光刻与刻蚀工艺流程

1、Jincheng Zhang掌握n光刻胶的组成n+PR 和 PR的区别n描述光刻工艺的步骤n四种对准和曝光系统nExplain relationships of resolution and depth of focus to wavelength and numerical aperture.Jincheng Zhang光刻概述 Photolithographyn临时性地涂覆光刻胶到硅片上n把设计图形最终转移到硅片上nIC制造中最重要的工艺n占用40 to 50% 芯片制造时间n决定着芯片的最小特征尺寸Jincheng Zhang光刻需要n高分辨率 High Resolutionn光刻胶高光

2、敏性 High PR Sensitivityn精确对准 Precision AlignmentJincheng ZhangPhotoresist(PR)光刻胶n光敏性材料n临时性地涂覆在硅片表面n通过曝光转移设计图形到光刻胶上n类似于照相机胶片上涂覆的光敏材料Jincheng ZhangPhotoresistNegative Photoresist负性光刻胶负胶Positive Photoresist正性光刻胶正胶曝光后不可溶解曝光后可溶解显影时未曝光的被溶解显影时曝光的被溶解便宜高分辨率Jincheng Zhang负胶的缺点n聚合物吸收显影液中的溶剂n由于光刻胶膨胀而使分辨率降低n其主溶剂，

3、如二甲苯等会引起环境和安全问题Jincheng Zhang正胶 Positive Photoresistn曝光部分可以溶解在显影液中n正影（光刻胶图形与掩膜图形相同）n更高分辨率（无膨胀现象）n在IC制造应用更为普遍Jincheng Zhang对光刻胶的要求n高分辨率 Thinner PR film has higher the resolution Thinner PR film, the lower the etching and ion implantation resistancen高抗蚀性n好黏附性Jincheng Zhang光刻工艺 Photolithography Process

4、n光刻基本步骤 涂胶 Photoresist coating 对准和曝光 Alignment and exposure 显影 DevelopmentJincheng Zhang光刻工序Jincheng Zhang1、清洗硅片 Wafer CleanJincheng Zhang2、预烘和底膜涂覆 Pre-bake and Primer VaporJincheng Zhang3、光刻胶涂覆 Photoresist CoatingJincheng Zhang4、前烘 Soft BakeJincheng Zhang5、对准 AlignmentJincheng Zhang6、曝光ExposureJinc

5、heng Zhang7、后烘 Post Exposure BakeJincheng Zhang8、显影 DevelopmentJincheng Zhang9、坚膜 Hard BakeJincheng Zhang10、图形检测 Pattern InspectionJincheng Zhang光刻1硅片清洗n目的 -去除污染物、颗粒 -减少针孔和其它缺陷 -提高光刻胶黏附性n基本步骤 化学清洗 漂洗 烘干Jincheng Zhang光刻2预烘n脱水烘焙-去除圆片表面的潮气n增强光刻胶与表面的黏附性n通常大约100 Cn与底胶涂覆合并进行n底胶广泛使用: Hexamethyldisilazane (

6、HMDS，六甲基乙硅氮烷)nHMDS的作用：去除SiO2表面的-OH基。Jincheng Zhang光刻3涂胶 Spin Coatingn硅圆片放置在真空卡盘上n高速旋转n液态光刻胶滴在圆片中心n光刻胶以离心力向外扩展n均匀涂覆在圆片表面n设备-光刻胶旋涂机Jincheng Zhang光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系Jincheng Zhang滴胶Jincheng Zhang光刻胶吸回Jincheng ZhangPhotoresist Spin CoatingJincheng ZhangPhotoresist Spin CoatingJincheng Zhang光刻4前烘作用：促进胶膜内溶剂充

7、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。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。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。n烘焙温度过高感光剂反应（胶膜硬化）， 不易溶于显影液，导致显影不干净。Jincheng Zhang5&6、Alignment and ExposurenMost critical process for IC fabricationnMost expensive tool (stepper) in an IC fab.nMost challenging technologynDe

8、termines the minimum feature sizenCurrently 0.13 m and pushing to 0.09 or 0.065 mJincheng Zhang对准和曝光设备n接触式曝光机n接近式曝光机n投影式曝光机n步进式曝光机（Stepper）Jincheng Zhang接触式曝光机n设备简单n分辨率：可达亚微米n掩膜与圆片直接接触，掩膜寿命有限n微粒污染Jincheng Zhang接触式曝光机Jincheng Zhang接触式曝光Jincheng Zhang接近式曝光机n掩膜与圆片表面有550m间距n优点：较长的掩膜寿命n缺点：分辨率低（线宽 3 um）Ji

9、ncheng Zhang接近式曝光机Jincheng Zhang接近式曝光Jincheng Zhang投影式曝光机n类似于投影仪n掩膜与晶圆图形 1:1n分辨率：1 umJincheng Zhang投影系统Jincheng Zhang步进式曝光机n现代IC制造中最常用的曝光工具n通过曝光缩小掩膜图形以提高分辨率 n分辨率：0.25 m 或更小n设备很昂贵Jincheng Zhang步进-&-重复 对准/曝光Jincheng Zhang曝光光源n短波长n高亮度（高光强）n稳定n高压汞灯n受激准分子激光器Jincheng Zhang驻波效应n入射光与反射光干涉n周期性过曝光和欠曝光n影响光刻分辨率

10、Jincheng Zhang光刻胶中的驻波效应Jincheng Zhang光刻7曝光后烘焙（后烘，PEB）n机理：光刻胶分子发生热运动，过曝光和欠曝光的光刻胶分子发生重分布；n作用：平衡驻波效应，提高分辨率。Jincheng ZhangPEB减小驻波效应Jincheng Zhang光刻8显影(Development)n显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分n从掩膜版转移图形到光刻胶上n三个基本步骤: 显影 漂洗 干燥Jincheng Zhang显影Jincheng Zhang显影后剖面正常显影过显影不完全显影欠显影Jincheng Zhang光刻9坚膜（Hard Bake）n蒸发PR中所有有机溶剂n

11、提高刻蚀和注入的抵抗力n提高光刻胶和表面的黏附性n聚合和使得PR更加稳定nPR流动填充针孔Jincheng Zhang光刻胶热流动填充针孔Jincheng Zhang坚膜（Hard Bake）n热板最为常用n检测后可在烘箱中坚膜n坚膜温度: 100 到130 Cn坚膜时间：1 到2 分钟n坚膜温度通常高于前烘温度Jincheng Zhang坚膜的控制n坚膜不足光刻胶不能充分聚合造成较高的光刻胶刻蚀速率黏附性变差n过坚膜光刻胶流动造成分辨率变差Jincheng Zhang光刻胶流动n过坚膜会引起太多的光刻胶流动，影响光刻的分辨率正常坚膜过坚膜Jincheng Zhang光刻10图形检测（Patt

12、ern Inspection） 检查发现问题，剥去光刻胶，重新开始 光刻胶图形是暂时的 刻蚀和离子注入图形是永久的 光刻工艺是可以返工的， 刻蚀和注入以后就不能再返工 检测手段：SEM（扫描电子显微镜）、光学显微镜Jincheng Zhang图形检测n未对准问题：重叠和错位 - Run-out, Run-in, 掩膜旋转，晶圆旋转，X方向错位，Y方向错位n临界尺寸Critical dimension (CD)（条宽）n表面不规则：划痕、针孔、瑕疵和污染物Jincheng Zhang未对准问题Jincheng Zhang图形检测n通过图形检测，即可进入下一步工艺n刻蚀或离子注入Jincheng

13、Zhang光刻间全部流程Jincheng Zhang未来趋势 Future Trendsn更小特征尺寸 Smaller feature sizen更高分辨率 Higher resolutionn减小波长 Reducing wavelengthn采用相移掩膜 Phase-shift maskJincheng Zhang光衍射n光衍射影响分辨率衍射光投射光强度Jincheng Zhang衍射光的减小n波长越短，衍射越弱n光学凸镜能够收集衍射光并增强图像偏离的折射光被凸镜收集的衍射光Jincheng Zhang数值孔径（Numerical Aperture：NA）nNA：表示凸镜收集衍射光的能力nN

14、A = 2 r0 / D r0 : 凸镜的半径 D ： 目标（掩膜）与凸镜的距离 NA越大，凸镜收集更多的衍射光，产生更尖锐的图形Jincheng Zhang分辨率 Resolutionn表征光刻精度；n定义光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。n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 R1/(2L) (mm-1)nR由曝光系统的光波长和数值孔径NA决定， R=K1/NA注：这里的R就是最小线宽L。 K1 为系统常数, 光波长, NA = 2 r0/D；nNA: 凸镜收集衍射光的能力Jincheng Zhang提高分辨率n提高NA 更大的凸镜, 可能很昂

15、贵而不实际 减小DOF（焦深），会引起制造困难n减小光波长 开发新光源, PR和设备 波长减小的极限：UV到DUV, 到EUV, 到X-Rayn减小K1 相移掩膜（Phase shift mask）Jincheng Zhang下一代光刻Next Generation Lithography (NGL)n超紫外Extreme UV (EUV) lithographynX射线X-Ray lithographyn电子束Electron beam (E-beam) lithographyJincheng ZhangEUV 超紫外nl = 10 到14 nmn更高分辨率n预期应用 2010年n0.1 m

16、m 和以下Jincheng ZhangX射线光刻（X-ray lithography）n 2-40 ，软X射线；n类似于接近式曝光机n很难找到纯的 X-ray源n掩膜制造存在挑战n不大可能在生产中使用Jincheng Zhang电子束曝光E-Beamn几十100；可获得最小尺寸: 14 nmn用于制造掩膜和刻线n可以直写, 不需要掩膜 效率很低Jincheng Zhang光刻总结n光刻：临时的图形转移过程nIC生长中最关键的工艺n需要：高分辨率、低缺陷密度n光刻胶：正和负n工艺过程：预烘、底胶旋涂、PR旋涂、前烘、对准、曝光、后烘PEB、显影、坚膜、检测n分辨率R与、NA的关系n下一代光刻技术

17、：EUV和电子束光刻Jincheng Zhang刻蚀定义n从晶圆表面去除一定材料n化学、物理过程或两者结合n选择性或覆盖刻蚀n选择性刻蚀转移光刻胶上的IC设计图形到晶圆表面n其它应用: 制造掩膜, 印制电路板, 艺术品, 等等Jincheng Zhang栅掩膜对准 Gate Mask AlignmentJincheng Zhang栅掩膜曝光 Gate Mask ExposureJincheng ZhangDevelopment/Hard Bake/InspectionJincheng ZhangEtch Polysilicon刻蚀多晶硅Jincheng ZhangEtch Polysilico

18、n 继续Jincheng ZhangStrip Photoresist 光刻胶剥离Jincheng Zhang离子注入Ion ImplantationJincheng Zhang快速热退火Rapid Thermal AnnealingJincheng Zhang刻蚀术语n刻蚀速率n选择比n刻蚀均匀性n刻蚀剖面n湿法刻蚀n干法刻蚀nRIE：反应离子刻蚀Jincheng Zhang刻蚀速率d = d0 - d1 () 厚度变化量；t 刻蚀时间 (min)PE-TEOS PSG薄膜, 1min 在6:1 BOE at 22 C,刻蚀前, t = 1.7 mm, 湿法刻蚀后, t = 1.1 mmJi

19、ncheng Zhang刻蚀均匀性n圆片上和圆片间的重复性nStandard Deviation Non-uniformity标准偏差不均匀性 N points measurementsnMax-Min Uniformity 最大最小均匀性Jincheng Zhang刻蚀选择比n选择性是指不同材料刻蚀速率之比n对底层的选择性，对光刻胶的选择性Jincheng Zhang刻蚀剖面各向异性各向同性各向异性，锥形各向异性，内切Jincheng Zhang刻蚀剖面各向异性，脚印各向异性，反脚印各向异性，反锥形各向异性，内切Jincheng Zhang湿法刻蚀n利用化学溶液溶解硅表面的材料n副产物是气体

20、、液体或可溶于刻蚀溶液的固体n三个基本过程：刻蚀、漂洗、干燥Jincheng Zhang湿法刻蚀n纯化学腐蚀过程n特点：各向同性剖面n优点：工艺简单，腐蚀选择性好；n缺点：钻蚀严重（各向异性差）， 难于获得精细图形n在尺寸大于3um的IC制造中广泛使用n在现代 IC制造仍然使用 硅片清洗 薄膜覆盖剥离 测试晶圆薄膜剥离和清洗Jincheng Zhang湿法刻蚀剖面 Wet Etch Profiles不能用于特征尺寸小于 3 mm，由 等离子体刻蚀替代Jincheng Zhang湿法刻蚀 SiO2n氢氟酸溶液 （HF Solution）n常用配方(KPR胶）：HF: NH4F: H2O=3ml:

21、6g:10ml (HF溶液浓度为48) HF ：腐蚀剂， SiO2+HFH2SiF6+H2O NH4F ：缓冲剂， NH4FNH3+HF n SiO2 + 6HF H2SiF6 + 2H2On广泛用于 CVD薄膜质量控制Jincheng Zhang湿法刻蚀 Si、Poly-SinHNO3-HF-H2O(HAC)混合液： HNO3：强氧化剂；HF：腐蚀SiO2； HAC：抑制HNO3的分解；n水或乙酸可以用于稀释蚀刻剂，降低刻蚀速率Jincheng Zhang湿法刻蚀 Silicon Nitriden热(150 to 200 C) 磷酸 H3PO4 溶液n对silicon oxide有高选择性n

22、用于 LOCOS and STI 氮化硅剥离Jincheng Zhang湿法刻蚀 Aluminumn溶液成分（示例）: 80% 磷酸, 5% 乙酸, 5% 硝酸, 和10 % 水；加热42 to 450Cn硝酸氧化Al， 同时磷酸去除氧化铝 。n乙酸降低刻蚀速率和硝酸的氧化速率Jincheng Zhang湿法刻蚀 Titaniumn (H2O2) ： (H2SO4) =1:1nH2O2 氧化Ti 形成 TiO2nH2SO4 与 TiO2 反应，同时去除nH2O2氧化Si和硅化物 形成SiO2nH2SO4 不与 SiO2反应Jincheng Zhang影响刻蚀速率的因素n温度Temperatur

23、en化学溶液浓度Chemical concentrationn刻蚀薄膜的组成Composition of film to be etchedJincheng Zhang湿法刻蚀的危险性nHFnH3PO3nHNO4n腐蚀性Corrosiven氧化剂Oxidizern特殊危险Special hazardJincheng Zhang湿法刻蚀的优点n高选择性n设备成本较低n批处理, 高产量Jincheng Zhang湿法刻蚀的缺点n各向同性n不能刻蚀3mm以下图形n化学品使用量高n化学品危险 液体腐蚀 烟熏 爆炸危险Jincheng Zhang干法刻蚀n优点： 各向异性腐蚀强； 分辨率高； 刻蚀3m以

24、下线条。n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 、；nPlasma Etch 等离子体刻蚀Jincheng Zhang干法刻蚀和湿法刻蚀的比较Jincheng Zhang等离子体（ Plasma）刻蚀na.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。 CF4 RF CF3*、CF2* 、CF* 、F* BCl3 RF BCl3* 、BCl2* 、Cl* b.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。n刻蚀气体： CF4 、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。Jincheng

25、Zhang溅射刻蚀na.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。n特点：各向异性好；选择性差。n刻蚀气体：惰性气体；Jincheng Zhang反应离子刻蚀 Reactive Ion Etch (RIE)n同时利用了等离子刻蚀和溅射刻蚀机制(化学刻蚀和物理刻蚀的结合) n活性离子反应离子轰击n刻蚀气体：与等离子体刻蚀相同n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n目前8英寸制造中所有图形都是由RIE刻蚀的Jincheng ZhangDielectric EtchnEtch oxide Doped and undoped silicate glass Contact (PSG or BPSG) Via (USG, FSG or low-k dielectric)nEtch nitride STI（浅槽隔离） Bonding pad（钝化层）Jincheng Zhan