西电集成电路制造技术第八章 光刻与刻蚀工艺.ppt

第八章光刻与刻蚀工艺 主讲 毛维mwxidian 西安电子科技大学微电子学院 绪论 光刻 通过光化学反应 将光刻版 mask 上的图形转移到光刻胶上 刻蚀 通过腐蚀 将光刻胶上图形完整地转移到Si片上光刻三要素 光刻机 光刻版 掩膜版 光刻胶ULSI对光刻的要求 高分辨率 高灵敏的光刻胶 低缺陷 精密的套刻对准 绪论 光刻胶三维图案 绪论 集成电路芯片的显微照片 绪论 接触型光刻机 步进型光刻机 绪论 掩膜版与投影掩膜版投影掩膜版 reticle 是一个石英版 它包含了要在硅片上重复生成的图形 就像投影用的电影胶片的底片一样 这种图形可能仅包含一个管芯 也可能是几个 光掩膜版 photomask 常被称为掩膜版 mask 它包含了对于整个硅片来说确定一工艺层所需的完整管芯阵列 绪论 掩膜版的质量要求 若每块掩膜版上图形成品率 90 则6块光刻版 其管芯图形成品率 90 6 53 10块光刻版 其管芯图形成品率 90 10 35 15块光刻版 其管芯图形成品率 90 15 21 最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低 绪论 特征尺寸 关键尺寸 关键尺寸常用做描述器件工艺技术的节点或称为某一代 0 25 m以下工艺技术的节点是0 18 m 0 15 m 0 1 m等 套准精度光刻要求硅片表面上存在的图案与掩膜版上的图形准确对准 一般而言 器件结构允许的套刻误差为器件特征尺寸的三分之一左右 当图形形成要多次用到掩膜版时 任何套准误差都会影响硅片表面上不同图案间总的布局宽容度 而大的套准容差会减小电路密度 即限制了器件的特征尺寸 从而降低IC性能 绪论 CleanRoom洁净等级 尘埃数 m3 尘埃尺寸为0 5 m 10万级 350万 单晶制备 1万级 35万 封装 测试 1000级 35000 扩散 CVD 100级 3500 光刻 制版 深亚微米器件 尘埃尺寸为0 1 m 10级 350 光刻 制版 1级 35 光刻 制版 8 1光刻工艺流程 主要步骤 涂胶 前烘 曝光 显影 坚膜 刻蚀 去胶 两种基本工艺类型 负性光刻和正性光刻 n Si 负性光刻 n Si 不透光 n Si n Si n Si 负性光刻 n Si 正性光刻 n Si 不透光 n Si n Si n Si 正性光刻 8 1光刻工艺流程 8 1光刻工艺流程 8 1 1涂胶1 涂胶前的Si片处理 以在SiO2表面光刻为例 SiO2 亲水性 光刻胶 疏水性 脱水烘焙 去除水分 HMDS 增强附着力HMDS 六甲基乙硅氮烷 CH3 6Si2NH作用 去掉SiO2表面的 OH HMDS热板脱水烘焙和气相成底膜 8 1光刻工艺流程 8 1 1涂胶2 涂胶 对涂胶的要求 粘附良好 均匀 薄厚适当胶膜太薄 针孔多 抗蚀性差 胶膜太厚 分辨率低 分辨率是膜厚的5 8倍 涂胶方法 浸涂 喷涂 旋涂 8 1光刻工艺流程 8 1 2前烘 作用 促进胶膜内溶剂充分挥发 使胶膜干燥 增加胶膜与SiO2 Al膜等 的粘附性及耐磨性 影响因素 温度 时间 烘焙不足 温度太低或时间太短 显影时易浮胶 图形易变形 烘焙时间过长 增感剂挥发 导致曝光时间增长 甚至显不出图形 烘焙温度过高 光刻胶黏附性降低 光刻胶中的感光剂发生反应 胶膜硬化 不易溶于显影液 导致显影不干净 在真空热板上软烘 8 1光刻工艺流程 8 1 3曝光 光学曝光 X射线曝光 电子束曝光 光学曝光 紫外 深紫外 光源 高压汞灯 产生紫外 UV 光 光谱范围为350 450nm 准分子激光器 产生深紫外 DUV 光 光谱范围为180nm 330nm KrF 248nm ArF 193nm F2 157nm 8 1光刻工艺流程 曝光方式a 接触式 硅片与光刻版紧密接触 b 接近式 硅片与光刻版保持5 50 m间距 c 投影式 利用光学系统 将光刻版的图形投影在硅片上 8 1光刻工艺流程 电子束曝光 几十 100 优点 分辨率高 不需光刻版 直写式 缺点 产量低 X射线曝光 2 40 软X射线 X射线曝光的特点 分辨率高 产量大 8 1光刻工艺流程 8 1 4显影 作用 将未感光的负胶或感光的正胶溶解去除 显现出所需的图形 显影液 专用正胶显影液 含水的碱性显影液 如KOH TMAH 四甲基氢氧化胺水溶液 等 负胶显影液 有机溶剂 如丙酮 甲苯等 例 KPR 负胶 的显影液 丁酮 最理想 甲苯 图形清晰度稍差 三氯乙烯 毒性大 8 1光刻工艺流程 影响显影效果的主要因素 曝光时间 前烘的温度与时间 胶膜的厚度 显影液的浓度 显影液的温度 显影时间适当t太短 可能留下光刻胶薄层 阻挡腐蚀SiO2 金属 氧化层 小岛 t太长 光刻胶软化 膨胀 钻溶 浮胶 图形边缘破坏 8 1光刻工艺流程 8 1 5坚膜 作用 使软化 膨胀的胶膜与硅片粘附更牢 增加胶膜的抗蚀能力 方法 恒温烘箱 180 200 30min 红外灯 照射10min 距离6cm 温度与时间 坚膜不足 腐蚀时易浮胶 易侧蚀 坚膜过度 胶膜热膨胀 翘曲 剥落 腐蚀时易浮胶或钻蚀 若T 300 光刻胶分解 失去抗蚀能力 8 1光刻工艺流程 8 1 6腐蚀 刻蚀 对腐蚀液 气体 的要求 既能腐蚀掉裸露的SiO2 金属 又不损伤光刻胶 腐蚀的方法 湿法腐蚀 腐蚀剂是化学溶液 特点 各向同性腐蚀 干法腐蚀 腐蚀剂是活性气体 如等离子体 特点 分辨率高 各向异性强 8 1 7去胶 湿法去胶无机溶液去胶 H2SO4 负胶 有机溶液去胶 丙酮 正胶 干法去胶 O2等离子体 8 2分辨率 分辨率R 表征光刻精度光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸 表示方法 每mm最多可容纳的线条数 若可分辨的最小线宽为L 线条间隔也L 则R 1 2L mm 1 1 影响R的主要因素 曝光系统 光刻机 X射线 电子束 的R高于紫外光 光刻胶 正胶的R高于负胶 其他 掩模版 衬底 显影 工艺 操作者等 8 2分辨率 2 衍射对R的限制设一任意粒子 光子 电子 根据不确定关系 有 L p h粒子束动量的最大变化为 p 2p 相应地若 L为线宽 即为最细线宽 则最高分辨率 对光子 p h 故 上式物理含义 光的衍射限制了线宽 2 最高分辨率 对电子 离子 具有波粒二象性 德布罗意波 则 最细线宽 结论 a E给定 m L R 即R离子 R电子b m给定 E L R 8 3光刻胶的基本属性 1 类型 正胶和负胶 正胶 显影时 感光部分溶解 未感光部分不溶解 负胶 显影时 感光部分不溶解 不感光部分溶解 8 3光刻胶的基本属性 2 组份 基体 树脂 材料 感光材料 溶剂 例如 聚乙烯醇肉桂酸脂系 负胶 基体 感光剂 聚乙烯醇肉桂酸脂浓度 5 10 溶剂 环己酮浓度 90 95 增感剂 5 硝基苊浓度 0 5 1 聚乙烯醇肉桂酸脂 KPR 的光聚合反应 8 3光刻胶的基本属性 8 3 1对比度 表征曝光量与光刻胶留膜率的关系 以正胶为例临界曝光量D0 使胶膜开始溶解所需最小曝光量 阈值曝光量D100 使胶膜完全溶解所需最小曝光量 8 3 1对比度 直线斜率 对比度 对正胶对负胶 越大 光刻胶线条边缘越陡 8 3光刻胶的基本属性 8 3 3光敏度S 完成所需图形的最小曝光量 表征 S n E E 曝光量 lx s 勒克斯 秒 n 比例系数 光敏度S是光刻胶对光的敏感程度的表征 正胶的S大于负胶8 3 4抗蚀能力表征光刻胶耐酸碱 或等离子体 腐蚀的程度 对湿法腐蚀 抗蚀能力较强 干法腐蚀 抗蚀能力较差 正胶抗蚀能力大于负胶 抗蚀性与分辨率的矛盾 分辨率越高 抗蚀性越差 8 3光刻胶的基本属性 8 3 5黏着力表征光刻胶与衬底间粘附的牢固程度 评价方法 光刻后的钻蚀程度 即钻蚀量越小 粘附性越好 增强黏着力的方法 涂胶前的脱水 HMDS 提高坚膜的温度 8 3 6溶解度和黏滞度8 3 7微粒数量和金属含量8 3 8存储寿命 8 5抗反射涂层工艺 8 5 1驻波效应穿过光刻胶膜到达衬底表面 并在衬底表面被反射又回到光刻胶中反射光波与光刻胶中的入射光波发生干涉 形成驻波 影响 导致曝光的线宽发生变化 8 5 2底层抗反射涂层 BARC 作用 利用反射光波的干涉 减弱驻波效 制作 PVD法 CVD法 8 6紫外光曝光 光源 紫外 UV 深紫外 DUV 方法 接触式 接近式 投影式 光谱能量紫外 UV 光一直是形成光刻图形常用的能量源 并会在接下来的一段时间内继续沿用 包括0 1 m或者更小的工艺节点的器件制造中 大体上说 深紫外光 DUV 指的是波长在300nm以下的光 8 6 1水银弧光灯 高压汞灯 光源波长 UV 350 450nm usedfor0 5 0 35 m g线 436nm h线 405nm i线 365nm 对于光刻曝光的重要UV波长 部分电磁频谱 8 6紫外光曝光 8 6 3准分子激光DUV光源准分子 只在激发态下存在 基态下分离成原子 波长 DUV 180nm 330nm KrF 248nm for0 25 0 18 m 0 13 m ArF 193nm for3 m 8 6 5接触式曝光硅片与光刻版紧密接触 优点 光衍射效应小 分辨率高 缺点 对准困难 掩膜图形易损伤 成品率低 8 6 6投影式曝光利用光学系统 将光刻版的图形投影在硅片上 优点 光刻版不受损伤 对准精度高 缺点 光学系统复杂 对物镜成像要求高 用于3 m以下光刻 投影式曝光原理 两像点能够被分辨的最小间隔 y 1 22 f D引入数值孔径NA描述透镜性能 NA nsin D 2fn 透镜到硅片间的介质折射率 像点张角故 y 0 61 NA若NA 0 4 400nm y 0 61 m 若n增大 NA增大 则 y减小 即分辨率提高 传统式 n 1 空气 NA 最大 0 93 最小分辨率 52nm 浸入式 n 1 水 193nm NA 最大 1 2 最小分辨率 40nm 分步重复投影光刻机 Stepper 采用折射式光学系统和4X 5X的缩小透镜 光刻版 4X 5X 曝光场 一次曝光只有硅片的一部分 采用了分步对准聚焦技术 8 7掩模版 光刻版 的制造 8 7 1基版材料 玻璃 石英 要求 透光度高 热膨胀系数与掩膜材料匹配 8 7 2掩膜材料 金属版 Cr版 Cr2O3抗反射层 金属Cr Cr2O3基层特点 针孔少 强度高 分辨率高 乳胶版 卤化银乳胶特点 分辨率低 2 3 m 易划伤 8 7 4移相掩模 PSM PSM Phase ShiftMask作用 消除干涉 提高分辨率 原理 利用移相产生干涉 抵消图形边缘的光衍射效应 8 8X射线曝光 曝光方法 接近式曝光 X射线光源 通过高能电子束轰击一个金属靶产生 波长为2 40埃 优点 小尺寸曝光 缺点 存在图形的畸变 半影畸变 和几何畸变 半影畸变 几何畸变 X射线曝光 8 9电子束直写式曝光 曝光原理 电子与光刻胶碰撞作用 发生化学反应 适用最小尺寸 0 1 0 25 m电子束曝光的分辨率主要取决于电子散射的作用范围 缺点 邻近效应 由于背散射使大面积的光刻胶层发生程度不同的曝光 导致大面积的图形模糊 造成曝光图形出现畸变 减小邻近效应的方法 减小入射电子束的能量 或采用低原子序数的衬底与光刻胶 SCALPEL技术 采用原子序数低的SiNX薄膜和原子序数高的Cr W制作的掩模版 产生散射式掩膜技术 特点 结合了电子束曝光的高分辨率和光学分步重复投影曝光的高效率 掩模版制备更加简单 8 10ULSI对图形转移的要求 8 10 1图形转移的保真度 腐蚀的各向异性的程度 式中 V1 测向腐蚀速率 VV 纵向腐蚀速率 h 腐蚀层的厚度 图形测向展宽量 若A 1 表示图形转移过程产无失真 若A 0 表示图形失真严重 各向同性腐蚀 8 10 2选择比两种不同材料在腐蚀的过程中被腐蚀的速率比 作用 描述图形转移中各层材料的相互影响 8 11湿法刻蚀 特点 各相同性腐蚀 优点 工艺简单 腐蚀选择性好 缺点 钻蚀严重 各向异性差 难于获得精细图形 刻蚀3 m以上线条 刻蚀的材料 Si SiO2 Si3N4 8 11 1Si的湿法刻蚀常用腐蚀剂 HNO3 HF H2O HAC 混合液 HNO3 强氧化剂 HF 腐蚀SiO2 HAC 抑制HNO3的分解 Si HNO3 HF H2 SiF6 HNO2 H2O H2 KOH 异丙醇 8 11 2SiO2的湿法腐蚀常用配方 KPR胶 HF NH4F H2O 3ml 6g 10ml HF溶液浓度为48 HF 腐蚀剂 SiO2 HF H2 SiF6 H2ONH4F 缓冲剂 NH4F NH3 HF8 11 3Si3N4的湿法腐蚀腐蚀液 热H3PO4 130 150 8 12干法腐蚀 优点 各向异性腐蚀强 分辨率高 刻蚀3 m以下线条 类型 等离子体刻蚀 化学性刻蚀 溅射刻蚀 纯物理刻蚀 反应离子刻蚀 RIE 结合 ICP 98C型高密度等离子体刻蚀机 SLR730负荷锁定RIE反应离子刻蚀系统 8 12 1干法刻蚀的原理 等离子体刻蚀原理a 产生等离子体 刻蚀气体经辉光放电后 成为具有很强化学活性的离子及游离基 等离子体 CF4RFCF3 CF2 CF F BCl3RFBCl3 BCl2 Cl b 等离子体活性基团与被刻蚀材料发生化学反应 特点 选择性好 各向异性差 刻蚀气体 CF4 BCl3 CCl4 CHCl3 SF6等 8 12 1干法刻蚀的原理 溅射刻蚀原理a 形成能量很高的等离子体 b 等离子体轰击被刻蚀的材料 使其被撞原子飞溅出来 形成刻蚀 特点 各向异性好 选择性差 刻蚀气体 惰性气体 反应离子刻蚀原理同时利用了溅射刻蚀和等离子刻蚀机制 特点 各向异性和选择性兼顾 刻蚀气体 与等离子体刻蚀相同 8 12 2SiO2和Si的干法刻蚀 刻蚀剂 CF4 CHF3 C2F6 SF6 C3F8 等离子体 CF4 CF3 CF2 CF F 化学反应刻蚀 F Si SiF4 F SiO2 SiF4 O2 CF3 SiO2 SiF4 CO CO2 刻蚀总结 湿法刻蚀 刻蚀3 m以上线条 优点 工艺简单 选择性好 缺点 各向异性差 难于获得精细图形 干法腐蚀 刻蚀3 m以下线条 优点 各向异性强 分辨率高 实际工艺 CF4中加入O2作用 调整选择比 机理 CF4 O2 F O COF COF2 CO CO2 初期 F 比例增加 后期 O2比例增加 O2吸附在Si表面 影响Si刻蚀 CF4中加H2作用 调整选择比 机理 F H H2 HFCFX x 3 Si Si