光刻刻蚀课件

1、第七章 光刻Photolithography1 光刻是IC制造业中最为重要的一道工艺,占据了芯片制造中大约一半的步骤.光刻占所有成本的35% 通常可用光刻次数及所需掩模的个数来表示某生产工艺的难易程度。 一个典型的硅集成电路工艺包括1520块掩膜版2 集成电路的特征尺寸是否能够进一步减小，也与光刻技术的进一步发展有密切的关系。 通常人们用特征尺寸来评价一个集成电路生产线的技术水平。 所谓特征尺寸（CD：characteristic dimension）是指设计的多晶硅栅长，它标志了器件工艺的总体水平，是设计规则的主要部分。通常我们所说的0.13m,0.09m工艺就是 指的光刻技术所能达到最小线

2、条的工艺。3 光刻的定义光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。用照相复印的方法将掩模版上的图案转移到硅片表面的光刻胶上，以实现后续的有选择刻蚀或注入掺杂 光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构,从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。4两次图形转移：掩模板图形转移到光刻胶层（光刻）光刻胶层到晶圆层（刻蚀）5光刻的要求对光刻的基本要求： （1）高分辨率 （2）高灵敏度 （3）精密的套刻对准 （4）大尺寸硅片上的加工 （5）低缺陷 61. 高分辨率分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力，即

3、对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标志之一。随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越细，对分辨率的要求也越来越高。通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目来表示。R= 1/2L（线宽和线与线间空白宽度均为L）72.高灵敏度灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高产量,要求光刻周期越短越好，这就要求曝光时间越短越好，也就要求高灵敏度。3.精密的套刻对准集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，每次光刻都要相互套准。由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，因此，对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸的10左右。84.大尺寸硅片的加工提高了经济效益但是要在大面积的晶圆上实

4、现均匀的胶膜涂覆，均匀感光，均匀显影，比较困难高温会引起晶圆的形变，需要对周围环境的温度控制要求十分严格，否则会影响光刻质量5.低缺陷缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷9正光刻胶(Positive optical resist)负光刻胶(Negative optical resist)Resists are organic polymers that are spun onto wafersand prebaked to produce a film 0.5 - 1 mm thick.光刻胶又称光致抗蚀剂(Photo-Resist) ，根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，有7.1 关于光致

5、抗蚀剂10正性光刻胶Positive Optical Resist正胶的光化学性质是从抗溶解到可溶性。正胶曝光后显影时感光的胶层溶解了。现有VLSI工艺都采用正胶 11正胶机制曝光使感光材料(PAC)中分子裂解，被裂解的分子在显影液中很易溶解，从而与未曝光部分形成强烈反差。12负性光刻胶 Negative Optical resist负胶的光学性能是从可溶解性到不溶解性。负胶在曝光后发生交链作用形成网络结构，在显影液中很少被溶解，而未被曝光的部分充分溶解。13 小结：正性和负性光刻胶 正性光刻胶受光或紫外线照射后感光的部分发生光分解反应，可溶于显影液，未感光的部分显影后仍然留在晶圆的表面 负性

6、光刻胶的未感光部分溶于显影液中，而感光部分显影后仍然留在基片表面。正胶：曝光前不可溶，曝光后 可溶负胶：曝光前 可溶，曝光后不可溶 光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。因此光刻通常在黄光室（Yellow Room）内进行。14負光阻正光阻15负胶正胶IC主导正胶分辨率高于负胶16光刻胶由4种成分组成：树脂（聚合物材料）感光剂溶剂添加剂（备选）光刻胶的组成材料17树脂 树脂是一种惰性的聚合物，包括碳、氢、氧的有机高分子。用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。 对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚异戊二烯类型。是一种相互粘结的物质抗刻蚀的物质，如

7、图所示。18 正性胶的基本聚合物是苯酚甲醛聚合物，也称为苯酚甲醛树脂。如图所示。 在光刻胶中聚合物是相对不可溶的，用适当能量的光照后变成可溶状态。这种反应称为光溶解反应19固体有机材料（胶膜的主体）UV曝光后发生光化学反应，溶解性质发生改变正胶从不可溶到可溶负胶从可溶到不可溶树脂20光刻胶中的感光剂是光刻胶材料中的光敏成分。即对光能发生化学反应。如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光的敏感性差，而且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度，而且限制反应光的光谱范围，或者把反应光限制在某一波长的光。2122溶剂 光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶剂的目的是光刻胶处于液态，以便使光刻胶

8、能够通过旋转的方法涂在晶园表面。 绝大多数的溶剂在曝光前挥发，对于光刻胶的光化学性质几乎没有影响。 溶解聚合物 经过旋转涂布可得到薄光刻胶膜23添加剂 光刻胶中的添加剂通常是专有化学品，成份由制造商开发，但是由于竞争原因不对外公布。 主要在光刻胶薄膜中用来改变光刻胶的特定化学性质或光响应特性。如添加染色剂以减少反射。247.2 光刻工艺2526 为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必须进行表面处理，包括三个阶段：微粒清除、脱水和涂底胶。1 气相成底膜处理27第一步:微粒清除 目的：清除掉晶圆在存储、装载和卸载到片匣过程中吸附到的一些颗粒状污染物。 清除方法： 1）高压氮气吹除 2）化学湿法清洗：

9、酸清洗和烘干。 3）旋转刷刷洗 4）高压水流喷洗28第二步:脱水烘焙 目的：干燥晶圆表面，增加表面粘附性。 经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定的水分（亲水性表面），所以必须脱水烘焙使其达到清洁干燥（憎水性表面），以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。 29第三步 晶圆涂底胶1.增强光刻胶和晶圆的粘附力的方法：A：脱水烘焙 B：涂底胶2.用hexamethyldisilazane（HMDS）进行成膜处理 (HMDS:六甲基乙硅烷)3.要求： 在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺陷的光刻胶膜30四个步骤1.分滴：当硅片静止或者旋转的非常慢时，光刻胶被分滴在硅片上2.旋转铺开：快速加速硅片使光刻

10、胶伸展到整个硅片表面 3.旋转甩掉：甩掉多于的光刻胶，在硅片上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层。4.溶剂挥发：以固定转速继续旋转涂胶的硅片，直到溶剂挥发，光刻胶胶膜几乎干燥2.旋转涂胶（Spin-on PR Coating）313. 软烘（soft baking）因为光刻胶是一种粘稠体，所以涂胶结束后并不能直接进行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。烘焙后的光刻胶仍然保持“软”状态。但和晶园的粘结更加牢固。目的:去除光刻胶中的溶剂。 蒸发溶剂的原因： 1）溶剂吸收光，干扰了曝光中聚合物的化学反应。 2）蒸发溶剂增强光刻胶和晶圆的粘附力。32 时间和温度是软烘焙的参数， 不完全的烘焙在曝光过程中

11、造成图像形成不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移； 过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应，影响曝光。334.对准和曝光（Alignment） （Exposure ）对准是将掩膜版与与前道工序中已刻在硅片上的图形对准曝光是对准以后，将掩膜版和硅片曝光，把掩膜版图形转移到涂胶的硅片上,实现图形复制。345. 曝光后烘烤（PEB）（PEB，Post Exposure Baking） 目的：促进光刻胶的化学反应，提高光刻胶的粘附性并减少驻波。35 显影液溶解部分光刻胶 将掩膜上的图形转移到光刻胶上6. 显影（Development）三个基本步骤: 显影清洗干燥36a、显

12、影不完全（Incomplete Development）。表面还残留有光刻胶。显影液不足造成；b、显影不够（Under Development）。 显影的侧壁不垂直，由显影时间不足造成；c、过度显影（Over Development）。 靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。显影时间太长 显影的三个主要类型的问题： 不完全显影 显影不足 严重过显影。373839负光刻胶（Negative PR）显影 1）显影剂（developer solution）：二甲苯 2）冲洗化学品（rinse）：n-丁基醋酸盐 作用：快速稀释显影液，冲洗光刻胶 正光刻胶（Positive PR）显影 1）显影剂

13、：碱水溶液，氢氧化钠或氢氧化钾； 2）冲洗剂：水 正胶的显影工艺更加敏感，分辨率更高。正胶和负胶的显影40显影方法显影方式分为：湿法显影 干法（等离子）显影干法显影：液体工艺的自动化程度不高，并且化学品的采购、存储、控制和处理费用昂贵，取代液体化学显影的途径是使用等离子体刻蚀工艺，该工艺现已非常成熟。在此工艺中，离子从等离子体场得到能量，以化学形式分解暴露的晶园表面层。干法光刻显影要求光刻胶化学物的曝光或未曝光的之一易于被氧等离子体去除。41方法：热板，温度在120到150 ，烘烤12分钟 （比软烘温度高，但是也不能太高，否则光刻胶就会流动从而破坏图形）目的：a、完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂，以

14、免污染后续的离子注入环境（例如DNQ酚醛树脂光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂，使光刻胶颗粒分散到硅片表面）b、坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力；c、进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性；坚膜烘焙（后烘，硬烘） 后烘Postbaking；硬烘（Hard Baking） 42烘焙工艺 时间和温度仍然是主要的工艺参数，一般是制造商推荐，工艺工程师精确调整 常见问题：a、烘烤不足（Underbake）。减弱光刻胶的强度（抗刻蚀能力和离子注入中的阻挡能力）；降低与基底的黏附能力。b、烘烤过度（Overbake）。引起光刻胶的流动，使图形精度降低，分辨率变差。 光刻胶在高温下的流动4

15、3显影检验 光刻工艺的第一次质检，任何一次工艺过后都要进行检验，经检验合格的晶园流入下一道工艺，对显影检验不合格的晶园可以返工重新曝光、显影。显影检验的内容 图形尺寸上的偏差，定位不准的图形，表面问题（光刻胶的污染、空洞或划伤），以及污点和其他的表面不规则等。8. 显影后检查44图形检查 合格的硅片将被去除光刻胶返工 光刻胶的图形是临时性的 刻蚀和注入后的图形是永久的. 光刻是可以返工的 刻蚀和注入后能返工45光刻技术的主体是光刻机（曝光机、对准机），它是将掩模版上的图形与前道工序中已刻在硅片上的图形对准后，再对硅片表面的光刻胶进行曝光实现图形复制的设备。光刻机的三个主要性能指标: 1.分辨率

16、：是可以曝光出来的最小特征尺寸。通常指能分辨的并能保持一定尺寸容差的最小特征尺寸物理上的极限分辨率为/2。 2.套刻精度：是层间图形对准偏差的统计性度量，主要取决于光刻系统的图形定位和（掩模版和硅片的）支撑平台的移动控制精度。要求套刻精度的上限不超过分辨率的1/51/3。 3.产率：指每小时可加工的硅片数，是判断光刻系统性能的一个重要的指标，直接决定了集成电路芯片的制造成本。光刻机46光刻机的两大类型，即光学光刻机和非光学光刻机， 如图所示。光学 光刻机采用紫外 线作为光源，而 非光学光刻机的 光源则来自电磁 光谱的其他成分。 光刻机的主要组成：曝光光源、光学系统和支撑定位平台47曝光光源一般

17、要求： 短波长（波长越短，可曝光的特征尺寸越小）高强 （为了保持合适的曝光时间）高稳定性光源的产生： 高压汞灯 准分子激光器 X射线 电子束48汞灯光源在可见光和近紫外是有效的辐照源曝光光源从最初的紫外光波段的多波长汞灯光源，发展到G线光源、90年代中期，采用I线光源的光刻机成为主流机型。常见光源有：汞灯和准分子激光。另外，在先进或某些特殊场合也会用到其他曝光手段，如X射线、电子束和离子束等。 49为获得更高的清晰度，光刻胶被设计成只与汞灯光谱中很窄一段波长的光（称为深紫外区或DUV）反应。在深紫外（DUV，波长范围180nm330nm）波段范围内，准分子激光是最亮的光源。主要优点：输出的光波

18、波长短，强度高，数个脉冲就可以完成图形的曝光要求目前的主流技术中采用的是深紫外波段的KrF准分子激光光源和ArF准分子激光光源157nm的F2准分子激光光源和极紫外光（EUV，波长在100nm以下）光源50超UV光刻 (EUV:extreme ultraviolet)真空UV光刻 （VUV:vacuum ultraviolet）5152非光学光刻技术X-Ray光刻电子束(Ebeam)光刻离子束(Ionbeam)53曝光方法由于曝光光源的不同,曝光分为光学曝光,X射线曝光,电子束曝光和离子束曝光在光学曝光中,由于掩膜版的位置不同,又分为接触式曝光,接近式曝光和投影式曝光.曝光方式:一类是光源发出

19、的光线通过掩膜版把图案转移到光刻胶膜上,如投影式曝光另一类是把光源聚集成很细的射束,直接在光刻胶上扫描出图案(可以不用掩膜版),如电子束曝光54光学曝光方式：接触式曝光 Contact printing接近式曝光 Proximity printing投影式曝光 projection printing5556从早期的硅片制造以来光刻设备可以分为5代。接触式光刻机接近式光刻机扫描投影光刻机分步重复投影光刻机步进扫描投影光刻机57接触式曝光 Contact printingSiMaskP. R.SiO2优点：结构简单、产量高、成本低，光的衍射效应最小而分辨率高，特征尺寸小。主要缺点：掩膜与圆片直接接

20、触，掩膜寿命短 微粒污染58接近式曝光proximity printingd= 10 25 m 最小线宽: W= (d)1/2 d:间隔； ：光源波长分辨率取决于间隙的大小，一般分辨率较差，为24m59掩模版悬浮在硅片表面的氮气气垫上，通过改变进入的氮气流量控制间隙.由于掩模版和光刻胶之间存在一定的距离，经过掩模版后的光会发生衍射，从而使光刻的分辨率降低。优点：接近式曝光是以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命，掩膜寿命长（可提高10 倍以上），图形缺陷少。缺点：分辨率低，图形模糊，操作比较复杂d= 10 25 m 60投影式光刻机61利用透镜将掩膜版上的图形投影到衬底上避免了掩膜版与硅片表面的摩擦

21、，延长了掩膜版的寿命。掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多，一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作，克服了小图形制版的困难。消除了由于掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应投影式曝光虽有很多优点，但由于光刻设备中许多镜头需要特制，设备复杂为了提高分辨率，一次曝光的象场较小，采用扫描式曝光。 投影式曝光projection printing现在的工艺普遍采用投影式光刻机，投影式光刻具有下列特点62扫描投影曝光（Scanning Project Printing）步进重复投影曝光（stepper）（Stepping-repeating Project Printing或 Stepper）。步进扫描投

22、影曝光（scanner）（ Stepping Scanning ProjecPrinting）投影式曝光分类63扫描投影曝光（Scanning Project Printing）。70 年代末80 年代初，1m 工艺；掩膜板1：1，全尺寸；步进重复投影曝光（Stepping-repeating Project Printing 或称作Stepper）。80年代末90 年代，0.35m（I line）0.25m（DUV）。掩膜板缩小比例（4：1），曝光区域（Exposure Field）2222mm（一次曝光所能覆盖的区域）。增加了棱镜系统的制作难度。64扫描步进投影曝光（Scanning-St

23、epping Project Printing）。90 年代末至今，用于0.18m 工艺。采用6 英寸的掩膜板按照4：1 的比例曝光，曝光区域（Exposure Field）2633mm。优点：增大了每次曝光的视场；提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。65 光学曝光的各种曝光方式及其利弊接触式非接触式优点：设备简单，分辨率较高。缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低。接近式优点：掩模版寿命长，成本低。缺点：衍射效应严重，影响分辨率。投影式全反射折射优点：无像差，无驻波效应影响。缺点：光学系统复杂，对准困难。优点：对片子平整度要求低，可采用较大孔径的透镜以提高分辨率，掩模制造方便。缺

24、点：设备昂贵，曝光效率低。66X射线曝光电子束曝光离子束曝光先进的曝光技术674.电子束曝光分为投影式和扫描式 电子束曝光的特点：电子束曝光的精度较高。电子束的斑点可以聚焦的很小，可用计算机控制，精度远比肉眼观察要高。电子束曝光改变光刻图形十分简便。电子束曝光机是把各次曝光图形用计算机来完成扫描电子束曝光不要掩膜版。电子束曝光设备复杂，成本较高。真空中进行，清洁度高缺点是产量小681）曝光光源：X射线2）掩膜版：黄金或其他能挡住X射线的材料3）优点波长应用范围0.52nm，分辨率高焦深大，工艺宽容度大4）一般原理一种1：1的接近式光刻方法机械装置对准，用X射线光源使含有对X线透明和不透明区的掩

25、膜图形成像到涂有对X射线敏感的光刻胶的硅片表面，最终形成器件制作所需的图形。5.X射线曝光69 各种光源的比较 光谱 波长（nm) 掩模材料分辨率 紫外光UV365 436 玻璃/Cr0.5 m 深紫外光DUV193 248 石英/Cr、Al0.2 m 极紫外光EUV 10 15多涂层反射层/金属吸收层0.1 m X 射线 0.2 4Si、Si3N4、Al2O3/ Au、Pt、Os 等0.1 m 70 影响曝光质量的一些因素1.光刻胶厚度的不均匀 Resist thickness may vary across the wafer. This can lead to under or over

26、 exposure in some regions and hence linewidth variations.71 驻波的产生 振幅、频率、传播速度都相同的两列相干波，在同一直线上沿相反方向传播时叠加而形成的一种特殊的干涉现象.2.驻波效应(standing wave):72驻 波 的 形 成73 Reflective surfaces below the resist can set up reflections and standing waves and degrade resolution.74影响光刻质量在光刻胶曝光的过程中，入射光与反射光（在基底或者表面）之间会发生干涉。这种相

27、同频率的光波之间的干涉，在光刻胶的曝光区域内出现相长相消的条纹。光刻胶在显影后，在侧壁会产生波浪状的不平整的现象叫驻波效应75驻波效应入射光和反射光的干涉，是干涉的特例周期性的过曝光和曝光足影响光刻胶的分辨76 In some cases an anti reflection coating (ARC) can helpto minimize these effects. Baking the resist afterexposure, but before development can also help.抗反射层(Anti Reflection Coating, ARC)曝光后烘烤（PE

28、B）减少驻波效应的2个途径77PEB： Post Exposure Bake也叫曝后烤 PEB的温度一般要比Soft bake的温度高1520度。PEB的主要目的是降低stand wave,因为photo-resist在被曝光后，高分子长链断裂成短链，形成光酸，由于光学特性，光酸的分布将不会那样均匀，在入射光与反射光相干加强的区域浓度高，而在相消的区域浓度低，PEB就是借助适当的热处理让光酸浓度扩散均匀分布。比较典型的温度是110度左右。 7879 光刻光学 (optics of lithography)基本光学概念数值孔径分辨率焦深801.数值孔径(Numerical Aperture NA

29、)光学系统的数值孔径描述透镜收集衍射光以及 把它投影到硅片上的能力n是透镜到硅片间的介质折射率空气为181增加数值孔径，可以把更多的衍射光汇聚到一点成像，数值孔径越大，图像越清晰。822.分辨率-Resolution一般来说，最小线宽R K1,表示特殊应用的因子，取决光刻系统和光刻胶的性质K10.60.883提高分辨率，减小最小线宽的方法：减小波长 需要改进光源 UV到DUV, 到EUV, 到X-Ray采用高数值孔径的光学系统(大透镜） 大的透镜, 可能太贵实用84853.焦深DOF （Depth of focus ）焦点周围的一个范围，在这个范围内图像连续的保持清晰，这个范围称做焦深或DOF

30、。投影光学系统可清晰成象的尺度范围 焦点是沿透镜中心出现最佳图像的点。焦深是焦点上面和下面的范围，焦深应该穿越光刻胶的上下表面86描述焦深的方程是 若采用高数值孔径的光学系统(大透镜），会使焦深变差，但是分辨率会提高，因此分辨率和焦深是一对矛盾，它们是对图像起关键作用的两个因素。RNA越小，焦深越大，差的分辨为提高分辨，减少波长的方法比增加NA好871.光刻的定义，目的是什么？对光刻工艺的基本要求是什么？2.光刻胶的分类？区别（每种光刻胶的优缺点）？4.光刻胶的组成材料？各部分的作用？5.光刻的基本步骤6.曝光光源？下一代曝光光源？7.影响曝光质量的因素？8.什么是驻波效应？如何减少驻波效应？

31、9.曝光方式都有哪些？10.显影的三个主要类型的问题？显影的方法？11.基本光学概念？12.如何提高分辨率？焦深和分辨率之间的关系？第七章 光刻88特征尺寸 CD光刻胶，光致抗蚀剂，光阻(PR:Photo Resist)对准 Alignment 曝光 Exposure显影 Development烘烤 bake驻波效应(standing wave)抗反射层 ARC负光刻胶（Negative PR）正光刻胶（Positive PR）数值孔径 NA分辨率-Resolution焦深 DOF英汉互译89刻 蚀 Etch 90 定义：为获得器件的结构必须把光刻胶的图形转移到光刻胶下面的各层材料上面去。 目

32、的：刻蚀的主要内容就是把经曝光、显影后光刻胶微图形中下层材料的裸露部分去掉，即在下层材料上重现与光刻胶相同的图形。 刻蚀刻蚀是用物理或者化学的方法有选择的从硅片表面除去不需要的材料的过程9192VLSI对刻蚀的要求93刻蚀偏差保真度选择比均匀性刻蚀速率刻蚀剖面清洁度941.刻蚀偏差95刻蚀的方向性(etch directionality)衡量不同方向上的相对刻蚀速率横向(lateral), 纵向(vertical)各向同性刻蚀(Isotropic etch)在所有方向刻蚀速率相同(一般针对化学反应）各向异性刻蚀(Anisotropic etch)在不同方向刻蚀速率不同。（一般针对物理刻蚀，如溅

33、射等）刻蚀的方向性(directionality)9697dmdmdfdfdfdmA=|dfdm| / 2h 1A 0横向速率越小，保真度越高，即掩膜版上的图形可以不失真的转移到硅片表面2.保真度9899(a) 各向异性腐蚀的极端情况，无横向腐蚀(b) 垂直腐蚀和横向腐蚀相等，腐蚀图形的边缘 形状为1/4圆弧 一般是介于(a) (b)之间钻蚀：掩膜材料下的侧向腐蚀1003.选择比掩膜选择性衬底选择性101 高选择比意味着只刻除想要刻去的那一层材料。所以选择比要求越高越好！ 如SiO2的刻蚀中对光刻胶和硅的腐蚀速率很低对SiO2的腐蚀速率很高102刻蚀的选择比Rf : 对薄膜(film)的刻蚀速

34、率Rm：对掩膜版(mask)或衬底的刻蚀速率一般要求Sfm25-50之间比较合理。S值的大小和工艺参数相关：湿法刻蚀过程：和腐蚀剂浓度、温度等 有关干法刻蚀过程：和等离子体参数、气压、气体流量等有关103Usually highly anisotropic (almost vertical profiles) and highly selective etching (ratios of 25-50) are desired, but these can be difficult to achieve simultaneously.通常希望有高异性度 ( 几乎垂直的剖面 )和高选择性 ( 刻蚀

35、比为25-50 ), 当然很难同时做到104Illustration of undercutting (directionality) and selectivity issues.最重要的问题是选择性和方向性Usually selectivity, and directionality are the first order issues.2幅图各说明什么问题？105刻蚀在横向(lateral)和纵向(Vertical)同时发生。会出现光刻胶的钻蚀(undercutting)刻蚀剂会腐蚀衬底从而改变衬底形貌Actual etch profiles. A.Lateral etching und

36、er mask. B. Rounded photoresist which is further eroded during etching, leading to even more lateral etching. B also illustrates etch selectivity.方向性选择性1064.1075.刻蚀速率是指在刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度，通常用埃/分钟表示（刻蚀窗口的深度称为台阶高度）108刻蚀速率正比于刻蚀剂的浓度。硅片表面几何形状等因素都能影响硅片与硅片之间的刻蚀速率。负载效应：当被刻蚀材质裸露在反应气体、等离子体或溶液时，面积较大者刻蚀速率比面积较小者慢的

37、情形。即：刻蚀速率随着被刻蚀薄膜暴露的面积而下降。Why？原因：反应物质在面积较大的区域中被消耗掉的程度较为严重，导致反应物质浓度降低，而刻蚀速率与浓度成正比。一般具有高深宽比硅槽的刻蚀速率要比具有低深宽比硅槽的刻蚀速率慢，这一现象为深宽比相关刻蚀(ARDE)1096.刻蚀剖面指被刻蚀图形的侧壁形状两种刻蚀剖面：各向同性和各向异性刻蚀剖面各向同性刻蚀剖面：所有方向上以相同的刻蚀速率进行刻蚀，导致被刻蚀材料在掩膜材料下面产生钻蚀而形成。（湿法刻蚀）（会产生线宽损失）110各向同性刻蚀剖面：刻蚀只在垂直于硅片表面的方向进行，只有很少的横向刻蚀1117.洁净度 超大规模集成电路的图形非常精细，在刻蚀

38、过程中任何人为引入的污染，既影响图形转移的精度，也会增加刻蚀后清洗的复杂性。因此需要防止沾污问题。112ULSI对刻蚀的要求得到满意的剖面(desired profile)最小的过腐蚀(undercut) 或偏差 (bias)选择性好（Selectivity)均匀性好，可重复性好 (Uniform and reproducible)对表面和电路损伤最小(Minimal damage to surface and circuit)干净、安全、经济 (Clean, safe and economical)要兼顾选择性和方向性,优化刻蚀工艺113两种刻蚀技术114Wet Etching-substr

39、ates are immersed in a reactive solution.The layer to be etched is removed by chemical reaction .The reaction products must be soluble and are carried away by the etchant solutionDry etching-Substrates are immersed in a reactive gas (plasma).The layer to be etched is removed by chemical reactions an

40、d/or physical means (ion bombardment).The reaction products must be volatile and are carried away in the gas stream.115湿法刻蚀： 利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法（湿化学腐蚀法）干法刻蚀： 主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用来进行图案转移（pattern transfer）而达到刻蚀的目的116（1）湿法刻蚀 湿法刻蚀是将被刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的技术， 这是

41、各向同性的刻蚀方法，利用化学反应过程去除待刻蚀区域的薄膜材料。117湿法刻蚀，又称湿化学腐蚀法。半导体制造业一开始，湿法腐蚀就与硅片制造联系在一起。现在湿法腐蚀大部分被干法刻蚀代替，但在漂去氧化硅、除去残留物、表层剥离以及大尺寸的图形腐蚀应用方面起着重要作用。尤其适合将多晶硅、氧化物、氮化物、金属与族化合物等作整片的腐蚀。118 优点：1、应用范围广，适用于几乎所有材料。 2、选择性强 3、设备简单成本低，重复性好，适于大批量加工，效率高。 4、对器件不会带来等离子体损伤湿法刻蚀 缺点：1、一般为各向同性腐蚀，容易出现侧向钻蚀。 2、由于液体存在表面张力，不适宜于腐蚀极细的线条。 3、化学反应

42、时往往伴随放热与放气，导致腐蚀不均匀。 4、需花费较高成本的反应溶液及去离子水； 5、化学药品处理时人员所遭遇的安全问题；119（2）干法刻蚀120何谓等离子体？121等离子体作用过程裂解：e*+AB=A+B+e原子离子化：e*+A=A+e+e分子离子化：e*+AB=AB+e+e原子激发：e*+A=A*+e分子激发：e*+AB=AB*+e122干法刻蚀:利用等离子体与硅片发生物理或化学反应（或两种反应）除去暴露的表面材料。123124PE刻蚀125126127128各种干法刻蚀的比较129常用材料的湿法刻蚀1301.二氧化硅湿法刻蚀采用氢氟酸溶液加以进行。因为二氧化硅可与室温的氢氟酸溶液进行反

43、应，但却不会蚀刻硅基材及多晶硅。反应式如下： SiO2 + 6HF H2SiF6 + 2H2O由于氢氟酸对二氧化硅的蚀刻速率相当高，在制程上很难控制，因此在实际应用上都是使用稀释后的氢氟酸溶液，或是添加氟化铵（NH4F）作为缓冲剂的混合液，来进行二氧化硅的蚀刻。131132影响二氧化硅腐蚀速率的因素1.温度一定，SiO2的腐蚀速率取决于腐蚀液的配比及二氧化硅的掺杂浓度（二氧化硅除了纯二氧化硅外，尚有含有杂质的二氧化硅如BPSG等 ）掺磷浓度越高，腐蚀速率越快；掺硼浓度越高，腐蚀速率越慢2.温度越高，腐蚀速率越快3.搅拌可以加速腐蚀速率4.高温热成长的氧化层较以化学气相沉积方式的氧化层蚀刻速率慢

44、，因其组成结构较为致密。1332.铝刻蚀铝或铝合金的湿式蚀刻主要是利用加热的磷酸、硝酸、醋酸及水的混合溶液加以进行 典型的比例为80%的磷酸、5%的硝酸（提高腐蚀速率，但是不能太多，否则影响光刻胶的抗蚀能力）、 5% 的醋酸（提高腐蚀的均匀性）及10%的水。加热的温度约在35C-45C左右温度越高蚀刻速率越快，一般而言蚀刻速率约为1000-3000 /min，而溶液的组成比例、不同的温度及蚀刻过程中搅拌与否都会影响到蚀刻的速率。在刻蚀AL的过程中有氢气泡产生，这些气泡会附着在铝的表面而局部的抑制刻蚀的进行，造成刻蚀不均匀。可以通过搅拌和添加催化剂来降低界面张力以避免这种问题的发生1343.硅和

45、多晶硅的刻蚀135上述反应中可添加醋酸作为缓冲剂(Buffer Agent)，以抑制硝酸的电离。蚀刻速率的调整可改变硝酸与氢氟酸的比例，并配合醋酸添加与水的稀释加以控制蚀刻溶液对于不同硅晶面的蚀刻速率不同 （111）晶面比（110）与（100）每单位面积拥有更多的化学键，因此（111）晶面腐蚀的速率较慢1364.氮化硅刻蚀137其刻蚀速率与氮化硅的生长方式有关以PECVD方式形成的氮化硅，由于组成结构(SixNyHz相较于Si3N4) 较以高温LPCVD方式形成的氮化硅为松散，因此蚀刻速率快许多。但在高温热磷酸溶液中光阻易剥落，因此在作氮化硅图案蚀刻时，通常利用二氧化硅作为屏蔽。一般来说，氮化

46、硅的湿式蚀刻大多应用于整面氮化硅的剥除。对于有图案的氮化硅蚀刻，最好还是采用干式蚀刻为宜。138常见湿法刻蚀技术 腐蚀液被腐蚀物H3PO4(85%):HNO3(65%):CH3COOH(100%):H2O:NH4F(40%）=76：3：15：5：0.01AlNH4(40%):HF(40%)=7:1SiO2,PSGH3PO4(85%)Si3N4HF(49%):HNO3(65%):CH3COOH(100%)=2:15:5 SiKOH(3%50%)各向异向SiNH4OH:H2O2(30%):H2O=1:1:5HF(49%):H2O=1:100Ti ,CoHF(49%):NH4F(40%)=1:10TiSi2139常用材料的干法刻蚀140氧化物的等离子体刻蚀通常采用氟碳化合物化学气体。常用的有CF4，CHF3,C2F6,C3F8以CF4为例， CF4被等离子体内的高能电子轰击，产生各种离子、原子团或原子化学反应后，SiO2的Si原子和F原子生成具有挥发性的SiF4 (反应见课本)反应中会加入少量的氧气或者H2二氧化硅的干法刻蚀1411.反应中氧气的作用在等离子体中加入少量氧气，氧被离解成各种粒子其中氧原子与CF4反应生成CO,CO2,COF2（氟光气），生成物消耗碳，使氟原子对碳原子之比上升SiO2的刻蚀速率与F原子数目有关，因此加入少量的氧气后使