第8章 光刻与刻蚀工艺

1、东华理工大学东华理工大学 彭新村彭新村东华理工东华理工大学大学 第8章 光刻与刻蚀工艺 光刻的重要性及要求光刻的重要性及要求 1 光刻工艺流程光刻工艺流程 2 3 湿法刻蚀与干法刻蚀技术湿法刻蚀与干法刻蚀技术 4 5 曝光光源、曝光方式以及掩膜版曝光光源、曝光方式以及掩膜版 光刻工艺的分辨率及光刻胶光刻工艺的分辨率及光刻胶 东华理工东华理工大学大学 光刻与刻蚀的定义 光刻工艺的光刻工艺的重要性重要性： v IC设计流程图，光刻图案用来定义设计流程图，光刻图案用来定义IC中各种不同的区域，如：离子注中各种不同的区域，如：离子注 入区、接触窗、有源区、栅极、压焊点、引线孔

2、等入区、接触窗、有源区、栅极、压焊点、引线孔等 v 主流微电子制造过程中，光刻是主流微电子制造过程中，光刻是最复杂，昂贵和关键最复杂，昂贵和关键的工艺，占总成的工艺，占总成 本的本的1/3，一个典型的硅工艺需要，一个典型的硅工艺需要15-20块掩膜，光刻工艺决定着整个块掩膜，光刻工艺决定着整个 IC工艺的工艺的特征尺寸特征尺寸，代表着工艺技术发展水平代表着工艺技术发展水平。 图形加工图形加工 图形曝光（光刻，图形曝光（光刻，Photolithography） 图形转移（刻蚀，图形转移（刻蚀，Etching） 东华理工东华理工大学大学 ULSI中对光刻的基本要求 v高分辨率高分辨率 v高灵敏度的

3、光刻胶高灵敏度的光刻胶 v低缺陷低缺陷 v精密的套刻对准精密的套刻对准 v对大尺寸硅片的加工对大尺寸硅片的加工 东华理工东华理工大学大学 8.1 光刻工艺流程 涂胶涂胶 前烘前烘 曝光曝光 显影显影 后烘后烘 刻蚀刻蚀 去胶去胶 东华理工东华理工大学大学 预烘及涂增强剂 v 去除硅片表面的水分去除硅片表面的水分 v 增强与光刻胶的黏附力（亲水性，疏水性）增强与光刻胶的黏附力（亲水性，疏水性） v 温度一般为温度一般为150150750750之间之间 v 可用涂覆增强剂（可用涂覆增强剂（HMDS，六甲基乙硅氧烷，六甲基乙硅氧烷）来增加）来增加 黏附性黏附性 东华理工东华理工大学大学 涂胶（旋涂法

4、） v 目的目的：形成厚度均匀、附着力强、没有缺陷的光刻胶薄膜：形成厚度均匀、附着力强、没有缺陷的光刻胶薄膜 v 方法方法：旋涂法：旋涂法 东华理工东华理工大学大学 前烘 目的：目的： v使胶膜内溶剂充分挥发，干燥，降低灰尘污染使胶膜内溶剂充分挥发，干燥，降低灰尘污染 v增加胶膜与下层膜的黏附性及耐磨性增加胶膜与下层膜的黏附性及耐磨性 v区分曝光区和未曝光区的溶解速度区分曝光区和未曝光区的溶解速度 方法：方法： v干燥循环热风干燥循环热风 v红外线辐射红外线辐射 v热平板传导热平板传导（100100左右）左右） 东华理工东华理工大学大学 显影 v 目的：显现出曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形目

5、的：显现出曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形 正胶正胶：感光区域显影溶解，所形成的是掩膜板图形：感光区域显影溶解，所形成的是掩膜板图形 的正映像的正映像 负胶负胶：反之：反之 v 方法：喷洒显影液方法：喷洒显影液 静止显影静止显影 漂洗、旋干漂洗、旋干 东华理工东华理工大学大学 曝光后烘培 v目的：降低驻波效应，形成均匀曝光目的：降低驻波效应，形成均匀曝光 东华理工东华理工大学大学 后烘（坚膜） 目的目的： v 除去光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对硅片的附着力除去光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对硅片的附着力 v 提高光刻胶在刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性和保护能力提高光刻胶在刻蚀和离子注入过程中的

6、抗蚀性和保护能力 v 减少光刻胶层中的缺陷（如针孔），修正图形边缘轮廓减少光刻胶层中的缺陷（如针孔），修正图形边缘轮廓 方法方法：高温处理（：高温处理（150150左右）左右） 光学稳定（光学稳定（UVUV照射照射) ) 东华理工东华理工大学大学 刻蚀 v目的：选择性地将未被光刻胶掩蔽的区域去除目的：选择性地将未被光刻胶掩蔽的区域去除 v方法：干法刻蚀方法：干法刻蚀 湿法刻蚀湿法刻蚀 v质量指标：分辨率质量指标：分辨率 ； 选择性选择性 东华理工东华理工大学大学 去胶 目的目的：将经过刻蚀的硅片表面留下的光刻胶去除：将经过刻蚀的硅片表面留下的光刻胶去除 方法方法：干法去胶：干法去胶 （等离子体

7、去胶、紫外光分解去胶）（等离子体去胶、紫外光分解去胶） 湿法去胶湿法去胶 （无机溶液去胶、有机溶液去胶）（无机溶液去胶、有机溶液去胶） 东华理工东华理工大学大学 8.2 分辨率(Resolution) v 定义：分辨率定义：分辨率R表示每表示每mm内能刻蚀出可分辨的最多线条数，内能刻蚀出可分辨的最多线条数， 即每即每mm内包含有多少可分辨的线对数内包含有多少可分辨的线对数 )( 2 1 1 mm L R 东华理工东华理工大学大学 光刻胶的组成 v 聚合物材料聚合物材料（树脂）：保证光刻胶的附着性和抗腐蚀（树脂）：保证光刻胶的附着性和抗腐蚀 性及其他特性，光化学反应改变溶解性性及其他特性，光化学

8、反应改变溶解性 v 感光材料感光材料（PACPAC）：控制或调整光化学反应，决定着曝）：控制或调整光化学反应，决定着曝 光时间和剂量光时间和剂量 v 溶剂溶剂：将树脂溶解为液体，使之易于涂覆：将树脂溶解为液体，使之易于涂覆 v 添加剂添加剂：染色剂等：染色剂等 东华理工东华理工大学大学 正胶与负胶 负胶的缺点负胶的缺点： 树脂的溶涨降低分辨率树脂的溶涨降低分辨率 溶剂（二甲苯）造成环境污染溶剂（二甲苯）造成环境污染 东华理工东华理工大学大学 对比度 v 光刻胶膜厚光刻胶膜厚曝光剂量响应曲线曝光剂量响应曲线 v 对比度：对比度： 正胶：正胶： 负胶：负胶： v 对比度越高，侧面越陡，线宽更准确对

9、比度越高，侧面越陡，线宽更准确 v 对比度高，减少刻蚀过程中的钻蚀效应，提高分辨率对比度高，减少刻蚀过程中的钻蚀效应，提高分辨率 )/()( 1212 XXYYr )/(log 1 010 DD r c p )/(log 1 0 10 i gg n DD r 东华理工东华理工大学大学 其他特性 v 光敏度光敏度 v 膨胀性膨胀性 v 抗刻蚀能力和热稳定性抗刻蚀能力和热稳定性 v 黏着力黏着力 v 溶解度和黏滞度溶解度和黏滞度 v 微粒含量和金属含量微粒含量和金属含量 v 储存寿命储存寿命 理想的曝光图形 实际的曝光图形 正胶 负胶 理想曝光图形与实际图形的差别理想曝光图形与实际图形的差别 东华

10、理工东华理工大学大学 8.4 曝光系统 曝光曝光 系统系统 光学曝光系统光学曝光系统 非光学曝光系统非光学曝光系统 紫外（紫外（UV） 深紫外（深紫外（DUV） 电子束曝光系统电子束曝光系统 X射线曝光系统射线曝光系统 离子束曝光系统离子束曝光系统 东华理工东华理工大学大学 紫外（UV）光源 水银弧光灯光源水银弧光灯光源 i线（线（365nm） h线（线（405nm） g线（线（436nm） 缺点缺点：能量利用率低（：能量利用率低（2） 准直性差准直性差 东华理工东华理工大学大学 深紫外（ DUV ）光源 v KrF、ArF、F2准分子激光器准分子激光器 v 优点：更高有效能量，各向异性，准直

11、，波长更小，优点：更高有效能量，各向异性，准直，波长更小， 空间相干低，分辨率高空间相干低，分辨率高 v 缺点：带宽宽，脉冲式发射，能量峰值大，损伤缺点：带宽宽，脉冲式发射，能量峰值大，损伤 东华理工东华理工大学大学 曝光方式（Exposure） 曝曝 光光 方方 式式 遮蔽式遮蔽式 Shade system 投影式投影式 projectio n system 接触式接触式 Contact printer 接近式接近式 proximity printer 东华理工东华理工大学大学 接触式曝光(contact printer) 接触式曝光接触式曝光 S=0，分辨率得到提高（，分辨率得到提高（13

12、um) 尘埃粒子的产生，导致掩膜版的损坏，降低成品率尘埃粒子的产生，导致掩膜版的损坏，降低成品率 东华理工东华理工大学大学 接近式曝光（proximity printer） 接近式曝光接近式曝光（3um） 最小线宽最小线宽LCD=1.4(S)1/2 减少了掩膜版的损坏，但分辨率受到限制减少了掩膜版的损坏，但分辨率受到限制 东华理工东华理工大学大学 投影式曝光(projection system) v 最小尺寸：最小尺寸：Lmin 0.61/NA（亚微米级工艺）（亚微米级工艺） v 优点：样品与掩膜版不接优点：样品与掩膜版不接 触，避免缺陷产生触，避免缺陷产生 掩膜板不易损坏，可仔细掩膜板不易损

13、坏，可仔细 修整修整 v 缺点：结构复杂，工艺要缺点：结构复杂，工艺要 求高，产率低求高，产率低 扫描方式：扫描方式： v 1：1步进重复步进重复 v M：1缩小的步进重复缩小的步进重复 东华理工东华理工大学大学 提高分辨率的方法 v 离轴照明离轴照明 提高分辨率提高分辨率 优化焦深优化焦深 v 扩大调焦范围曝光扩大调焦范围曝光 曝光接触孔和通孔，需曝光接触孔和通孔，需 要更深聚焦深度要更深聚焦深度 v 化学增强的深紫外光刻胶化学增强的深紫外光刻胶 常规基体：常规基体：PAG，保护剂，保护剂， 改良剂（易污染，更深改良剂（易污染，更深 UV难应用）难应用） 深紫外基体：深紫外基体：PMMA（聚

14、（聚 甲基丙烯酸甲酯，抗蚀力甲基丙烯酸甲酯，抗蚀力 不强，短储存时间）不强，短储存时间） 东华理工东华理工大学大学 8.5 掩膜版的制造 v 石英板石英板 v 热扩散系数小，刻写过热扩散系数小，刻写过 程中受程中受T影响小影响小 v 对对248，193nm波长通波长通 透性好透性好 v 铬层铬层 v 刻蚀和淀积相对容易刻蚀和淀积相对容易 v 对光线完全不透明对光线完全不透明 v 掩膜版保护膜掩膜版保护膜 东华理工东华理工大学大学 X射线曝光 v 类似接近式曝光类似接近式曝光 v 更大的粒子质量，更高的分辨率更大的粒子质量，更高的分辨率 v 纯的纯的X射线源难以得到射线源难以得到 v 掩模版的制

15、备存在挑战掩模版的制备存在挑战 v 在实际生产中难以应用在实际生产中难以应用 东华理工东华理工大学大学 电子束直写式曝光 v 主要用于掩模版的制备主要用于掩模版的制备 v 能达到最小的几何尺寸能达到最小的几何尺寸: 0.014 um v 能够直写，无需掩模版能够直写，无需掩模版 v 邻近效应导致分辨率下降邻近效应导致分辨率下降 v 产率低产率低 东华理工东华理工大学大学 8.6 ULSI对图形转移的要求 东华理工东华理工大学大学 湿法刻蚀优缺点 各向同性各向同性 选择性好选择性好 东华理工东华理工大学大学 典型薄膜的湿法刻蚀 v Si的湿法刻蚀的湿法刻蚀 v 常规腐蚀：硝酸氢氟酸水常规腐蚀：硝

16、酸氢氟酸水 v 定向腐蚀：定向腐蚀：KOH水溶液异丙醇水溶液异丙醇 东华理工东华理工大学大学 vSiO2的湿法腐蚀的湿法腐蚀 氢氟酸氟化氨缓冲溶液氢氟酸氟化氨缓冲溶液 vSi3N4的湿法腐蚀的湿法腐蚀 热磷酸热磷酸 东华理工东华理工大学大学 8.8 干法刻蚀 干干 法法 刻刻 蚀蚀 等离子刻蚀等离子刻蚀：化学反应，高速率，高选择比，低缺：化学反应，高速率，高选择比，低缺 陷，但各向同性陷，但各向同性 溅射刻蚀（粒子铣）溅射刻蚀（粒子铣）：物理溅射，各向异性，低选择：物理溅射，各向异性，低选择 比，高缺陷比，高缺陷 反应粒子刻蚀反应粒子刻蚀：化学和物理双重作用，各性能介于二：化学和物理双重作用，

17、各性能介于二 者之间者之间 利用等离子激活的利用等离子激活的化学反应化学反应或者利用或者利用高能离子束轰击高能离子束轰击完成去除物质的完成去除物质的 方法方法 东华理工东华理工大学大学 等离子刻蚀的工艺过程 东华理工东华理工大学大学 共同点共同点：都是利用低压状态下气体放电来形成等离子体作为刻蚀基础：都是利用低压状态下气体放电来形成等离子体作为刻蚀基础 不同点不同点：刻蚀系统压力：等：刻蚀系统压力：等反反溅；温度：等溅；温度：等反反溅；功率：反之；气流等溅；功率：反之；气流等 相关可控参数。相关可控参数。 刻蚀机制：刻蚀机制： 等离子刻蚀等离子刻蚀:（化学反应化学反应）产生扩散吸附反应解吸）产

18、生扩散吸附反应解吸 溅射刻蚀溅射刻蚀:（物理溅射物理溅射）产生加速轰击溅射排除）产生加速轰击溅射排除 东华理工东华理工大学大学 二氧化硅和硅的干法刻蚀 v 高压等离子刻蚀高压等离子刻蚀 CF4+e CF3+F（自由基）（自由基）+e SiO2+4F SiF4（气）（气）+O2 Si+4F SiF4 （气）（气） v 加入氧气对刻蚀的影响：刻蚀加入氧气对刻蚀的影响：刻蚀Si和和SiO2的速度都的速度都加快加快， 且且Si刻蚀速度增加更快，刻蚀速度增加更快，降低降低SiO2/Si刻蚀的刻蚀的选择性选择性 v 加入氢气对刻蚀的影响：对加入氢气对刻蚀的影响：对SiO2的刻蚀影响不大，但可的刻蚀影响不大，但可 减小对减小对Si的刻蚀速度，的刻蚀速度，增加增加SiO2/Si刻蚀的刻蚀的选