影液 显影时被去掉 第 8章 光刻 30 正胶DQN显影原理 显影原理 正胶 曝光的重氮 醌退化 醌退化 易 溶于显影液 溶于显影液 未曝光的重 氮醌和 树脂 构成的胶膜 难溶于碱性 显影液 显影液 第 8章 光刻 31 正 负胶比较 正胶 显影容易 图形边缘齐 正胶 显影容易 图形边缘齐 无溶胀现 象 光刻 的分辨率高 去胶也较容易 光刻的分辨率高 去胶也较容易 负胶显影后保留区的胶 膜是交联高分子 负胶显影后保留区的胶膜是交联高分子 在显影时 吸收显影液而溶 胀 另外 溶胀 在显影时 吸收显影液而溶胀 另外 交 联反应是局部的 边界不齐 联反应是局部的 边界不齐 所以图形分 辨率下降 光刻后硬化的胶膜也较难去除 辨 率下降 光刻后硬化的胶膜也较难去除 但负胶比正胶相抗蚀性强 但负胶比正胶相抗 蚀性强 第 8章 光刻 32 DUV 深紫外光刻胶 深紫外光刻胶 传统 DNQ 胶的问题 胶的问题 传统 胶的问题 1 对于 线波长的光强烈吸收 对于 1 因此 DUV 胶的灵敏度有很大提高 总量子效率 因此 胶的 灵敏度有很大提高 胶的灵敏度有很大提高 g 线 i 线光刻胶灵敏度为 线 线光刻胶灵敏 度为 线光刻胶灵敏度为 100 mJ cm 2 DUV胶为 40 mJ cm 2 胶为20 胶为 第 8章 光刻 33 DUV胶化学增强的基本原理 胶化学增强的基本原理 聚合物长链 INSOL INSOL PAG 曝光 聚合物长链 INSOL INSOL 酸 PEB PEB 曝 光 后 烘 烤 聚合物长链 SOL SOL 酸 酸 聚合物长链 SOL 酸 INSOL 酸 PEB 8 光 34 8 3 3 光刻胶参数 对比度 光敏度 指完成所需图形曝光的最小曝光剂量 E 最小曝光剂量 光敏度 指完 成所需图形曝光的最小曝光剂量 0 抗蚀性 指耐酸 碱能力干 抗蚀性 指耐酸 碱能力 干 湿法腐蚀 热稳定性 指耐热能力工作温度 热稳定性 指耐热能力工作温度 黏着力 指与硅 黏着力 指与硅 二氧化硅表面结合力的大小 溶解度和黏滞度 溶解度和黏滞 度 溶解度是固态物质所占的比例 膜厚和流动性 膜厚和流动性 微粒数量和金属含量防污 染 微粒数量和金属含量 防污染 存储寿命 第 8章 光刻 35 对比度 对比度 负胶临界曝光剂量 负胶 临界曝光剂量 Dgi 临界曝光剂量 正胶曝光剂量 膜厚 正胶 曝光剂量 膜厚 曝光剂量 膜厚 Y2 Y1 X 2 X1 影响曝光 后胶膜倾角 和线宽 和线宽 越高 光 越高 刻胶的侧壁 越陡 越陡 第 8章 光刻 36 对比度 对比度 续 调制转移函数 MTF 调制转移函数 光刻胶临界调制转移函数 CMTF 光刻胶临界调制转移 函数 第 8 章 光刻 光刻胶对比度与临界调制转移函数 CMTF 关系 关系 光刻胶对比度与临界 调制转移函数 37 8 4 光刻方法 通过合理设计光刻的方法 可提高光 通过合理设计光刻的方法 刻分辨率 降低驻 波效应 刻分辨率 降低驻波效应 解决难光刻 薄膜的成型等问题 薄膜的成型等问题 多层光刻胶工艺胶层厚度 多层光刻胶工艺 胶层厚度 致密度 胶层厚度 抗反射涂层工 艺 剥离技术 剥离技术 Liftoff 第 8章 光刻 38 1 多层光刻胶 MLR 工艺 多层光刻胶 硅化学增强 Si CARL 硅化学增强 工艺 中将硅片浸 工艺 c 中将硅片浸 入带有 氨基的硅氧烷 溶液 使其硅烷化 溶液 使其硅烷化 即硅烷化的光刻胶膜 中含有 20 的硅 中含有 30 的硅 Si CARL 可形成高宽 可形成高宽 比很大的图形 比很大的图形 还可 以形成分辨率小于 0 25 m 的图形 的图形 的图形 第 8章 光刻 39 多层光刻胶工艺 多层光刻胶工艺 续 对比增强层 CEL 工艺 工艺 CEL 在强光下透 在强光下透 明 而不透明的 CEL 可吸收衍射 可吸收衍射 光线 可以充分发挥投 影曝光的优点 影曝光的优点 又不受 接触曝光 的限制 的限制 同时还 可以达到接触式 曝光的效果 曝光的效果 40 第 8章 光刻 多层光刻胶工艺 多层光刻胶工艺 续 硅烷基化光刻胶 表面成像工艺 选择性的将 选择性的将 Si 选择性的将 扩散到成像层 中 扩散到成像层中 表面成像工艺有 表面成像工艺有 扩散增强硅烷基 化光刻胶 DESIRE 工艺 工艺 干法刻蚀正胶成 像 PRIME 工艺 工艺 前烘 第 8章 光刻 41 2 抗反射涂层工艺 ARC 驻波效应 指光刻胶中入射光 驻波效应 波与反射光波发生干涉 波与反射光波发 生干涉 形成 驻波的现象 表现为以 2n 为 现象 驻波的现象 表现为以 2n 为 间 隔在光刻胶中形成强弱相间 的曝光区域 的曝光区域 第 8章 光刻 42 抗反射涂层工艺 抗反射涂层工艺 续 驻波使光刻胶中光强的周期性变化引起胶层 中光能吸收的不均匀 导致线宽发生变化 中光能吸收的不均匀 导致线宽发生变化 降低分辨率 降低分辨率 用抗反射涂层 工艺解决 用抗反射涂层工艺解决 如采用底层抗反射 涂层 BARC 涂层 其它解决方法 曝光后进行烘焙 增强扩散 平均曝光效果 曝光后进行烘焙 增强扩散 平均曝光 效果 采用非准直光 采用非准直光 第 8章 光刻 43 3 剥离技术 Liftoff 剥离技术 第 8章 光刻 44 8 5 曝光 1 Using light source with shorter 光源 汞灯 汞灯 KrF 激光 ArF 激光 F2 激光 激光激发 Xe 等离子体 波长 nm 436 365 248 193 157 13 5 术语 g 线 i 线 DUV 193DUV VUV EUV 技术节点 0 5 m 0 5 0 35 m 0 25 0 13 m 90 65 32nm CaF2 lenses Reflective mirrors 光源 R k1 NA 45 第 8章 光刻 NGL X射线 5 电子束 0 62 离子束 0 12 248 nm 193 nm 157 nm 第 8章 光刻 13 5 nm 46 紫外光曝光 UV 光源 光源 光源 水银弧光灯 i 线 365nm 线 h线 405nm 线 g 线 436nm 线 氙汞灯 200 300nm 高压水银汞灯 DUV光源 准分子激光 光源准分子激光 光源 KrF248nm 0 35 0 18 m 工艺 工艺 ArF193nm 可用于 可用于 0 2 m 以下 以 下 第 8 章 光刻 CMOS 工艺 工艺 47 三种硅片曝光模式及系统 接触式 接近式 投影式 步进 投影式 步进 1 1曝光系统 曝光系统 第 8章 光刻 4或5 倍缩小曝光系统 或 倍缩小曝光系统 48 8 5 1接近式曝光 衍射的影响 接近式曝光 衍射的影响 无畸变时用接近式曝 光可得的最细线宽 a 1 4 s R 1 2 8 s 当s 5 m 400nm 则 a 2 m R 250 mm 只能用于3 m 以上工艺 以上工艺 只能用于 第 8章 光刻 49 8 5 2 投影光刻 两像点能分辨 最小间隔 数值孔径收 数值孔径 收 集衍射光的能力 D y 0 61 NA nsin NA 2f 3 m 光刻主要手段 光刻主要手段 第 8章 光刻 通常 NA 在 之间 通常 在 0 2 0 45 之间 若取 之间 若取 0 4 400nm 则 y 0 61 m 则 50 步进光刻机的曝光 第 8章 光刻 51 DSW direct step on wafer 第 8章 光刻 52 193 nm 浸没式光刻技术 纳米 CMOS 器件光刻工艺 在传统光刻机的光学镜头与晶圆之间的介质用水 来替代空 气 以缩小曝光光源波长和增大镜头数值 孔径 NA 从而提高了分辨率 延伸了 193 nm 干 法光刻技术 应解决的技术问题是 研发高折射率的光刻 胶 2004 年光刻胶折射率 为 1 7 研发高折射 率的浸入液体 水折射率为 1 44 研发折射率为 1 6 1 7 的浸入液体 折射指数大于 1 65 的流体 满足粘度 吸收和流体循环要求 研发高 折射 率的光学材料 折射指数大于 1 65 的透镜材料 满足透镜设计的吸收和双折射要求 控制由于浸 入环境引起的缺陷 包括气泡和污染 53 第 8章 光刻 157 nm 光刻技术 被称为光学方法的极限 光源采用氟气准分子激光 发出波长 157 nm 附近的真空紫外光 主要困难 光学成 像系统中的透镜材料 当波长短到 157 nm 时 大多数光学镜头材料 都是高吸收态 易将 激光的能量吸收 受热 膨胀后造成球面像差 第 8章 光刻 54 EUV 极短紫外光 光刻 极紫外光刻技术 EUVL 是以波长为 11 14 nm 的 软 X 射线为曝光光源的微电子光刻 技术 这种光 刻技术能使印制电路的最小线宽达 0 03 m 关键技术需要解决 EUVL 光源研究 全反 射式离轴非球面缩倍投影光刻物镜研究 与目前 的光学光刻不同 对 极紫外光已无透射材料 因为 在该波段所有材料的折射率都接近于 1 必须采用 反射式 光学系统 高精度离轴非球面反射镜加 工 检测技术的研究 EUVL 光学系统中的反射 面要求具有接近理想的面形和亚纳米量级的表面 粗糙度 极紫外多层高反射率光学薄 膜制备技 术的研究 EUVL 反射式光学系统的反射面必须在 镀制了高反射率光学薄膜后才 能正常工作 反射率 越高 则生产效率越高 第 8章 光刻 55 8 6 掩模版的制造 制版就是将器件与电路结构 如掺杂 制版就是将器件与电路结构 如掺杂 互 连 方式等 设计图形转移到掩膜版上 连方式等 设计图形转移到掩膜版上 先制作母板 再由母版翻印多套工作版 先制作母板 再由母版翻印多套工作版 工作板也叫作光刻 板 工作板也叫作光刻板 一种产品生产时光刻几次就有几块版 这 一种产品生产时光 刻几次就有几块版 几块彼此联系的版组合成一套版 几块彼此联系的版组合成一套版 制版技术是光刻工艺的关键技术 制版技术是光刻工艺的关键技术 第 8章 光刻 56 光刻版 第 8章 光刻 57 A 电路图 电路图 B 版图 版图 A 第 8章 光刻 B 58 8 6 1 空白版 就是底版 由基片和 感光 薄膜组成 就是底版 由基片和 感光 薄膜组成 空白版有多种 由基片上的感光薄膜划分 空白版有多种 由基片上的感光薄膜划分 常 用 的有超微粒干版 铬版 彩色版等 的有超微粒干版 铬版 彩色版等 铬版 在石 英玻璃上淀积铬膜构成的空白版铬 铬版 在石英玻璃上淀积铬膜构成的空白版 铬 用溅射 或蒸镀法淀积 用溅射或蒸镀法淀积 在铬和玻璃之间有氮化物 或氧化物作为黏附层 铬膜上有 20nm 的 Cr2O3 作 或氧化物作为黏附层 铬膜上有 的 为抗发射层 为避免污染表 面有一层 1 2 m 有机 为抗发射层 为避免污染表面有一层 有机 Cr Cr2O3 保护膜 玻璃 氮化物 保护膜 保护膜 第 8章 光刻 59 8 6 2 制版工艺 使用光学照相方法制母版 光学制版 使用光学照相方法制母版 再复印光 刻版 刻版 总图绘制 绘分图 初缩 精缩 复印 总图绘制 绘分图 初缩 精缩 复印 绘分图 初缩 精缩 采用计算机绘图 将图形 X Y数据化 数据化 电子束制版 采用计算机绘图 将图形 数据化 用图形发生器按这些数据由电子束在空白版上扫 直接制备出母版 描 直接制备出母版 制版用专用版图设计软件 制版用专用版图设计软件 如 Cadence L edit 第 8章 光刻 60 8 6 3 移相掩膜 技术 Phase shifting Mask PSM d 图形尺寸缩小到深亚微米 使用移相掩膜技术 图形尺寸缩小到深亚微米 使用移相 掩膜技术 原理 原理 在掩膜版上的某些透明图形上增加或减少一个透明的 介质层 称移相器 使光波通过介质层后产生 180 的相位 介质层 称移相器 使光波通过介质层 后产生 与邻近透明区域透过的光波产生干涉 差 与邻近透明区域透过的光波产生干 涉 从而抵消图形边 缘的光衍射效应 提高曝光分辨率 缘的光衍射效应 提高曝光分 辨率 相位差 相位差 Q 2 d n 1 第 8章 光刻 61 8 6 4 掩膜版质量要求 图形符合设计要求 尺寸准确 不发生 图形符合设计要求 尺寸准确 变形 变形 一套母版的各个分版之间应一一套准 一套母版的各个分版之间应一一套准 版黑白反 差大 一般应在 2 5 以上 以上 版黑白反差大 一般应在 以上 反差也叫光密度差 光 密度用 D 表示 表示 反差也叫光密度差 光密度用 表示 它是阻挡光通过的能力 它 是阻挡光通过的能力 D Lg I入 I透 图形边缘光滑陡直 无毛刺 过渡小 图形边缘光 滑陡直 无毛刺 过渡小 版面光洁 针孔 小岛 以及划痕少 版面光洁 针孔 小 岛 以及划痕少 第 8章 光刻 62 光学光刻替代技术 第 8章 光刻 63 Minimum feature size Production 2003 2005 2007 Technology 90 nm 65 nm 45 nm Node Half pitch nm 110 105 80 LG nm 60 42 30 193 nm 2009 32 nm 55 21 2011 22 nm 39 16 193 nm immersion 193 nm immersion with higher n EUV pitch LG P Bai et al IEDM2005 第 8章 光刻 64 光学光刻替代技术 纳米压印 纳米压印 Nanoimprint 基于材料和工艺革新的 侧墙转移 基于 材料和工艺革新的 侧墙转移 技 无 光 术 Sidewall Spacer transfer lithography 源 X 射线光刻技术 XRL 射线光刻技术 射线光刻技术 离子束光刻技术 离子 束光刻技术 IBL 无掩模光刻 电子束 Shaped Beam 电子束 无掩模光刻 电子 束 Multi Column Multi Beams 第 8章 光刻 65 8 7 X射线光刻 射线光刻 以高强度的电子束轰击金属靶材 以高强度的电子束轰击金属靶材 使其 发射 X射线 射线 射线作为曝光光源 在 射线作为曝光光源 发射 射线 X 射线作为曝光光源 在 0 2 4nm 软 X 射线区 软 射线区 射线区 掩膜版 为了 X 射线能够透过 射线能够透 过 掩膜版 为了 射线能够透过 掩膜版 很薄 射线透明的 Si 很薄 对 X 射线透明 的 SiN BN 和聚 射线透明的 和聚 酯薄膜为基片在上面淀积金薄膜 酯薄膜为基片 在上面淀积金薄膜 以此 作为空白版 金膜能吸收 X 射线 射线 作为空白版 金膜能吸 收 射线 以电 子束制版方法制备掩膜版 子束制版方法制备掩膜版 第 8章 光刻 66 8 7 1 X射线曝光图形畸变 射线曝光图形畸变 影响分 辨率的 不是衍 射 而 是半阴 影和几 何畸变 影响分辨率 第 8章 光刻 67 8 7 2 X射线光刻系统 射线光刻系统 第 8章 光刻 68 8 7 3 X射线光刻掩膜版和抗蚀剂 射线光刻掩膜版和抗蚀剂 2 X 射线波长 40 低原子序数的轻元素材料 Si3N4 射线波长 射线波长 低原子序数的轻元素材料 BN Be 等 对 X 射线吸收较弱 高原子序数重元素材料 Au 射线吸收较弱 等 射线吸收较弱 高原子序数重元素材料 射线吸收较强 等 对 X 射线吸收较强 可适当选择做成掩模版 射线吸收较强 在电子抗蚀剂中加入铯 铊等 能 增加抗蚀剂对 X 射线的吸 在电子抗蚀剂中加入铯 铊等 能增加抗蚀剂对 射线的吸 收能 力 可以使之作为 X 射线抗蚀剂 射线抗蚀剂 收能力 可以使之作为 射线抗蚀剂 如 PMMA 第 8章 光刻 69 8 7 4 x射线光源 射线光源 要求 高辐射功率曝光时间 高辐射功率 曝光时间 尺寸 半阴影 尺寸 1mm 半阴影 几何畸变 半阴影 能量 1 10keV透过率 反差 透过率 能量 透过率 光源发射方式电子碰 撞和等离子体源基 光源发射方式 电子碰撞和等离子体源基 本为点光源 同步辐射 同步辐 射X射线近乎平行发射 本为点光源 同步辐射 射线近乎平行发射 第 8章 光刻 70 同步辐射x射线光学系统 同步辐射 射线光学系统 同步辐射 x 射线源 同步辐射 射线源 射线源 是利用高能电子束 在磁场中沿曲线 轨 道运动时发出的电 磁辐射中引出特定 波长的高强度高准 直的 X射线作为曝光 直的 射 线作为曝光 源 同步辐射方向性强 同步辐射方向性强 准直性好 准直性好 可以 近 似看作平行光源 似看作平行光源 光源的线度尺寸约 为 1mm 所以半阴 影效应 和几何畸变 可以忽略 可以忽略 71 第 8章 光刻 8 8 电子束光刻 电子束光刻是采用电子束光刻机进行的光刻 有两种 电子束光刻是采用电子束光刻机 进行的光刻 方式 一是在一台设备中既发生图形又进行光刻 方式 一是在一台设备 中既发生图形又进行光刻 就 直写光刻 不用光刻板的光刻 另一种是两个系 是 直写光刻 不用光刻板的光刻 另一种是两个系 制版和光刻分别进行 统 制版和光 刻分别进行 电子束光刻已应用于制造高精度掩模版 移相掩膜版 电子束光刻已应用于 制造高精度掩模版 射线掩模版 和 x 射线掩模版 射线掩模版 可实现几 几十 线条 的曝光 可实现几 几十nm 线条的曝光 几十 第 8章 光刻 72 8 8 1 电子束光刻机 改进的扫描电镜 SEM 系统 其分辨率取决 系统 改进的扫描电镜 于所选的扫描电镜 于所选的扫描电镜 这种系统工作台移动 较小 一般只适用于研究工作 较小 一般只 适用于研究工作 有两种扫描方式 高斯扫描系统 有两种扫描方式 光栅扫描 系统 系统 采用高速扫描方式对整个图形进行 扫描 利用快速束闸 实行选择性曝光 扫描 利用快速束闸 实行选择性曝光 矢量扫描方式 另一种方式是矢量扫描方式 另一种方 式是矢量扫描方式 只对需曝光 的图形进行扫描 没有图形部分快速移动 的图形进行 扫描 没有图形部分快速移动 该系统的分辨率可达几纳米 该系统的分辨率可达几纳 米 第 8章 光刻 73 电子束光刻机 续 电子束光刻机 续 成型束系统 是在曝 光前将图形分割成 矩形和三角形 矩形和三角形 通 过上下两 直角光栏 的约束形成矩形束 的场合 的场合 成型束的 最小分辨率一般大 于 0 1 m 但曝光效 率高 率高 第 8章 光刻 74 8 8 2 电子抗蚀剂 电子抗蚀剂对 10 30kV 的电子束灵敏 有正 的电子束灵敏 电子抗蚀剂对 的电子束 灵敏 性抗蚀剂 负性抗蚀剂 性抗蚀剂 负性抗蚀剂 常用的正性抗蚀剂有 PMMA 聚甲 基丙烯 常用的正性抗蚀剂有 酸甲酯 分辨率可达 10nm EBR 9 酸甲酯 胶 分辨率 可达 丙烯酸盐基类 灵敏度比 PMMA 高 10 丙烯酸盐基类 灵敏度比 高 灵 敏度比 最小分辨率只有 0 2 m 倍 最小分辨率只有 第 8章 光刻 75 掩模版与电子源 由于电子穿透距离短 由于电子穿透距离短 妨碍固体衬底如石 英在光刻版中的使 用 膜片型或镂空型掩模版 要求电子源具有高强度 高均匀性 束斑小 要求电子源具有 高强度 高均匀性 束斑小 稳 定性好 寿命长 定性好 寿命长 热电子源使用 W 含钍的钨或六硼化镧 热电子源使用 含钍的钨或六硼化镧 LaB6 第 8章 光刻 76 8 8 3 电子束散射和邻近效应 电子束的散射有前向散射 电子束的散射有前向散射 相对入射速度方向的一个小角 度范围内 导致图形轻微展宽 和背散射 度范围内 导致图形轻微展宽 和背散射 造 成大面积曝 光模糊 背散射角大 背散射角大 光模糊 背散射角大 是造成邻 近效应的主要原因 邻近效应两种 增强曝光引起的图形突起 减弱曝光引 邻近效应两 种 增强曝光引起的图形突起 增强曝光引起的图形突起 起的图形缺损 第 8章 光刻 77 光刻工艺三个度量 分辨率 对准限制集成密度 限制集成密度 对准 限制集成密度 电路性能 对准误差 应该不大于分辨率的1 4至 对准误差应该不大于分辨率的 至1 3 产量 第 8章 光刻 78 本章重点 光刻分辨率 如何提高 光刻分辨率 如何提高 如何提高 光刻工艺流程 光学光刻 直写 光刻工艺流程 光学光刻 直写 负胶的显影机理 正 负胶的显影机理 特点 影响光学 电子束 射线光刻分辨率的 影响光学 电子束 X 射线光刻分辨率的 主要因 素 光学光刻工艺上常出现什么缺欠 第 8章 光刻 79 第 9章 腐蚀 刻蚀 章 腐蚀 刻蚀 9 1 ULSI 对图形转移的要求 对图形转移的要求 9 2 湿法腐蚀 9 3 干法刻蚀技术 9 4 常用薄膜的干法刻蚀 9 5 刻蚀速率 第 9章 腐蚀 80 9 1 ULSI 对图形转移的要求 对图形转移的要求 保真度好 最好是各向异性腐蚀 保真度好 最好是各向异性腐蚀 侧向 腐蚀小 选 择比高 指不同材料的腐蚀速率之比 选择比高 均匀性好 同一硅片上不同部位的腐蚀 均 匀性好同一硅片上不同部位的腐蚀 清洁性好 防刻蚀过程的沾污 清洁性好防刻蚀过程的沾 污 第 9章 腐蚀 81 保真度 保真度即各向异性程度用 A 表示 保真度即各向异性程度用 表示 表示 df dm V1 A 1 1 Vv 2h 各向同性腐蚀 A 0 各向同性腐蚀 各向异性腐蚀 A 1 各向异性腐 蚀 Vl 侧向腐蚀速度 保真度 保真度 0 A 1 Vv 纵向腐蚀速度 一般 Vv Vl 0 第 9 章 腐蚀 82 均匀性 腐蚀的平均速度V 厚度变化因子 0 1 腐蚀速率变化因子0 1 t max 优化设定刻蚀时间 防止 优化设定刻蚀时间 出现过腐蚀 h 1 出现过腐 蚀 未腐蚀现象 h 1 v 1 t min v 1 最大腐蚀时间 tmax 最小腐蚀时间 tmin 第 8章 光刻 83 9 2 湿法腐蚀 湿法腐蚀是化学腐蚀 湿法腐蚀是化学腐蚀 晶片放在腐蚀液 或喷淋 通过 化学反应去除窗口 中 或喷淋 通过化学反应去除窗口 薄膜 得到晶片表面的薄膜图 形 薄膜 得到晶片表面的薄膜图形 参数 腐蚀液浓度 腐蚀时间 参数 腐蚀 液浓度 腐蚀时间 反应 腐蚀液浓度 温度 温度 溶液搅拌方式 第 9章 腐蚀 84 9 2 1 湿法腐蚀特点 湿法腐蚀工艺简单 湿法腐蚀工艺简单 无需复杂设备 保真度差 腐蚀为各向同性 保真度差 腐蚀为各向同性 A 0 图形分 辨率低 选择比高 均匀性好 清洁性较差 第 8章 光刻 85 9 2 2 硅的湿法腐蚀 各向同性腐蚀 各向同性腐蚀 Si HNO3 6HF H2SiF6 HNO2 H2O H2 各向异性腐 蚀 各向异性腐蚀 Si 2KOH H2O K2SiO3 H2O 第 9章 腐蚀 86 9 2 3 常用薄膜的腐蚀液 SiO2 湿法腐蚀 BHF 或 HF 湿法腐蚀 或 48 HF NH4F H2O 3ml 6g 10ml 6HF SiO2 SiF6 2H2O H2 Al 湿法腐蚀 85 H3PO4 湿法腐蚀 湿法腐蚀 Al H3PO4 Al H2PO4 3 H2 Si3N4湿法腐蚀 130 150 H3PO4 或沸腾 湿法腐蚀 或沸腾HF 第 9章 腐蚀 87 9 3 干法刻蚀 干法刻蚀是利用等离子体激活的化学反应或 者是利用高能离子束轰击完成去除物质 者是利用高能离子束轰击完成去除物质 而 在刻蚀过程中并不使用溶液的方法 在刻蚀 过程中并不使用溶液的方法 各向异性的干法刻蚀是 ULSI 的主流腐蚀工 各向异性的干法 刻蚀是 的主流腐蚀工 艺 第 8章 光刻 88 干法腐蚀的优点 无钻蚀现象 各向异性腐蚀能力强 腐蚀 的选择比高 使光刻分辨率高 对湿法腐 蚀难的薄膜如氮化硅等可以进行 干法腐蚀 能够进行自动化操作 无湿法腐蚀的大量酸 碱废液 第 8章 光刻 89 9 3 1 干法刻蚀方法 依据等离子放电条件 反应气体 依据等离子放电条件 反应气体 系统的 不同 有多种干法刻蚀方式 不同 有多种干法刻蚀方式 等离子体刻蚀 等离子体刻蚀 Plasma Etching 溅射刻蚀 溅射刻蚀 Sputter Etching 反应离子刻蚀 反应离子刻蚀 Reactive Ion Etching RIE 第 9章 腐蚀 90 1 等离子体刻蚀 利用辉光放电产生的活性粒子与需要刻蚀材料 发生化学反应形成挥发性产物完成刻蚀 发生化学反应形成挥发性产物完成刻蚀 反应器真空度在 1 10 Torr 反应器真空度在 1 10 2Torr 腐蚀气体为氟化 加载射频功率 气体等离子化 加载射频功率 物 如 CF4 加载射频功率 气体等离子化 活性物 F 与氮化硅 活性物 CF x 与氮化硅 多晶硅等被刻蚀薄 膜发生化学反应 生成物被真空泵排除 化学反应 膜发生化学反应 生成物被真空泵排除 等离子体刻蚀主要通过化学反应完成 等离子体刻蚀主要通过化 学反应完成 具有较 好的选择性 但各向异性相对较差 好的选择性 但各向异性相对 较差 SiO2 F CF x SiF4 O2 第 9章 腐蚀 91 等离子体刻蚀反应器 圆筒式反应器 最早被 用于去胶 采用的刻蚀气体 是 O2 后来又利用 F 系与 Cl 系气体来刻蚀硅基材料 缺点 1 为各向同性腐蚀 存在侧 向钻蚀 分辨率不高 2 负载效应大 刻蚀速率随 刻 蚀面积的增大而减小 3 不适于刻蚀 SiO2 和 Al 4 均匀性差 第 8章 光刻 92 等离子体刻蚀反应器 平板式反应器 硅片放 在阳极上 以化学刻蚀为主 也有 微弱的物理溅射刻蚀作 用 离子的能量可以促 进原子团与硅片之间的 化学反应 提高刻蚀速 率 同时使刻蚀具有一 定的各向异性 使分辨 率有所提高 第 8章 光刻 93 等离子体刻蚀特点 以各向同性为主 有侧向腐蚀 保真度 以各向同性为主 有侧向腐蚀 平 板形反应 器比筒形反应器侧向腐蚀小 比筒形反应器侧向腐蚀小 板形反应器比筒形反应器侧向腐 蚀小 0 A 筒 A 平 1 筒形反应器好于平板形 选择性 筒形反应器好于平板形 如负胶与 氮化硅腐蚀速率比 筒形30 1 10 1 平板 氮化硅腐蚀速率比 筒形 形 10 1 5 1 第 8章 光刻 94 2 溅射刻蚀 离子铣 溅射刻蚀 离子铣 入射离子以高速撞击固体表面 入射离子以高速撞击固体表面 当传递给固体原子 的能量超过其结合能 几到几十电子伏特 的能量超过其结合能 几到几十电子伏特 时 固 体原子就会脱离其晶格位置而被溅射出来 这是一 体原子就会脱离其晶格位置而被溅 射出来 种纯粹的物理过程 种纯粹的物理过程 各向异性刻蚀 A 1 选择性相对较差 各向异性刻蚀 选择性相对较差 等离子体中的离子或高能原子对衬底进 溅射刻蚀 等 离子体中的离子或高能原子对衬底进 行轰击 溅射出衬底原子 形成掩蔽膜图形 行轰 击 溅射出衬底原子 形成掩蔽膜图形 高能离子束对衬底进行轰击 对衬底进行轰击 离子束铣蚀 高能离子束对衬底进行轰击 撞击出 衬底原子 衬底原子 形成掩蔽膜图形 第 9章 腐蚀 95 3 反应离子刻蚀 RIE 反应离子刻蚀 RIE 是等离子化学腐蚀和溅射物理刻蚀现 是等离子化学腐蚀和溅射物理刻蚀现 象同时 作用的刻蚀 实际是离子辅助刻蚀 象同时作用的刻蚀 实际是离子辅助刻蚀 反应离 子刻蚀装置可分为平板式与六角形 与平板式等离子体刻蚀相比 式 与平板式等离子体 刻蚀相比 区别是 将硅片放在阴极上 将硅片放在阴极上 而等离子体刻蚀是将 硅片放 在阳极上 与离子铣刻蚀相比 硅片放在阳极上 与离子铣刻蚀相比 区 系气体 别是 要通入腐蚀性气体如 Cl 系 F 系气体 系 而离子铣刻蚀用的是惰性气体 而离子铣刻 蚀用的是惰性气体 目前 是在 IC 中采用最多的刻蚀方法 目前 RIE 是在 中采用最多 的刻蚀方法 是在 中采用最多的刻蚀方法 第 8章 光刻 96 RIE刻蚀特点 刻蚀特点 反应离子刻蚀具有等离子体刻蚀的刻蚀速 率快的优点 而且比等离子体刻蚀还要快 率快的优点 而且比等离子体刻蚀还要快 同时又具有离子铣刻蚀的各向异性因而分辨 率高的优点 率高的优点 保真度优于等离子体刻蚀 但不如溅射刻蚀 保真度优于等 离子体刻蚀 但不如溅射刻蚀 选择比优于溅射刻蚀 选择比优于溅射刻蚀 但不如等 离子体腐蚀 RIE 刻蚀后在衬底上留有残余损伤 刻蚀后在衬底上留有残余损伤 刻蚀后 在衬底上留有残余损伤 第 9章 腐蚀 97 9 3 2 干法刻蚀特点 与湿法腐蚀比较 优点 与湿法腐蚀比较 优点 保真度好 图形分辨率高 保真度好 图形分辨率高 湿法腐蚀难的薄膜如氮化硅 等可以进行干法 刻蚀 刻蚀 清洁性好 气态生成物被抽出 清洁性好 气态生成物 被抽出 无湿法腐蚀 的大量酸碱废液 的大量酸碱废液 缺点 设备复杂 选择比不如湿法 第 9章 腐蚀 98 各种干法刻蚀方法比较 第 8章 光刻 99 9 4 常用薄膜的干法刻蚀 干法去胶 SiO2 Si 的刻蚀 的刻蚀 氮化硅的刻蚀 其它薄膜的刻蚀 第 9章 腐蚀 100 9 4 1干法去胶 灰化 干法去胶 灰化 干法去胶 用氧气等离子体刻蚀去胶 强氧化去胶 用氧气等离子体刻蚀去胶 强氧化去胶 在去胶机中通入 O 被等离子化 在去胶机中通入 2 O2 被等离子化 其中 的活性物质 O 与光刻胶发生化学反应 的活性物质 与光刻胶发生化学反应 胶 是有机物 被氧化 生成 H 是有机物 被氧化 生成 2O CO CO2 等气体 由真空泵排除 等气体 由真空泵排除 注意 不能用于带有 Ag 注意 不能用于带有 Cu ZrO parylene 和聚酰亚胺的基片 第 8章 光刻 101 隧道反应式去胶机 负载效应 去胶速率 随着胶的 量增加而 减小 减小 腐蚀速率 与受腐蚀 面积有 关 面积有关 面积增大 面积增大 腐蚀速率 下降 下降 第 9章 腐蚀 102 9 4 2 SiO2 Si的刻蚀 的刻蚀 CF4 e CF3 F e CF3 e CF2 F e SiO 2 4F SiF4 g O 2 Si 4F SiF4 g O 2 CFx CO CO 2 F 如何提高 Si SiO2 刻 蚀选择性 第 9章 腐蚀 103 SiO2 Si 的刻蚀 的刻蚀 F H HF Si CFx SiF4 C SiO 2