光刻与刻蚀工艺

1、lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻 洁净室洁净室 工艺流程工艺流程 光刻机光刻机 光刻胶光刻胶 掩膜版掩膜版光刻与刻蚀工艺图形曝光与刻蚀图形曝光与刻蚀v 图形曝光（图形曝光（lithographylithography，又译光刻术），又译光刻术） 利用利用掩膜版（掩膜版（maskmask）上的几何图形）上的几何图形，通过，通过光化光化学反应学反应，将图案转移到覆盖在，将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感半导体晶片上的感光薄膜层上光薄膜层上（称为光致抗蚀剂、光刻胶或光阻，（称为光致抗蚀剂、光刻胶或光阻，resistresist，

2、简称抗蚀剂）的一种工艺步骤，简称抗蚀剂）的一种工艺步骤 这些图案可用来这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域定义集成电路中各种不同区域，如离子注入、接触窗（如离子注入、接触窗（contact windowcontact window）与压）与压焊（焊（bondingbondingpadpad）区。）区。光刻与刻蚀工艺v 刻蚀刻蚀 由图形曝光所形成的抗蚀剂图案，并不是电路由图形曝光所形成的抗蚀剂图案，并不是电路器件的最终部分，而只是电路图形的印模。为器件的最终部分，而只是电路图形的印模。为了产生电路图形，这些了产生电路图形，这些抗蚀剂图案抗蚀剂图案必须必须再次转再次转移移至至下层的器件层上下层

3、的器件层上。 这种图案转移（这种图案转移（pattern transferpattern transfer）是利用）是利用腐腐蚀（蚀（etchingetching）工艺）工艺，选择性地将未被抗蚀剂，选择性地将未被抗蚀剂掩蔽的区域去除。掩蔽的区域去除。图形曝光与刻蚀图形曝光与刻蚀光刻与刻蚀工艺ULSIULSI对光刻有哪些基本要求？对光刻有哪些基本要求？v高分辨率高分辨率 在集成电路工艺中，通常把在集成电路工艺中，通常把线宽线宽作为光刻水平作为光刻水平的标志，一般也可以用的标志，一般也可以用加工图形线宽的能力加工图形线宽的能力来来代表集成电路的工艺水平。代表集成电路的工艺水平。v高灵敏度的光刻胶高

4、灵敏度的光刻胶 光刻胶的灵敏度是指光刻胶的感光速度。光刻胶的灵敏度是指光刻胶的感光速度。 产品的产量产品的产量 曝光时间曝光时间 确保光刻胶各项属性均为优异的前提下，提高确保光刻胶各项属性均为优异的前提下，提高光刻胶的灵敏度光刻胶的灵敏度光刻与刻蚀工艺ULSIULSI对光刻有哪些基本要求？对光刻有哪些基本要求？v 低缺陷低缺陷 缺陷关系成品率缺陷关系成品率v 精密的套刻对准精密的套刻对准 集成电路芯片的制作需要经过多次光刻，在各次曝光集成电路芯片的制作需要经过多次光刻，在各次曝光图形之间要相互套准。图形之间要相互套准。 ULSIULSI的图形线宽在的图形线宽在1um1um以下，通常采用自对准技

5、术。以下，通常采用自对准技术。v大尺寸硅片上的加工大尺寸硅片上的加工 ULSIULSI的芯片尺寸为的芯片尺寸为1 12cm2cm2 2 提高经济效益和硅片利用率提高经济效益和硅片利用率光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺v 洁净室的等级定义方式：洁净室的等级定义方式： （1 1）英制系统：）英制系统： 每立方英尺中直径大于或等于每立方英尺中直径大于或等于0.5um0.5um的尘埃粒子总数的尘埃粒子总数不准超过设计等级数值。不准超过设计等级数值。 （2 2）公制系统）公制系统 每立方米中直径大于或等于每立方米中直径大于或等于0.5um0.5um的尘埃粒子总数不的尘埃粒子总数不准超过设计等级数值（以指数计

6、算，底数为准超过设计等级数值（以指数计算，底数为1010）。）。光刻与刻蚀工艺v 例子：例子： （1 1）等级为）等级为100100的洁净室（英制），直径大于的洁净室（英制），直径大于或等于或等于0.5um0.5um的尘埃粒子总数不超过的尘埃粒子总数不超过100100个个/ft/ft3 3 （2 2）等级为）等级为M3.5M3.5的洁净室（公制），直径大的洁净室（公制），直径大于或等于于或等于0.5um0.5um的尘埃粒子总数不超过的尘埃粒子总数不超过10103.53.5（约（约35003500个个/m/m3 3) )v 100 100个个/ft/ft3 3= 3500= 3500个个/m/m

7、3 3 一个英制等级一个英制等级100100的洁净室相当于公制等级的洁净室相当于公制等级M3.5M3.5的洁净室。的洁净室。光刻与刻蚀工艺洁净室（洁净室（4 4）v 对一般的对一般的ICIC制造制造区域，需要区域，需要等级等级100100的洁净室，约比一般的洁净室，约比一般室内空气低室内空气低4 4个数量个数量级。级。v 在图形曝光的工在图形曝光的工作区域，则需要作区域，则需要等级等级1010或或1 1的洁净室。的洁净室。光刻与刻蚀工艺lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻 洁净室洁净室 工艺流程工艺流程 光刻机光刻机 光刻胶光

8、刻胶 掩膜版掩膜版光刻与刻蚀工艺光刻原理（光刻原理（1 1）v 掩膜版图形掩膜版图形转移到转移到光刻胶光刻胶 在光刻过程中，光刻胶受到光辐射之后发生光在光刻过程中，光刻胶受到光辐射之后发生光化学反应，其内部分子结构发生变化，化学反应，其内部分子结构发生变化，在显影在显影液中光刻胶感光部分与未感光部分的溶解速度液中光刻胶感光部分与未感光部分的溶解速度相差非常大。相差非常大。 利用光刻胶的这种特性，就可以在硅片的表面利用光刻胶的这种特性，就可以在硅片的表面涂上光刻胶薄层，通过掩膜版对光刻胶辐照，涂上光刻胶薄层，通过掩膜版对光刻胶辐照，从而使某些区域的光刻胶感光之后，再从而使某些区域的光刻胶感光之后

9、，再经过显经过显影就可以在光刻胶上留下掩膜版的图形。影就可以在光刻胶上留下掩膜版的图形。光刻与刻蚀工艺v光刻胶图形光刻胶图形转移到转移到硅表面的薄膜硅表面的薄膜 在集成电路制作中，利用这层剩余的光刻胶图在集成电路制作中，利用这层剩余的光刻胶图形作为保护膜，可以对硅表面没有被光刻胶覆形作为保护膜，可以对硅表面没有被光刻胶覆盖的区域进行刻蚀，或者对这些区域进行离子盖的区域进行刻蚀，或者对这些区域进行离子注入，从而把注入，从而把光刻胶上的图形转移到硅表面的光刻胶上的图形转移到硅表面的薄膜上去，由此形成各种器件和电路的结构，薄膜上去，由此形成各种器件和电路的结构，或者对未保护区进行掺杂。或者对未保护区

10、进行掺杂。光刻与刻蚀工艺v光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机 光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、光敏化合物、基体树脂和有机溶剂基体树脂和有机溶剂等混合而成的等混合而成的胶状液体胶状液体 光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化化学结构发生变化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变的溶解特性改变v光刻过程的主要步骤：光刻过程的主要步骤： 曝光、显影、刻蚀曝光、显影、刻蚀 光刻与刻蚀工艺Resist coat(wafer track)etch (ion

11、 implantation)Develop(wafer track)Expose(illumination tool)resist strip positive tonenegative tonemaskresistsubstrateProcess flow optical lithoProcess flow optical litho光刻与刻蚀工艺光刻工艺过程光刻工艺过程v涂胶涂胶 coatingcoatingv前烘前烘 prebakingprebakingv曝光曝光 exposureexposurev显影显影 developmentdevelopmentv坚膜坚膜 postbakepost

12、bakev刻蚀刻蚀 etchetchv去胶去胶 stripstripv检验检验 inspection inspection 光刻与刻蚀工艺1 1、涂胶、涂胶光刻与刻蚀工艺1 1、涂胶、涂胶v涂胶目的涂胶目的 在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没有缺陷的光刻胶薄膜。有缺陷的光刻胶薄膜。v怎样才能让光刻胶粘的牢一些？怎样才能让光刻胶粘的牢一些？光刻与刻蚀工艺可以开始涂胶了可以开始涂胶了v 怎么涂？怎么涂？ 旋转涂胶法：把胶滴在硅片，然后使硅片高速旋转，旋转涂胶法：把胶滴在硅片，然后使硅片高速旋转，液态胶在旋转中因离心力作用由轴心沿径向（移动）液态胶在旋转

13、中因离心力作用由轴心沿径向（移动）飞溅出去，但粘附在硅表面的胶受粘附力的作用而留飞溅出去，但粘附在硅表面的胶受粘附力的作用而留下。在旋转过程中胶所含的溶剂不断挥发，故可得到下。在旋转过程中胶所含的溶剂不断挥发，故可得到一层均匀的胶膜一层均匀的胶膜 v 怎样才算涂的好？怎样才算涂的好？ 膜厚均匀，正胶膜厚均匀，正胶2%2%，负胶，负胶5% 5% 光刻与刻蚀工艺涂胶涂胶-转速转速VsVs膜厚膜厚v 转速转速VsVs膜厚膜厚 其中：其中：T T表示膜厚，表示膜厚，S S表示转速；从上式可以看出，表示转速；从上式可以看出，光刻胶的膜厚与旋转速度的平方根成反比。光刻胶的膜厚与旋转速度的平方根成反比。光刻

14、与刻蚀工艺2 2、前烘（、前烘（softbakesoftbake）再次改善光刻胶粘附性再次改善光刻胶粘附性v 目的目的 去去除胶内的溶剂，提高胶的粘附力除胶内的溶剂，提高胶的粘附力 提高胶的抗机械摩擦的能力提高胶的抗机械摩擦的能力 减小高速旋转形成的薄膜应力减小高速旋转形成的薄膜应力v 条件条件: : 温度温度 ：90 to 120 90 to 120 时间：时间：60s to 120s60s to 120s光刻与刻蚀工艺2 2、前烘（、前烘（softbakesoftbake）再次改善光刻胶粘附性）再次改善光刻胶粘附性v前烘不足前烘不足 光刻胶与硅片黏附性变差光刻胶与硅片黏附性变差 因光刻胶中

15、溶剂含量过高致使曝光的精确度下降因光刻胶中溶剂含量过高致使曝光的精确度下降v前烘过量前烘过量 延长时间，产量降低延长时间，产量降低 过高的温度使光刻胶层的粘附性会因光刻胶变脆而降过高的温度使光刻胶层的粘附性会因光刻胶变脆而降低低 过高的温度会使光刻胶中的感光剂发生反应，使光刻过高的温度会使光刻胶中的感光剂发生反应，使光刻胶在曝光时的敏感度变差胶在曝光时的敏感度变差光刻与刻蚀工艺3 3、曝光（、曝光（ExposureExposure）光刻与刻蚀工艺3 3、曝光（、曝光（ExposureExposure）v 曝光曝光 光通过光通过掩模版掩模版照射，使照射到的光刻胶起光化学反应照射，使照射到的光刻胶

16、起光化学反应 感光与未感光的光刻胶对碱性溶液的溶解度不同感光与未感光的光刻胶对碱性溶液的溶解度不同 掩模版上的图案，完整地传递掩模版上的图案，完整地传递(Transfer)(Transfer)到晶片表面的到晶片表面的光阻上光阻上v目的：目的： 确定图案的精确形状和尺寸确定图案的精确形状和尺寸 完成顺序两次光刻图案的准确套制完成顺序两次光刻图案的准确套制光刻与刻蚀工艺曝光后烘焙（曝光后烘焙（PEBPEB）v 驻波效应驻波效应 定义：入射光与反射光间的相长和相消干涉造定义：入射光与反射光间的相长和相消干涉造成的效应成的效应 影响：曝光过程中，在曝光区与非曝光区边界影响：曝光过程中，在曝光区与非曝光

17、区边界将会出现驻波效应，影响显影后所形成的图形将会出现驻波效应，影响显影后所形成的图形尺寸和分辨率尺寸和分辨率 改善措施：曝光后烘焙改善措施：曝光后烘焙光刻与刻蚀工艺4 4、显影（、显影（DevelopmentDevelopment）光刻与刻蚀工艺4 4、显影（、显影（DevelopmentDevelopment）v 原理原理 显影时曝光区与非曝光区的光刻胶显影时曝光区与非曝光区的光刻胶不同程度不同程度的溶解的溶解v 显影过程显影过程 把已曝光的硅晶片浸入显影液中，通过溶解把已曝光的硅晶片浸入显影液中，通过溶解部分光刻胶的方法使部分光刻胶的方法使胶膜中的潜影胶膜中的潜影显现出来显现出来的过程的

18、过程v 显影留下的光刻胶图形将在后续的刻蚀显影留下的光刻胶图形将在后续的刻蚀和离子注入工艺中和离子注入工艺中作为掩膜作为掩膜光刻与刻蚀工艺v显影方式：显影方式： 浸渍显影；浸渍显影； 旋转喷雾显影旋转喷雾显影v影响显影效果的因素影响显影效果的因素 ： a.a.曝光时间；曝光时间； b.b.前烘的温度和时间；前烘的温度和时间； c.c.光刻胶的厚度；光刻胶的厚度； d.d.显影液的浓度；显影液的浓度； e.e.显影液的温度；显影液的温度； f. f.显影液的搅拌情况显影液的搅拌情况光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺v显影之后的检查显影之后的检查 掩膜版选用是否正确掩膜版选用是否正确 光刻胶的质量是否满

19、足要求（污染、划痕、气泡光刻胶的质量是否满足要求（污染、划痕、气泡和条纹）和条纹） 图形的质量（有好的边界，图形尺寸和线宽满足图形的质量（有好的边界，图形尺寸和线宽满足要求）要求） 套准精度是否满足要求套准精度是否满足要求v 光刻是唯一可以返工的工艺步骤光刻是唯一可以返工的工艺步骤光刻与刻蚀工艺v坚膜坚膜 在光刻显影后，再经过一次烘烤，进一步将胶在光刻显影后，再经过一次烘烤，进一步将胶内内残留的溶剂含量由蒸发降到最低，使其硬化残留的溶剂含量由蒸发降到最低，使其硬化 v坚膜的目的坚膜的目的 去除光刻胶中剩余的溶剂，去除光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对硅片表增强光刻胶对硅片表面的附着力面的附着力

20、提高光刻胶在刻蚀和离子注入过程中的提高光刻胶在刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性和抗蚀性和保护能力保护能力光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺6 6、去胶、去胶光刻与刻蚀工艺6 6、去胶、去胶v 经过刻蚀或离子注入后，将光刻胶从表面除去经过刻蚀或离子注入后，将光刻胶从表面除去v去胶方法去胶方法 湿法去胶湿法去胶 有机溶液去胶有机溶液去胶 不腐蚀金属，去除不腐蚀金属，去除AlAl上的光刻胶需用有机溶剂上的光刻胶需用有机溶剂 无机溶液去胶无机溶液去胶 干法去胶干法去胶 等离子体将光刻胶剥除等离子体将光刻胶剥除 刻蚀效果好，但有反应残留物玷污问题，故与湿法腐蚀搭配使刻蚀效果好，但有反应残留物玷污问题

21、，故与湿法腐蚀搭配使用用光刻与刻蚀工艺 lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻 洁净室洁净室 工艺流程工艺流程 光刻机光刻机 分辨率曝光光源分辨率曝光光源 套准套准 光刻胶光刻胶光刻与刻蚀工艺光刻机光刻机v 光刻机的性能可由下面三个参数来判别光刻机的性能可由下面三个参数来判别 分辨率分辨率光刻与刻蚀工艺v 光刻机的性能可由下面三个参数来判别光刻机的性能可由下面三个参数来判别 套准精度套准精度 产率产率对一给定的掩膜版，每小时能曝光完成的晶对一给定的掩膜版，每小时能曝光完成的晶片数量片数量光刻机光刻机光刻与刻蚀工艺光刻机的种类光学

22、接触式非光学X线射电子束接近式投影式步进式v光刻机发展为两大类型，即光学光刻机和非光光刻机发展为两大类型，即光学光刻机和非光学光刻机，如图所示。学光刻机，如图所示。 光学光刻机采用紫光学光刻机采用紫 外线作为光源，而外线作为光源，而 非光学光刻机的非光学光刻机的 光源则来自电磁光源则来自电磁 光谱的其他成分。光谱的其他成分。 曝光光源曝光光源光刻与刻蚀工艺曝光光源曝光光源v普通光源普通光源 光的波长范围大，图形边缘衍射现象严重，满光的波长范围大，图形边缘衍射现象严重，满足不了特征尺寸的要求。足不了特征尺寸的要求。v晶圆生产用的曝光光源晶圆生产用的曝光光源光刻与刻蚀工艺v晶圆生产用的曝光光源晶圆

23、生产用的曝光光源 最广泛使用的曝光光源是最广泛使用的曝光光源是高压汞灯高压汞灯 产生的光为紫外光（产生的光为紫外光（UVUV） 三条发射线三条发射线 I I线线(365nm)(365nm) H H线线(405nm)(405nm) G G线线(436nm) (436nm) (0.35um(0.35um工艺工艺) )曝光光源曝光光源光刻与刻蚀工艺v晶圆生产用的曝光光源晶圆生产用的曝光光源 产生的光为深紫外光（产生的光为深紫外光（DUVDUV）氟化氪氟化氪 KrF KrF （248nm248nm）（0.35um,0.25um,0.18 CMOS0.35um,0.25um,0.18 CMOS技术）技术

24、）氟化氩氟化氩 ArF ArF （193nm193nm） (0.2um(0.2um以下工艺）以下工艺）曝光光源曝光光源光刻与刻蚀工艺曝光光源曝光光源v超细线条光刻技术超细线条光刻技术 甚远紫外线甚远紫外线(EUV) (EUV) （13.4nm)13.4nm) 电子束光刻电子束光刻 ( (波粒二相性，更多显示粒子性）波粒二相性，更多显示粒子性） 以上两种曝光光源比较有前景，可以对亚以上两种曝光光源比较有前景，可以对亚100nm100nm，亚，亚50nm50nm的特征尺寸进行光刻的特征尺寸进行光刻 X X射线射线 离子束光刻离子束光刻光刻与刻蚀工艺光学曝光方法光学曝光方法光刻与刻蚀工艺光学曝光方法

25、光学曝光方法v遮蔽式曝光遮蔽式曝光 接触式曝光接触式曝光 提供约提供约1um1um的分辨率的分辨率 对掩膜版造成损伤对掩膜版造成损伤 接近式曝光接近式曝光 可以减小掩膜版损伤可以减小掩膜版损伤 间隙会在掩膜版图案边缘造成光学衍射间隙会在掩膜版图案边缘造成光学衍射 分辨率降低至分辨率降低至2um2um5um5um光刻与刻蚀工艺光学曝光方法光学曝光方法光刻与刻蚀工艺光学曝光方法光学曝光方法v 投影式曝光投影式曝光 利用投影的方法，将掩膜版上图案投影至相距好几厘利用投影的方法，将掩膜版上图案投影至相距好几厘米的晶片上。米的晶片上。（a a）晶片整片扫描）晶片整片扫描（b b）1 1：1 1步进重复步

26、进重复光刻与刻蚀工艺光学曝光方法光学曝光方法光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻 洁净室洁净室 工艺流程工艺流程 光刻机光刻机 分辨率曝光光源分辨率曝光光源 套准套准 光刻胶光刻胶光刻与刻蚀工艺套准精度套准精度v对准对准 把所需图形在晶园表面上定位或对准。把所需图形在晶园表面上定位或对准。v如果说光刻胶是光刻工艺的如果说光刻胶是光刻工艺的“材料材料”核心核心，那么对准和曝光则是该工艺的那么对准和曝光则是该工艺的“设备设备”核心核心。图形的准确对准是保证器件和电路正常工作图形的准确对准是

27、保证器件和电路正常工作的决定性因素之一。的决定性因素之一。光刻与刻蚀工艺对准法则对准法则v第一次光刻第一次光刻只是把掩膜版上的只是把掩膜版上的Y Y轴与晶园上的平边成轴与晶园上的平边成9090 ，如图所示。，如图所示。 接下来的掩膜版都用接下来的掩膜版都用对准对准 标记标记与上一层带有图形的与上一层带有图形的 掩膜对准。对准标记是一掩膜对准。对准标记是一 个特殊的图形（见图），个特殊的图形（见图）， 分布在每个芯片图形的边分布在每个芯片图形的边 缘。缘。经过光刻工艺对准标经过光刻工艺对准标 记就永远留在芯片表面，同时作为下一次对准使用。记就永远留在芯片表面，同时作为下一次对准使用。晶圆掩膜版平

28、边光刻与刻蚀工艺对准标记对准标记光刻与刻蚀工艺 未对准种类：未对准种类：(a) X方向方向 (b) 转动转动 (c) 伸出伸出光刻与刻蚀工艺lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻 洁净室洁净室 工艺流程工艺流程 光刻机光刻机 光刻胶光刻胶 掩膜版掩膜版光刻与刻蚀工艺光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v主要有两种光刻胶：主要有两种光刻胶： 正胶正胶：曝光后显影时曝光部分被溶解，而没有：曝光后显影时曝光部分被溶解，而没有曝光的部分留下来曝光的部分留下来 邻叠氮醌类邻叠氮醌类 负胶负胶：曝光后显影时没有曝光部分被溶解，而：曝光后显影时没

29、有曝光部分被溶解，而曝光的部分留下来曝光的部分留下来聚乙烯醇肉桂酸酯和聚聚乙烯醇肉桂酸酯和聚乙烯氧乙基肉桂酸酯乙烯氧乙基肉桂酸酯光刻与刻蚀工艺基本光刻技术基本光刻技术光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺* *实际工艺中正胶用的比较多，实际工艺中正胶用的比较多，why?why?va.a.分辨率高分辨率高vb.b.抗干法腐蚀的能力较强抗干法腐蚀的能力较强vc.c.抗热处理的能力强抗热处理的能力强vd.d.可用水溶液显影，溶涨现象小可用水溶液显影，溶涨现象小ve.e.可涂得较厚可涂得较厚(2-3um)(2-3um)不影响分辨率，有较好台不影响分辨率，有较好台阶覆盖性阶覆盖性vf.

30、 f.适合适合1 1：1 1及缩小的投影光刻及缩小的投影光刻v负胶也有一些优点，如负胶也有一些优点，如: : 粘附性好，抗湿法腐蚀粘附性好，抗湿法腐蚀能力强等能力强等光刻与刻蚀工艺v1.1.树脂树脂( (高分子聚合物高分子聚合物 ) ) 光照不发生反应，保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐光照不发生反应，保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性，决定光刻胶薄膜的膜厚、弹性和热稳定性等蚀性，决定光刻胶薄膜的膜厚、弹性和热稳定性等 光刻与刻蚀工艺v 2.2.光敏剂（光敏剂（PACPAC） 受光辐照之后会发生化学反应受光辐照之后会发生化学反应光刻与刻蚀工艺v3.3.溶剂溶剂 使光刻胶在涂到硅片表面之前保持为液态使光

31、刻胶在涂到硅片表面之前保持为液态光刻与刻蚀工艺光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v光学性质光学性质 光敏度，折射率光敏度，折射率v力学和化学性质力学和化学性质 固溶度、粘滞度、粘着度、抗腐蚀性、热稳定固溶度、粘滞度、粘着度、抗腐蚀性、热稳定性、流动性和对环境的敏感度性、流动性和对环境的敏感度v其它特性其它特性 纯度、金属含量、可应用的范围、储存的有效纯度、金属含量、可应用的范围、储存的有效期和燃点期和燃点光刻与刻蚀工艺v对比度对比度 对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的倾角和对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的倾角和线宽。线宽。 光刻胶的对比度越高，光刻胶层的侧面越陡，光刻胶的对比度越高，光刻胶层的

32、侧面越陡，线宽描述掩模尺寸的准确度就越高。且陡峭的线宽描述掩模尺寸的准确度就越高。且陡峭的光刻胶在干法刻蚀中可以减小刻蚀过程中的钻光刻胶在干法刻蚀中可以减小刻蚀过程中的钻蚀效应，从而提高分辨率。蚀效应，从而提高分辨率。光刻与刻蚀工艺v光刻胶的膨胀光刻胶的膨胀 在显影过程中，若显影液渗透到光刻胶中，在显影过程中，若显影液渗透到光刻胶中，光刻胶光刻胶的体积就会膨胀的体积就会膨胀，这将导致图形尺寸发生变化，这将导致图形尺寸发生变化，影影响分辨率。响分辨率。 正胶不发生膨胀，负胶发生膨胀现象正胶不发生膨胀，负胶发生膨胀现象。故正胶分辨。故正胶分辨率高于负胶，负胶可通过减小厚度来提高分辨率率高于负胶，负

33、胶可通过减小厚度来提高分辨率 在相同的分辨率下，与负胶相比可以使用较厚的正在相同的分辨率下，与负胶相比可以使用较厚的正胶胶，从而得到更好的平台覆盖并能降低缺陷的产生，从而得到更好的平台覆盖并能降低缺陷的产生，同时抗干法刻蚀的能力也更强。同时抗干法刻蚀的能力也更强。光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性光刻与刻蚀工艺光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v光敏度光敏度 指光刻胶完成所需图形曝光的最小曝光剂量指光刻胶完成所需图形曝光的最小曝光剂量曝光剂量（曝光剂量（mj/cmmj/cm2 2）光强（单位面积的功率）光强（单位面积的功率）曝光时间曝光时间 光敏度由曝光效率决定光敏度由曝光效率决定 曝光效率：参与

34、光刻胶曝光的光子能量与进入光刻曝光效率：参与光刻胶曝光的光子能量与进入光刻胶中的光子能量的比值胶中的光子能量的比值 正胶比负胶有更高的曝光效率正胶比负胶有更高的曝光效率，故正胶的光敏度大，故正胶的光敏度大，光敏度大可减小曝光时间光敏度大可减小曝光时间光刻与刻蚀工艺光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v抗刻蚀能力抗刻蚀能力 图形转移时，光刻胶抵抗刻蚀的能力。图形转移时，光刻胶抵抗刻蚀的能力。 光刻胶对湿法腐蚀有比较好的抗腐蚀能力，对大部光刻胶对湿法腐蚀有比较好的抗腐蚀能力，对大部分的干法刻蚀，光刻胶的抗刻蚀能力则比较差分的干法刻蚀，光刻胶的抗刻蚀能力则比较差v 热稳定性热稳定性 通常干法刻蚀的工作温

35、度比湿法腐蚀要高，所通常干法刻蚀的工作温度比湿法腐蚀要高，所以光刻胶应能够承受以光刻胶应能够承受200 200 以上的工作温度以上的工作温度光刻与刻蚀工艺光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v黏着力黏着力 在刻蚀过程中，如果光刻胶黏附不牢就会发生在刻蚀过程中，如果光刻胶黏附不牢就会发生钻蚀和浮胶钻蚀和浮胶，这将直接影响光刻的质量，甚至，这将直接影响光刻的质量，甚至使整个图形丢失。使整个图形丢失。 增强黏附性的方法：增强黏附性的方法： 1.1.涂胶前脱水处理涂胶前脱水处理 2.2.使用增粘剂（使用增粘剂（HMDS) HMDS) 3.3.提高坚膜的循环温度提高坚膜的循环温度光刻与刻蚀工艺光刻胶的基本属

36、性光刻胶的基本属性v光刻胶的溶解度光刻胶的溶解度 光刻胶是由溶剂溶解了固态物质（如树脂）光刻胶是由溶剂溶解了固态物质（如树脂）所形成的液体，其中溶解的固态物质所占的所形成的液体，其中溶解的固态物质所占的比重称为溶解度比重称为溶解度v 光刻胶的粘滞度光刻胶的粘滞度 影响甩胶后光刻胶膜厚影响甩胶后光刻胶膜厚光刻与刻蚀工艺光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v 微粒数量和金属含量微粒数量和金属含量 光刻胶的纯净度光刻胶的纯净度与光刻胶中的微粒数量和金属与光刻胶中的微粒数量和金属含量有关。含量有关。 光刻胶的生产过程中需要经过严格的过滤和包光刻胶的生产过程中需要经过严格的过滤和包装，且需要在使用前过滤。随

37、存储时间的增加，装，且需要在使用前过滤。随存储时间的增加，光刻胶中的微粒数量还会继续增加。光刻胶中的微粒数量还会继续增加。 光刻胶中的金属含量主要指光刻胶中的金属含量主要指钠和钾的含量钠和钾的含量，钠，钠和钾会带来污染，降低器件的性能。和钾会带来污染，降低器件的性能。光刻与刻蚀工艺v储存寿命储存寿命 光刻胶中的成分随时间和温度发生变化光刻胶中的成分随时间和温度发生变化 通常正胶的寿命高于负胶的通常正胶的寿命高于负胶的 在存储期间，由于交叉链接的作用，正胶中的在存储期间，由于交叉链接的作用，正胶中的高分子成分会增加，感光剂不可溶，结晶成沉高分子成分会增加，感光剂不可溶，结晶成沉淀物淀物。光刻胶的

38、基本属性光刻胶的基本属性光刻与刻蚀工艺lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻 洁净室洁净室 工艺流程工艺流程 光刻机光刻机 光刻胶光刻胶 掩膜版掩膜版光刻与刻蚀工艺掩膜版掩膜版v 掩膜版上的图形代表掩膜版上的图形代表一层一层ICIC设计，将综合的设计，将综合的布局图按照布局图按照ICIC工艺分成工艺分成各层掩膜版，如隔离区各层掩膜版，如隔离区为一层、栅极区为另一为一层、栅极区为另一层等，这些掩膜版的组层等，这些掩膜版的组合就是一组合就是一组ICIC工艺流程。工艺流程。光刻与刻蚀工艺掩膜板的制造掩膜板的制造v传统掩膜版是在石英板上

39、淀积薄的铬传统掩膜版是在石英板上淀积薄的铬(ge)(ge)层，层，在在铬层上形成图形铬层上形成图形。v掩膜版是由掩膜版是由电子束电子束或者或者激光束直接刻写激光束直接刻写在在铬层上的。铬层上的。v通常，制作一个完整的通常，制作一个完整的ULSIULSI芯片需要芯片需要2020到到2525块不同的掩膜块不同的掩膜。光刻与刻蚀工艺v掩膜版的构成掩膜版的构成 石英玻璃板石英玻璃板 铬层铬层 铬的氮化物或氧化物铬的氮化物或氧化物+ +铬铬+ +抗反射层抗反射层 掩膜版的保护膜：密封掩膜版，防止空气中的掩膜版的保护膜：密封掩膜版，防止空气中的微粒以及其它形式的污染微粒以及其它形式的污染掩膜板的制造掩膜板

40、的制造光刻与刻蚀工艺掩膜板的制造掩膜板的制造v 掩膜版好坏的关键因素：缺陷密度掩膜版好坏的关键因素：缺陷密度v 缺陷的产生原因缺陷的产生原因 制造掩膜版时产生制造掩膜版时产生 图形曝光时产生图形曝光时产生v缺陷密度对缺陷密度对ICIC成品率的影响成品率的影响 其中：其中：D D为每单位面积致命缺陷的平均数，为每单位面积致命缺陷的平均数，A A为为ICIC芯片芯片的面积，的面积，N N为掩膜版的层数为掩膜版的层数DAeYNDAeY光刻与刻蚀工艺要提高要提高大面积芯片大面积芯片的成的成品率，掩膜版的品率，掩膜版的检查与检查与清洗清洗是非常重要的。是非常重要的。光刻与刻蚀工艺分辨率增强技术移相掩膜分

41、辨率增强技术移相掩膜v 移相掩膜（移相掩膜（phase-shifting mask, PSM)phase-shifting mask, PSM) 在在ICIC工艺中，工艺中，光学图形曝光系统光学图形曝光系统追求较佳的分追求较佳的分辨率、较深的聚焦深度与较广的曝光宽容度辨率、较深的聚焦深度与较广的曝光宽容度 基本原理是在掩膜版的某些透明图形上增加或基本原理是在掩膜版的某些透明图形上增加或减少一个透明的介质层，称为移相器，使光波减少一个透明的介质层，称为移相器，使光波通过这个介质层后产生通过这个介质层后产生180180度的相位差，与邻度的相位差，与邻近透明区域透过的光波产生干涉，从而抵消图近透明区

42、域透过的光波产生干涉，从而抵消图形边缘的光衍射效应，形边缘的光衍射效应，提高曝光的分辨率提高曝光的分辨率。光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻v刻蚀刻蚀 湿法刻蚀湿法刻蚀 干法刻蚀干法刻蚀光刻与刻蚀工艺什么叫刻蚀？什么叫刻蚀？v 刻蚀刻蚀把进行光刻前所沉积的薄膜中没有被光刻胶覆盖把进行光刻前所沉积的薄膜中没有被光刻胶覆盖及保护的部分，以化学反应或是物理作用的方式加以去除，及保护的部分，以化学反应或是物理作用的方式加以去除，以完成转移掩膜图案到薄膜上面的目的。以完成转移掩膜图案到薄膜上面的目的。v 刻

43、蚀分类刻蚀分类 湿法刻蚀（湿法刻蚀（ WET ETCHING WET ETCHING ） ：利用液态化学试剂利用液态化学试剂或溶液通过或溶液通过化学反应化学反应进行刻蚀的方法进行刻蚀的方法 干法刻蚀（干法刻蚀（ DRY ETCHINGDRY ETCHING） ：主要指利用低压放电主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基产生的等离子体中的离子或游离基( (处于激发态的分子、处于激发态的分子、原子及各种原子基团等原子及各种原子基团等) )与材料与材料发生化学反应发生化学反应或通过轰或通过轰击等击等物理作用物理作用而达到刻蚀的目的而达到刻蚀的目的光刻与刻蚀工艺刻蚀术语刻蚀术语 v BIAS

44、BIAS （偏差）（偏差）腐蚀后的图形与版图的水平偏差腐蚀后的图形与版图的水平偏差。v TOLERANCE TOLERANCE （容差）（容差）各批图形间的偏差。各批图形间的偏差。v ETCHING RATE ETCHING RATE （腐蚀速率均匀度）（腐蚀速率均匀度）= =（ 最高速率最高速率- -最低速率最低速率 ）/ /（最高速率（最高速率+ +最低速率最低速率 ）* *100%100%光刻与刻蚀工艺vOVER ETCHING OVER ETCHING （过腐蚀）（过腐蚀）v SELECTIVITY SELECTIVITY （选择性）（选择性）S SFSFS= = 腐蚀腐蚀FILMFI

45、LM速率速率 / / 腐蚀腐蚀SUBSTRATESUBSTRATE速率速率光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺会出现光刻胶的钻蚀会出现光刻胶的钻蚀-方向性方向性腐蚀剂会腐蚀衬底而改变衬底形貌腐蚀剂会腐蚀衬底而改变衬底形貌-选择性选择性光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻v刻蚀刻蚀 湿法刻蚀湿法刻蚀 干

46、法刻蚀干法刻蚀光刻与刻蚀工艺刻蚀刻蚀v湿法腐蚀：湿法腐蚀： 湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用 优点是优点是选择性好选择性好、重复性好、生产效率高、设、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低备简单、成本低 缺点是钻蚀严重、缺点是钻蚀严重、各向同性腐蚀各向同性腐蚀，对图形的控，对图形的控制性较差制性较差 在工业生产中一般以在工业生产中一般以3um3um线宽为界限，小于线宽为界限，小于3um3um普遍普遍应用干法刻蚀技术。应用干法刻蚀技术。光刻与刻蚀工艺各向同性和异性各向同性和异性 假设假设hfhf为下层材料的厚度，为下层材料的厚度，l l为抗为抗蚀剂底下

47、的侧面钻蚀距离，可以定义蚀剂底下的侧面钻蚀距离，可以定义各向异性的比值各向异性的比值AfAf为：为：vlvlffRRtRtRhlA111其中：其中：t t为时间，而为时间，而RlRl和和RvRv则分别为水平方向与垂直方向则分别为水平方向与垂直方向腐蚀的速率；对各向同性腐蚀而言，腐蚀的速率；对各向同性腐蚀而言，RlRlRvRv，AfAf0 0；对；对各向异性腐蚀的极限情况而言，各向异性腐蚀的极限情况而言，RlRl0 0，AfAf1 1；光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺v Wet Etching Silicon Wet Etching Silicon （硅刻蚀）（硅刻蚀）腐蚀液成份：腐蚀液成份：HNO

48、HNO3、HFHF、CHCH3COOHCOOH（水）（水） 醋酸比水好，可以抑制HNO3的分解反应方程：反应方程： Si+HNO3+6HF H2SiF6+HNO3+H2+H2O混合液成份不同腐蚀速率不同混合液成份不同腐蚀速率不同各向同性腐蚀各向同性腐蚀光刻与刻蚀工艺v Wet Etching Silicon Dioxide Wet Etching Silicon Dioxide （二氧化硅刻蚀）（二氧化硅刻蚀）腐蚀液成份：腐蚀液成份：HFHF、氟化氨（、氟化氨（NHNH4 4F F）水溶液）水溶液反应方程：反应方程：SiO2+6HF H2+SiF6+2H2O腐蚀液中加入一定的氟化氨作为缓冲剂腐

49、蚀液中加入一定的氟化氨作为缓冲剂 形成的腐蚀液称为形成的腐蚀液称为BHFBHF，又称作缓冲氧化层腐蚀，又称作缓冲氧化层腐蚀（buffered-oxide-etch,BOE)buffered-oxide-etch,BOE)光刻与刻蚀工艺v Wet Etching Si Wet Etching Si3 3N N4 4（氮化硅刻蚀）（氮化硅刻蚀）腐蚀液成份：腐蚀液成份：180180浓度为浓度为8585的磷酸溶液的磷酸溶液v Wet Etching Al Wet Etching Al（铝刻蚀）（铝刻蚀）腐蚀液成份腐蚀液成份: :OHCOOHCHHNOPOH23343%5 .19%5 . 3%473光刻

50、与刻蚀工艺lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻v刻蚀刻蚀 湿法腐蚀湿法腐蚀 干法刻蚀干法刻蚀光刻与刻蚀工艺v溅射与离子束铣（溅射与离子束铣（xixi）蚀：）蚀：通过高能惰性气体离子的物通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差v等离子刻蚀等离子刻蚀(Plasma Etching)(Plasma Etching)：利用放电产生的游离基利用放电产生的游离基（游离态的原子、分子或原子团）与材料发生化学反应，（游离态的原子、分子或原子团）与材料发生化学反应，形成挥发物，

51、实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差但各向异性较差v反应离子刻蚀反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching(Reactive Ion Etching，简称为，简称为RIE)RIE)：通通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，异性和选择性好的优点。目前，RIERIE已成为已成为VLSIVLSI工艺中工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术应用最广泛的主流刻蚀技术DRY ETCHING DRY ETCHING 干法刻蚀干法刻蚀光刻与刻蚀工艺DRY ETCHING DRY ETCHING 干法刻蚀干法刻蚀v 干法刻蚀优点：干法刻蚀优点：分辨率高分辨率高各向异性腐蚀能力强各向异性腐蚀能力强某些情况下腐蚀选择比大某些情况下腐蚀选择比大均匀性、重复性好均匀性、重复性好便于连续自动操作便于连续自动操作光刻与刻蚀工艺v干法刻蚀的应用干法刻蚀的应用 SiSi，SiSi3 3N N4 4，SiOSiO2 2 Poly-Si, Poly-Si, 硅化物硅化物 AlAl及其合金及其合金 耐熔金属（耐熔金