硅集成电路工艺——光刻与刻蚀(2)

1、天津工业大学天津工业大学Chap.8 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23湿法刻蚀与干法刻蚀技术湿法刻蚀与干法刻蚀技术45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天津工业大学天津工业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

2、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）天津工业大学天津工业大学光刻技术在IC流程中的重要性天津工业大学天津工业大学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

3、套刻对准v对大尺寸硅片的加工对大尺寸硅片的加工天津工业大学天津工业大学 半导体工业中的洁净度概念尘埃粒子的影响：尘埃粒子的影响：粒子粒子1：在下面器件层产生针孔：在下面器件层产生针孔粒子粒子2：妨碍金属导线上电流的流动：妨碍金属导线上电流的流动粒子粒子3：导致两金属区域短路，使电路失效：导致两金属区域短路，使电路失效天津工业大学天津工业大学 洁净度等级：洁净度等级：v 英制英制：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0.5m的尘埃粒的尘埃粒子总数不超过设计等级（如英制等级子总数不超过设计等级（如英制等级100）v 公制公制：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.

4、5m的尘埃粒子的尘埃粒子总数不超过设计等级（以指数计算，如等级总数不超过设计等级（以指数计算，如等级M3.5，则粒子总数不超过则粒子总数不超过103.5个）个）天津工业大学天津工业大学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 去胶去胶天津工业大学天津工业大学硅片清洗天津工业大学天津工业大学预烘及涂增强剂天津工业大学天津工业大学涂胶天津工业大学天津工业大学前烘天津工业大学天津工业大学掩模版对准天津工业大学天津工业大学曝光天津工业大学天津工业大学曝光后烘培天津工业大学天津工业大学显影天津工业大学天津工业大学后烘及图形检测天津工业大学天津工业大学刻蚀天津工业大学

5、天津工业大学刻蚀完成天津工业大学天津工业大学去胶天津工业大学天津工业大学离子注入天津工业大学天津工业大学快速热处理及合金天津工业大学天津工业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天津工业大学天津工业大学涂胶（旋涂法）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

6、：旋涂法天津工业大学天津工业大学旋涂天津工业大学天津工业大学旋涂天津工业大学天津工业大学旋涂天津工业大学天津工业大学旋涂天津工业大学天津工业大学边沿清除天津工业大学天津工业大学边沿清除天津工业大学天津工业大学光刻胶膜的质量质量指标质量指标：v 膜厚（光刻胶本身的黏性、甩胶时间、速度）膜厚（光刻胶本身的黏性、甩胶时间、速度）v 膜厚均匀性（甩胶速度、转速提升速度）膜厚均匀性（甩胶速度、转速提升速度）v 气泡，灰尘等粘污情况（超净工作台，红、黄光照明）气泡，灰尘等粘污情况（超净工作台，红、黄光照明）天津工业大学天津工业大学前烘目的：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

7、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）天津工业大学天津工业大学前烘方法天津工业大学天津工业大学显影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、

8、旋干漂洗、旋干天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学正胶和负胶天津工业大学天津工业大学显影中可能存在的问题天津工业大学天津工业大学显影设备天津工业大学天津工业大学喷洒显影液天津工业大学天津工业大学静止显影天津工业大学天津工业大学去除显影液天津工业大学天津工业大学去离子水清洗天津工业大学天津工业大学显影全过程天津工业大学天津工业大学曝光后烘培v目的：降低驻波效应，形成均匀曝光目的：降低驻波效应，形成均匀曝光天津工业大学天津工业大学曝光后烘培天津工业大学天津工业大学后烘（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

9、 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) )天津工业大学天津工业大学刻蚀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 ； 选择性选择性天津工业大学天津工业大学去胶目的目的：将经过刻蚀的硅片表面留下的光刻胶去除：将经过刻蚀的

10、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）天津工业大学天津工业大学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)(211mmLR天津工业大学天津工业大学v 物理学意义：限制因素是衍射物理学意义：限制因素是衍射 光子：光子： 粒子：粒子： 所以：所以：能量一定，则粒子质量越大，分辨

11、率越高能量一定，则粒子质量越大，分辨率越高 质量一定，则动能越高，分辨率越高质量一定，则动能越高，分辨率越高hpL/1; 2/maxRhpLmEhL22天津工业大学天津工业大学光刻参数对工艺效果的影响分辨率分辨率对准对准片间控制片间控制批间控制批间控制产量产量曝光系统曝光系统XXXXXXXXX衬底衬底XXXXXX掩膜掩膜XXXX光刻胶光刻胶XXXXXXXXX显影剂显影剂XXXXXX润湿剂润湿剂XXX工艺工艺XXXXXXXX操作员操作员XXXXXXXX天津工业大学天津工业大学8.3 光刻胶的基本属性正胶与负胶：正胶与负胶：天津工业大学天津工业大学光刻胶的组成v 聚合物材料聚合物材料（树脂）：保证

12、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：染色剂等天津工业大学天津工业大学正胶与负胶天津工业大学天津工业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）造成环境污染天津工业大学天津工业大学 对比度v 光刻胶膜厚光刻

13、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)/()(1212XXYYr)/(log1010DDrcp)/(log1010iggnDDr 天津工业大学天津工业大学其他特性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

14、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天津工业大学天津工业大学8.4 曝光系统曝曝光光系系统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天津工业大学天津工业大学紫外（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） 准直性差准直性差天津工业大学天津工业大学深紫外（ DUV ）光源v KrF、ArF、F2准分子激光器准分子激光器v 优点：更

15、高有效能量，各向异性，准直，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，损伤天津工业大学天津工业大学曝光方式（Exposure）曝曝光光方方式式遮蔽式遮蔽式Shade system投影式投影式projection system接触式接触式Contact printer接近式接近式proximity printer天津工业大学天津工业大学接触式曝光(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（13um) 尘埃

16、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，降低成品率天津工业大学天津工业大学接近式曝光（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，但分辨率受到限制天津工业大学天津工业大学 投影式曝光(projection system)v 最小尺寸：最小尺寸：Lmin0.61/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坏，可仔细修整修整v 缺点

17、：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天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学M:1缩小的步进重复曝光天津工业大学天津工业大学数值孔径（NA）v NANA表示透镜收集发散光的能力，表示透镜收集发散光的能力，NANA越大，则能得到更锐越大，则能得到更锐利的图形，从而得到更小的特征尺寸及更大的分辨率。利的图形，从而得到更小的特征尺寸及更大的分辨率。天津工业大学天津工业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

18、 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（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）天津工业大学天津工业大学8.5 掩膜版的制造v 石英板石英板 热扩散系数小，刻写过程中热扩散系数小，刻写过程中受受T影响小影响小 对对248，193nm波长通透性好波长通透性好v 铬层铬层 刻蚀和淀积相对容易刻蚀和淀积相对容易 对光线完全不透明对光线完全

19、不透明v 掩膜版保护膜掩膜版保护膜天津工业大学天津工业大学移相掩模（PSM）天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学未来趋势（future Trends）天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学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天津工业大学天津工业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 umv 能够直

20、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 产率低产率低天津工业大学天津工业大学8.6 ULSI对图形转移的要求v图形转移的保真度图形转移的保真度 各向异性度：各向异性度：A=1-(Vl/Vv)v选择比选择比 不同材料在腐蚀过程中被腐蚀的速率比不同材料在腐蚀过程中被腐蚀的速率比v均匀性均匀性 不同位置在腐蚀过程中被腐蚀的速率比不同位置在腐蚀过程中被腐蚀的速率比v刻蚀的清洁刻蚀的清洁d md fad md fbd fd mhc天津工业大学天津工业大学8.7 湿法刻蚀 （Etching） 湿法刻蚀湿法刻蚀：v 液态溶液，化学反应液态溶液，化学反应v 优点优

21、点: :工艺简单；选择工艺简单；选择性好；操作方便性好；操作方便v 缺点：各向同性，精缺点：各向同性，精细线条难以刻蚀；大细线条难以刻蚀；大量的颗粒污染，化学量的颗粒污染，化学废液废液 干法刻蚀：干法刻蚀：v 等离子体，化学反应物理等离子体，化学反应物理溅射溅射v 优点：较高的各向异性，能优点：较高的各向异性，能形成更小的特征尺寸；等离形成更小的特征尺寸；等离子体可以容易的开始和结束，子体可以容易的开始和结束，温度不敏感，工艺重复性好；温度不敏感，工艺重复性好；更少的颗粒玷污，很少的化更少的颗粒玷污，很少的化学废液学废液v 缺点：选择性比较差，设备缺点：选择性比较差，设备复杂复杂天津工业大学天

22、津工业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天津工业大学天津工业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天津工业大学天津工业大学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 热磷酸热磷酸天津工业大学天津工业大学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：化学反应，高速率，高选择比，低缺陷，但各向同性择比，低缺陷，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：物理

23、溅射，各向异性，低选择比，高缺陷异性，低选择比，高缺陷反应粒子刻蚀反应粒子刻蚀：化学和物理双重作用，：化学和物理双重作用，各性能介于二者之间各性能介于二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方法完成去除物质的方法天津工业大学天津工业大学等离子刻蚀的工艺过程天津工业大学天津工业大学共同点共同点：都是利用低压状态下气体放电来形成等离子体作：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；溅；功率：反之；气流等相关可控参数。功率：反之；气流等相关可控参数。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天津工业大学天津工业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 SiO