集成电路制造技术教学课件ppt光刻与刻蚀工艺

1、集成电路制造技术集成电路制造技术 第八章第八章 光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺 西安电子科技大学西安电子科技大学 微电子学院微电子学院 戴显英戴显英 2012012 2年年8 8月月 主要内容主要内容 n光刻的重要性光刻的重要性 n光刻工艺流程光刻工艺流程 n光源光源 n光刻胶光刻胶 n分辨率分辨率 n湿法刻蚀湿法刻蚀 n干法刻蚀干法刻蚀 第八章第八章 光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺 nicic制造中最重要的工艺：制造中最重要的工艺：决定着芯片的最小特征尺寸决定着芯片的最小特征尺寸 占芯片制造时间的占芯片制造时间的40-50%40-50%占制造成本的占制造成本的30%30% n光刻：光刻：通过光化

2、学反应，将光刻版（通过光化学反应，将光刻版（maskmask）上的图形转）上的图形转 移到光刻胶上。移到光刻胶上。 n刻蚀：刻蚀：通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到sisi片上片上 n光刻三要素：光刻三要素：光刻机光刻机光刻版（掩膜版）光刻版（掩膜版）光刻胶光刻胶 nulsiulsi对光刻的要求：对光刻的要求：高分辨率；高灵敏的光刻胶；高分辨率；高灵敏的光刻胶； 低缺陷；精密的套刻对准；低缺陷；精密的套刻对准； 第八章第八章 光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺 n特征尺寸与栅长的摩尔定律特征尺寸与栅长的摩尔定律 n与特征尺寸相应的光源与特征尺寸相应的光源 第八章

3、第八章 光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺 n接触式与投影式光刻机接触式与投影式光刻机 掩模版掩模版 n掩膜版的质量要求掩膜版的质量要求 若每块掩膜版上图形成品率若每块掩膜版上图形成品率9090，则，则 6 6块光刻版，其管芯图形成品率（块光刻版，其管芯图形成品率（9090）6 65353； 1010块光刻版，其管芯图形成品率（块光刻版，其管芯图形成品率（9090 ） ）10 1035 35； 1515块光刻版，其管芯图形成品率（块光刻版，其管芯图形成品率（9090 ） ）15 1521 21； 最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。 n掩膜版尺寸：掩膜

4、版尺寸： 接触式接近式和投影式曝光机：接触式接近式和投影式曝光机：11 11 分步重复投影光刻机（分步重复投影光刻机（stepperstepper）：）：4141；5151； 101 101 clean roomclean room净化间净化间 n洁净等级：洁净等级：尘埃数尘埃数/m/m3 3； （尘埃尺寸为（尘埃尺寸为0.50.5mm） 1010万级：万级：350350万，单晶制备；万，单晶制备； 1 1万级：万级：3535万，封装、测试；万，封装、测试； 10001000级：级：3500035000，扩散、，扩散、cvdcvd； 100100级：级：35003500，光刻、制版；，光刻、制

5、版； n深亚微米器件深亚微米器件（尘埃尺寸为（尘埃尺寸为0.10.1mm） 1010级：级：350350，光刻、制版；，光刻、制版； 1 1级：级： 3535，光刻、制版；，光刻、制版； n光刻工艺的基本步骤光刻工艺的基本步骤 涂胶涂胶 photoresist coatingphotoresist coating 曝光曝光 exposureexposure 显影显影 developmentdevelopment 8.1 8.1 光刻工艺光刻工艺 photolithography process n光刻工艺的主要步骤光刻工艺的主要步骤 涂胶涂胶 前烘前烘 曝光曝光 后烘后烘 显影显影 坚膜坚膜

6、1)1)清洗硅片清洗硅片 wafer cleanwafer clean 2)2)预烘和打底胶预烘和打底胶 pre-bake and primer vaporpre-bake and primer vapor 3 3、涂胶、涂胶 photoresist coatingphotoresist coating 4 4、前烘、前烘 soft bakesoft bake 8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程 5 5、对准、对准 alignmentalignment 6 6、曝光、曝光 exposureexposure 7 7、后烘、后烘 post exposure bakepost expo

7、sure bake 8 8、显影、显影 developmentdevelopment 8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程 9 9、坚膜、坚膜 hard bakehard bake 1010、图形检测、图形检测 pattern inspectionpattern inspection 8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程 光刻光刻1 1清洗清洗 光刻光刻2 2预烘和打底膜预烘和打底膜 nsiosio2 2: :亲水性；光刻胶：疏水性；亲水性；光刻胶：疏水性； n预烘：去除预烘：去除sisi片水汽，增强光刻片水汽，增强光刻 胶与表面的黏附性；大约胶与表面的黏附性；大约10

8、01000 0c c； n打底膜：涂打底膜：涂hmdshmds（六甲基乙硅氮（六甲基乙硅氮 烷），去掉烷），去掉siosio2 2表面的表面的-oh-oh，增强，增强 光刻胶与表面的黏附性。光刻胶与表面的黏附性。 nrcarca标准清洗标准清洗 8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程 光刻光刻3 3涂胶涂胶 spin coatingspin coating n圆片放置在涂胶机的真空卡盘上圆片放置在涂胶机的真空卡盘上 n高速旋转高速旋转 n液态光刻胶滴在圆片中心液态光刻胶滴在圆片中心 n光刻胶以离心力向外扩展光刻胶以离心力向外扩展 n均匀涂覆在圆片表面均匀涂覆在圆片表面 ebr: ed

9、ge bead removal边缘修复 要求：粘附良好，均匀，薄厚适当要求：粘附良好，均匀，薄厚适当 n胶膜太薄针孔多，抗蚀性差；胶膜太薄针孔多，抗蚀性差； n胶膜太厚分辨率低（分辨率是膜厚胶膜太厚分辨率低（分辨率是膜厚 的的5 58 8倍）倍） 涂胶方法：浸涂，喷涂，涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂旋涂 旋转涂胶旋转涂胶 spin coatingspin coating 8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程 光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系 n与涂胶旋转速率成反比与涂胶旋转速率成反比 n与光刻胶粘性成正比与光刻胶粘性成正比 光刻光刻4 4前烘前烘soft

10、 bakesoft bake baking systems 作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；增加胶膜与作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；增加胶膜与siosio2 2 （alal 膜等）的粘附性及耐磨性。膜等）的粘附性及耐磨性。 影响因素：温度，时间。影响因素：温度，时间。 n烘焙不足（温度太低或时间太短）显影时易浮胶，图形易变形。烘焙不足（温度太低或时间太短）显影时易浮胶，图形易变形。 n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。烘焙时间过长增感剂挥发，导致曝光时间增长，甚至显不出图形。 n烘焙温度过高感光剂反应（胶膜硬化），不易溶于显影液，导致显烘焙温度过高

11、感光剂反应（胶膜硬化），不易溶于显影液，导致显 影不干净。影不干净。 8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程 5-65-6、对准与曝光、对准与曝光 alignment and exposurealignment and exposure nmost critical process for ic fabrication nmost expensive tool (stepper) in an ic fab. ndetermines the minimum feature size ncurrently 45nm and pushing to 32 nm n接触式曝光机接触式曝光机 n

12、接近式曝光机接近式曝光机 n投影式曝光机投影式曝光机 n步进式曝光机（步进式曝光机（stepperstepper） 1 1）对准和曝光设备）对准和曝光设备 -光刻机光刻机 8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程 接触式曝光示意图接触式曝光示意图 步进步进- -重复（重复（stepperstepper） 曝光示意图曝光示意图 接近式曝光示意图接近式曝光示意图 投影式曝光示意图投影式曝光示意图 光学曝光、光学曝光、x x射线曝光、电子束曝光射线曝光、电子束曝光 光学曝光光学曝光紫外，深紫外紫外，深紫外 n高压汞灯：紫外高压汞灯：紫外(uv(uv），），300300450nm450nm；

13、i i线线365nm365nm，h h线线405nm405nm，g g线线436nm436nm。 n准分子激光：准分子激光：krfkrf：= 248nm= 248nm； arf arf：= 193nm= 193nm； nf f2 2激光器：激光器： = 157nm= 157nm。 高压汞灯紫外光谱高压汞灯紫外光谱 2 2）曝光光源：）曝光光源： 8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程 电子束曝光：电子束曝光：几十几十-100-100； n优点：分辨率高；不需光刻版优点：分辨率高；不需光刻版 （直写式）；（直写式）； n缺点：产量低（适于制备光刻缺点：产量低（适于制备光刻 版）；版）；

14、 x x射线曝光：射线曝光：2-402-40 ，软，软x x射射 线；线； nx x射线曝光的特点：分辨率高，射线曝光的特点：分辨率高， 产量大。产量大。 极短紫外光（极短紫外光（euveuv）：）：101014nm14nm 下一代曝光方法下一代曝光方法 8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程 商用商用x-rayx-ray光刻机光刻机 光刻光刻7 7曝光后烘焙（后烘，曝光后烘焙（后烘，pebpeb） n烘焙温度高于光刻胶玻璃化转变温度（烘焙温度高于光刻胶玻璃化转变温度（tgtg） n光刻胶分子发生热运动光刻胶分子发生热运动 n过曝光和欠曝光的光刻胶分子发生重分布过曝光和欠曝光的光刻胶

15、分子发生重分布 n平衡驻波效应，平滑光刻胶侧墙，平衡驻波效应，平滑光刻胶侧墙， n目的：提高分辨率目的：提高分辨率 8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程 光刻胶中的驻波效应光刻胶中的驻波效应 光刻光刻8 8显影显影( (development)development) n显影液显影液溶解掉光刻胶中软化部分溶解掉光刻胶中软化部分（曝光的正胶或未曝光（曝光的正胶或未曝光 的负胶）的负胶） n从掩膜版转移图形到光刻胶上从掩膜版转移图形到光刻胶上 n三个基本步骤三个基本步骤: :显影、漂洗、干燥显影、漂洗、干燥 8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程 显影液：显影液：专用专用 n

16、正胶显影液：含水的碱性显影液，如正胶显影液：含水的碱性显影液，如kohkoh、 tmah ( tmah (四甲基氢氧化胺水溶液四甲基氢氧化胺水溶液) )，等。，等。 n负胶显影液：有机溶剂，如丙酮、甲苯等。负胶显影液：有机溶剂，如丙酮、甲苯等。 例，例，kprkpr（负胶）的显影液：丁酮最理想；（负胶）的显影液：丁酮最理想； 甲苯图形清晰度稍差；甲苯图形清晰度稍差； 三氯乙烯毒性大。三氯乙烯毒性大。 8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程 光刻光刻8 8显影显影( (development)development) 影响显影效果的主要因素：影响显影效果的主要因素： ）曝光时间；）曝光

17、时间； ）前烘的温度与时间；）前烘的温度与时间； ）胶膜的厚度；）胶膜的厚度； ）显影液的浓度；）显影液的浓度； ）显影液的温度；）显影液的温度； 显影时间适当显影时间适当 nt t太短：可能留下光刻胶薄层太短：可能留下光刻胶薄层阻挡腐蚀阻挡腐蚀siosio2 2( (金属）金属） 氧化层氧化层“小岛小岛”。 nt t太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶 图形边缘破坏。图形边缘破坏。 8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程 光刻光刻8 8显影显影( (development)development) 正常显影 过显影 不完全显影 欠显影 显影后剖面显影

18、后剖面 光刻光刻8 8显影显影( (development)development) 8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程 光刻光刻9 9坚膜坚膜 （hard bakehard bake） n蒸发蒸发prpr中所有有机溶剂中所有有机溶剂 n提高刻蚀和注入的抵抗力提高刻蚀和注入的抵抗力 n提高光刻胶和表面的黏附性提高光刻胶和表面的黏附性 n坚膜温度坚膜温度: 100 : 100 到到1301300 0c c n坚膜时间：坚膜时间：1 1 到到2 2 分钟分钟 坚膜工艺：坚膜工艺： 烘箱、红外灯烘箱、红外灯 n坚膜不足：光刻胶不能充分聚合，黏附性变差，显影坚膜不足：光刻胶不能充分聚合，

19、黏附性变差，显影 时易浮胶、钻蚀。时易浮胶、钻蚀。 n过坚膜：光刻胶流动造成分辨率变差，易翘曲和剥落过坚膜：光刻胶流动造成分辨率变差，易翘曲和剥落 n若若t300t300：光刻胶分解，失去抗蚀能力。：光刻胶分解，失去抗蚀能力。 坚膜控制坚膜控制 正常坚膜正常坚膜过坚膜过坚膜 8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程 光刻光刻1010图形检测（图形检测（pattern inspectionpattern inspection） 检查发现问题，剥去光刻胶，重新开始检查发现问题，剥去光刻胶，重新开始 光刻胶图形是暂时的光刻胶图形是暂时的 刻蚀和离子注入图形是永久的刻蚀和离子注入图形是永久的

20、光刻工艺是可以返工的，光刻工艺是可以返工的， 刻蚀和注入以后就不能再返工刻蚀和注入以后就不能再返工 检测手段：检测手段：semsem（扫描电子显微镜）、光学显微镜（扫描电子显微镜）、光学显微镜 n问题：能否用光学显微镜检查0.25m尺寸的图形? 不能。因为特征尺寸不能。因为特征尺寸 (0.25 m mm = 250nm) 小于可见光小于可见光 的波长，可见光波长为的波长，可见光波长为390nm (紫光紫光) to 750nm (红光红光)。 8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程 8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率 n分辨率分辨率r r表征光刻精度，光刻时所能得到的光刻图形表征光刻

21、精度，光刻时所能得到的光刻图形 的最小尺寸。的最小尺寸。 n表示方法：每表示方法：每mmmm最多可容纳的线条数。若可分辨的最小线最多可容纳的线条数。若可分辨的最小线 宽为宽为l l线条间隔也是线条间隔也是l l），则分辨率），则分辨率r r为为 r r1/(2l) (mm1/(2l) (mm-1 -1) ) 1.1.影响影响r r的主要因素：的主要因素： 曝光系统（光刻机）：如曝光系统（光刻机）：如x x射线（电子束）的射线（电子束）的r r高于紫外光。高于紫外光。 光刻胶：正胶的光刻胶：正胶的r r高于负胶；高于负胶； 其他：掩模版、衬底、显影、工艺、操作者等。其他：掩模版、衬底、显影、工艺

22、、操作者等。 表表1 1 影响光刻工艺效果的一些参数影响光刻工艺效果的一些参数 8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率 2.2.衍射对衍射对r r的限制的限制 n 设一任意粒子（光子、电子），根据不确定关系，有设一任意粒子（光子、电子），根据不确定关系，有 lplphh n粒子束动量的最大变化为粒子束动量的最大变化为pp=2p=2p，相应地，相应地 n若若ll为线宽，即为最细线宽，则为线宽，即为最细线宽，则 n最高分辨率最高分辨率 p h l 2 h p l r 2 1 max 8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率 对光子：对光子：p=h/p=h/，故，故 。 n物理含义：光的衍射限制了线宽物理

23、含义：光的衍射限制了线宽 /2/2。 n最高分辨率最高分辨率限制限制： 对电子、离子：具有波粒二象性（德布罗意波），则对电子、离子：具有波粒二象性（德布罗意波），则 ， n最细线宽：最细线宽： a. e a. e给定：给定：mmllrr，即，即r r离子 离子 r r电子 电子 b b. m. m给定：给定：eellrr 2 l )( 1 1 max mmr 2 2 1 mve mvp me h 2 me h 2 me h l 22 h p l r 2 1 max 8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率 3.3.光衍射影响分辨率光衍射影响分辨率 衍射光 投射光 强度 偏离的折射 光 被凸镜收 集

24、的衍射 光 波长越短，衍射越弱波长越短，衍射越弱 光学凸镜能够收集衍射光学凸镜能够收集衍射 光并增强图像光并增强图像 8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率 1 1）数值孔径）数值孔径na na （numerical aperturenumerical aperture） nnana：表示凸镜收集衍射光的能力：表示凸镜收集衍射光的能力 nna = 2 rna = 2 r0 0 / d / d r r0 0 : : 凸镜的半径凸镜的半径 d d ： 目标（掩膜）与凸镜的距离目标（掩膜）与凸镜的距离 na na越大，凸镜收集更多的衍射光，产生更尖锐的图形越大，凸镜收集更多的衍射光，产生更尖锐的图形

25、n可产生、可重复的最小特征尺寸可产生、可重复的最小特征尺寸 n由曝光系统的光波长和数值孔径决定由曝光系统的光波长和数值孔径决定 n分辨率表达式：分辨率表达式：r=kr=k1 1/nana nk k1 1 为系统常数为系统常数, , 光波长光波长, , na na 数值孔径。数值孔径。 2 2）分辨率）分辨率 r r resolution resolution 8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率 n提高提高nana 更大的凸镜更大的凸镜, , 可能很昂贵而不实际可能很昂贵而不实际 减小减小dofdof（焦深），会引起制造困难（焦深），会引起制造困难 n减小光波长减小光波长 开发新光源开发新光源

26、, pr, pr和设备和设备 波长减小的极限：波长减小的极限：uvuv到到duv, duv, 到到euv, euv, 到到x-rayx-ray n减小减小k k1 1 相移掩膜相移掩膜（phase shift maskphase shift mask） 3)3)提高分辨率的途径提高分辨率的途径 1 rk na 8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率 8.1.3 8.1.3 光刻胶光刻胶-photoresist(pr)-photoresist(pr) n光敏性材料：光照时发生光敏性材料：光照时发生 化学分解或聚合反应化学分解或聚合反应 n临时性地涂覆在硅片表面临时性地涂覆在硅片表面 n通过曝光转移

27、设计图形到通过曝光转移设计图形到 光刻胶上光刻胶上 n类似于照相机胶片上涂覆类似于照相机胶片上涂覆 的光敏材料的光敏材料 n正性胶和负性胶正性胶和负性胶 negative negative photoresistphotoresist 负性光刻胶负性光刻胶 负胶负胶 positive positive photoresistphotoresist 正性光刻胶正性光刻胶 正胶正胶 曝光后曝光后 不可溶解不可溶解 曝光后曝光后 可溶解可溶解 显影时未曝显影时未曝 光的被溶解光的被溶解 显影时曝光显影时曝光 的被溶解的被溶解 便宜便宜高分辨率高分辨率 负胶负胶negative hotoresists

28、： comparison of photoresists 8.1.3 8.1.3 光刻胶光刻胶-photoresist(pr)-photoresist(pr) 正胶正胶positive photoresists： n聚合反应：显影时光照部分不聚合反应：显影时光照部分不 溶解留下，未光照部分溶解；溶解留下，未光照部分溶解； n分辨率低分辨率低 n分解反应：显影时光照部分被分解反应：显影时光照部分被 溶解，未光照部分留下溶解，未光照部分留下 n分辨率高分辨率高 n正胶（重氮萘醌）的光分解机理正胶（重氮萘醌）的光分解机理 8.1.3 8.1.3 光刻胶光刻胶-photoresist(pr)-phot

29、oresist(pr) n负胶（聚乙烯醇肉桂酸脂）的光聚合机理负胶（聚乙烯醇肉桂酸脂）的光聚合机理 8.1.3 8.1.3 光刻胶光刻胶-photoresist(pr)-photoresist(pr) 1)1)聚合物材料聚合物材料 n固体有机材料固体有机材料 n光照下不发生化学反应光照下不发生化学反应 n作用：保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性作用：保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性 2)2)感光材料感光材料 n当被曝光时发生光化学反应而改变溶解性当被曝光时发生光化学反应而改变溶解性 n正性光刻胶：由不溶变为可溶正性光刻胶：由不溶变为可溶 n负性光刻胶：由可溶变为不溶负性光刻胶：由可溶变为不溶 光

30、刻胶基本组成光刻胶基本组成 8.1.3 8.1.3 光刻胶光刻胶-photoresist(pr)-photoresist(pr) 3)3)溶剂溶剂 n使光刻胶在涂到硅片表面之前保持液态使光刻胶在涂到硅片表面之前保持液态 n允许采用旋涂的方法获得薄层光刻胶薄膜允许采用旋涂的方法获得薄层光刻胶薄膜 4)4)添加剂添加剂n不同的添加剂获得不同的工艺结果不同的添加剂获得不同的工艺结果 n增感剂：增大曝光范围；增感剂：增大曝光范围； n染料：降低反射。染料：降低反射。 光刻胶基本组成光刻胶基本组成 8.1.3 8.1.3 光刻胶光刻胶-photoresist(pr)-photoresist(pr) n完

31、成所需图形的最小曝光完成所需图形的最小曝光 量；量； n表征：表征：s=n/es=n/e， e- e-曝光量（曝光量（lxlxs s，勒克，勒克 斯斯秒）；秒）；n-n-比例系数；比例系数； n光敏度光敏度s s是光刻胶对光的是光刻胶对光的 敏感程度的表征；敏感程度的表征； n正胶的正胶的s s大于负胶大于负胶 光刻胶光敏度光刻胶光敏度s s 8.1.3 8.1.3 光刻胶光刻胶-photoresist(pr)-photoresist(pr) 光刻胶抗蚀能力光刻胶抗蚀能力 n表征光刻胶耐酸碱（或等离表征光刻胶耐酸碱（或等离 子体）腐蚀的程度。子体）腐蚀的程度。 n对湿法腐蚀：抗蚀能力较强；对湿

32、法腐蚀：抗蚀能力较强； 干法腐蚀：抗蚀能力较差。干法腐蚀：抗蚀能力较差。 n负胶抗蚀能力大于正胶；负胶抗蚀能力大于正胶； n抗蚀性与分辨率的矛盾：分抗蚀性与分辨率的矛盾：分 辨率越高，抗蚀性越差辨率越高，抗蚀性越差； 1 1）紫外）紫外- -汞灯汞灯 ng-lineg-line（436 nm436 nm），）， 常用在常用在 0.5 0.5 m m光刻光刻 ni-linei-line（365 nm365 nm），）， 常用在常用在 0.35 0.35 m m光刻光刻 8.1.4 8.1.4 光源光源 nkrfkrf（248 nm248 nm），），0.25 0.25 m, 0.18 m, 0.

33、18 m and m and 0.13 0.13 m m narfarf（193 nm193 nm），）， 0.13 0.13 m m（目前目前32nm32nm） nf f2 2（157 nm157 nm），），应用应用 0.10 33m m）。）。 接近式曝光接近式曝光 8.1.5 8.1.5 曝光方式曝光方式 n利用光学系统，将光刻版的图形利用光学系统，将光刻版的图形 投影在硅片上。投影在硅片上。 投影式曝光投影式曝光 n优点：光刻版不受损伤，优点：光刻版不受损伤， 对准精度高。对准精度高。 n缺点：光学系统复杂，缺点：光学系统复杂， 对物镜成像要求高。对物镜成像要求高。 n应用：应用：3

34、 3m m以下特征尺寸光刻。以下特征尺寸光刻。 8.1.5 8.1.5 曝光方式曝光方式 分步重复投影光刻机分步重复投影光刻机-stepper-stepper n采用折射式光学系统和采用折射式光学系统和4x5x4x5x的缩小透镜。的缩小透镜。 n光刻版：光刻版：4x4x、5x5x、10x10x； n曝光场：一次曝光只有硅片的一部分；曝光场：一次曝光只有硅片的一部分； n采用了分步对准聚焦技术。采用了分步对准聚焦技术。 8.1.5 8.1.5 曝光方式曝光方式 8.1.6 8.1.6 掩模版（光刻版）掩模版（光刻版）maskmask n玻璃、石英。玻璃、石英。 要求：透光度高，热膨胀系数与掩膜材

35、料匹配。要求：透光度高，热膨胀系数与掩膜材料匹配。 基版材料基版材料 掩膜材料掩膜材料 金属版（金属版（crcr版）：版）：crcr2 2o o3 3抗反射层抗反射层/ /金属金属cr / crcr / cr2 2o o3 3基层基层 n特点：针孔少，强度高，分辨率高。特点：针孔少，强度高，分辨率高。 乳胶版卤化银乳胶乳胶版卤化银乳胶 n特点：分辨率低（特点：分辨率低（2-3 m2-3 m），易划伤。），易划伤。 npsmpsm：phase-shift maskphase-shift mask n作用：消除干涉，作用：消除干涉， 提高分辨率；提高分辨率； n原理：在原理：在maskmask的透

36、明图的透明图 形上增加一个透明的介形上增加一个透明的介 质层质层- -移相器，使光通过移相器，使光通过 后产生后产生1801800 0的相位差。的相位差。 移相掩模（移相掩模（psmpsm） 8.1.6 8.1.6 掩模版（光刻版）掩模版（光刻版）maskmask 基本概念基本概念 n刻蚀：从刻蚀：从sisi片表面去除不需要的材料，如片表面去除不需要的材料，如sisi、sio2sio2， 金属、光刻胶等金属、光刻胶等 n化学、物理过程或两者结合：湿法和干法化学、物理过程或两者结合：湿法和干法 n各向同性与各向异性：选择性或覆盖刻蚀各向同性与各向异性：选择性或覆盖刻蚀 n选择性刻蚀转移光刻胶上的

37、选择性刻蚀转移光刻胶上的icic设计图形到晶圆表面设计图形到晶圆表面 n其它应用其它应用: : 制造掩膜制造掩膜, , 印制电路板印制电路板, , 艺术品艺术品, , 等等等等 8.2 8.2 刻蚀工艺刻蚀工艺etchetch 1 1）栅掩膜对准）栅掩膜对准 gate mask alignmentgate mask alignment 2 2）栅掩膜曝光）栅掩膜曝光 gate mask exposuregate mask exposure 3 3）显影）显影/ /坚膜坚膜/ /检查检查 development/hardbake/inspectiondevelopment/hardbake/in

38、spection 4 4）刻蚀多晶硅）刻蚀多晶硅 etch polysiliconetch polysilicon 刻蚀工艺举例刻蚀工艺举例 5 5）刻蚀多晶）刻蚀多晶 etch polysiliconetch polysilicon 6 6）光刻胶剥离）光刻胶剥离 strip photoresiststrip photoresist 7 7）离子注入）离子注入 ion implantationion implantation 8 8）快速退火）快速退火 rtarta 刻蚀工艺举例刻蚀工艺举例 8.2.1 8.2.1 湿法刻蚀湿法刻蚀 n特点：特点：各相同性腐蚀各相同性腐蚀。 n优点：工艺简单

39、，优点：工艺简单， 腐蚀选择性好。腐蚀选择性好。 n缺点：缺点：钻蚀严重钻蚀严重（各向异性差），（各向异性差）， 难于获得精细图形。难于获得精细图形。 （刻蚀（刻蚀3 3m m以上线条）以上线条） n刻蚀的材料：刻蚀的材料：sisi、siosio2 2、sisi3 3n n4 4及金属；及金属； n利用利用化学溶液化学溶液溶解硅表面的材料溶解硅表面的材料 n三个基本过程：刻蚀、漂洗、干燥三个基本过程：刻蚀、漂洗、干燥 sisi的湿法刻蚀的湿法刻蚀 n常用腐蚀剂常用腐蚀剂 hnohno3 3-hf-h-hf-h2 2o(hac)o(hac)混合液混合液 si+hnosi+hno3 3+hf+hf

40、 h h2 2sifsif6 6+hno+hno2 2+h+h2 2o+ho+h2 2 hnohno3 3：强氧化剂；：强氧化剂； hfhf：腐蚀：腐蚀siosio2 2； hachac：抑制：抑制hnohno3 3的分解；的分解； koh-koh-异丙醇异丙醇 n常用配方：常用配方： hf:nhhf:nh4 4f: hf: h2 2o=3ml:6g:10mlo=3ml:6g:10ml (hf (hf溶液浓度为溶液浓度为4848) ) nhf hf ：腐蚀剂，：腐蚀剂， siosio2 2+hfh+hfh2 2sifsif6 6+h+h2 2o o nnhnh4 4f f ：缓冲剂，：缓冲剂，

41、 nhnh4 4fnhfnh3 3+hf+hf siosio2 2的湿法刻蚀的湿法刻蚀 8.2.1 8.2.1 湿法刻蚀湿法刻蚀 sisi3 3n n4 4的湿法腐蚀的湿法腐蚀 n腐蚀液：热腐蚀液：热h h3 3popo4 4，180180； 被刻蚀材料被刻蚀材料sisi3 3n n4 4siosio2 2sisi 刻蚀速率刻蚀速率 （nm/minnm/min） 10101 10.50.5 热热h h3 3popo4 4刻蚀速率对比刻蚀速率对比 8.2.1 8.2.1 湿法刻蚀湿法刻蚀 n干法刻蚀：等离子体气体刻蚀（干法刻蚀：等离子体气体刻蚀（plasma etchplasma etch） n

42、优点：优点： 各向异性腐蚀强；各向异性腐蚀强； 分辨率高；分辨率高； 刻蚀刻蚀3 3m m以下线条。以下线条。 n类型：类型： 等离子体刻蚀：化学性刻蚀；等离子体刻蚀：化学性刻蚀； 溅射刻蚀：纯物理刻蚀；溅射刻蚀：纯物理刻蚀； 反应离子刻蚀（反应离子刻蚀（rierie）：结合）：结合 、；、； 8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀 n刻蚀原理刻蚀原理 a.a.产生等离子体产生等离子体: :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 性的离子及游离基性的离子及游离基-等离子体。等离子体。 cf cf4 4 rf rf cf cf3 3* *、cfcf2

43、2* * 、cfcf* * 、f f* * bcl bcl3 3 rf rf bcl bcl3 3* * 、bclbcl2 2* * 、clcl* * b.b.等离子体活性基团与被刻蚀材料发生化学反应。等离子体活性基团与被刻蚀材料发生化学反应。 n特点：选择性好；各向异性差。特点：选择性好；各向异性差。 n刻蚀气体：刻蚀气体： cfcf4 4 、 、bclbcl3 3、cclccl4 4、chclchcl3 3、sfsf6 6等。等。 等离子体刻蚀等离子体刻蚀 8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀 n刻蚀原理刻蚀原理 a.a.形成能量很高的等离子体；形成能量很高的等离子体； b.b.等离子

44、体轰击被刻蚀的材料，使其被撞原子飞溅出来，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。形成刻蚀。 n特点：各向异性好；选择性差。特点：各向异性好；选择性差。 n刻蚀气体：惰性气体，刻蚀气体：惰性气体，arar气；气； 溅射刻蚀原理溅射刻蚀原理 8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀 n原理：同时利用了等离子刻蚀和溅射刻蚀机制原理：同时利用了等离子刻蚀和溅射刻蚀机制( (化学刻蚀和化学刻蚀和 物理刻蚀的结合物理刻蚀的结合) ) n刻蚀气体：活性等离子（化学反应）惰性等离子（轰击）刻蚀气体：活性等离子（化学反应）惰性等离子（轰击） n特点：刻蚀速率高且可控；刻蚀剖面各向异性且可控

45、；特点：刻蚀速率高且可控；刻蚀剖面各向异性且可控； 选择性好且可控选择性好且可控 n目前目前8-128-12英寸制造中所有图形都是由英寸制造中所有图形都是由rierie刻蚀的刻蚀的 反应离子刻蚀反应离子刻蚀 8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀 rierie试验试验 8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀 siosio2 2和和sisi的干法刻蚀的干法刻蚀 n刻蚀剂：刻蚀剂：cfcf4 4、chfchf3 3、c c2 2f f6 6、sfsf6 6、c c3 3f f8 8 ； n等离子体：等离子体： cfcf4 4 cf cf3 3* *、cfcf2 2* * 、cfcf* * 、f

46、 f* * n化学反应刻蚀：化学反应刻蚀：f f* *+sisif+sisif4 4 f f* *+sio+sio2 2 sif sif4 4+o+o2 2 cf cf3 3* *+sio+sio2 2 sif sif4 4+co+co+co+co2 2 8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀 n实际工艺：实际工艺： cfcf4 4中加入中加入o o2 2：调整选择比；：调整选择比； 机理：机理： cfcf4 4+o+o2 2ff* *+o+o* *+cof+cof* *+cof+cof2 2+co+co+co+co2 2 （初期： （初期： f f* *比例增加；后期：比例增加；后期：o

47、o2 2比比 例增加）例增加） o o2 2吸附在吸附在sisi表面，影响表面，影响sisi刻蚀；刻蚀； siosio2 2和和sisi的干法刻蚀的干法刻蚀 8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀 ncfcf4 4中加中加h h2 2 n作用：调整选择比；作用：调整选择比； n机理：机理： f f* *+h+h* *(h(h2 2)hf)hf cf cfx x* *(x3)+sisif(x3)+sisif4 4+c(+c(吸吸 附在附在sisi表面）表面） cf cfx x* *(x3)+sio(x3)+sio2 2 sif sif4 4+co+co+co+co2 2+cof+cof2 2 siosio2 2和和sisi的干法刻蚀的干法刻蚀 8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀 sisi3 3n n