第8章 光刻与刻蚀工艺

集成电路制造工艺东华理工大学彭新村xcpeng@ecit.c8章

光刻与刻蚀工艺光刻的重要性及要求1光刻工艺流程23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光刻工艺的分辨率及光刻胶东华理工大学光刻与刻蚀的定义光刻工艺的重要性：IC设计流程图，光刻图案用来定义IC中各种不同的区域，如：离子注入区、接触窗、有源区、栅极、压焊点、引线孔等主流微电子制造过程中，光刻是最复杂，昂贵和关键的工艺，占总成本的1/3，一个典型的硅工艺需要15-20块掩膜，光刻工艺决定着整个IC工艺的特征尺寸，代表着工艺技术发展水平。图形加工图形曝光（光刻，Photolithography）图形转移（刻蚀，Etching）东华理工大学ULSI中对光刻的基本要求高分辨率高灵敏度的光刻胶低缺陷精密的套刻对准对大尺寸硅片的加工东华理工大学§8.1光刻工艺流程涂胶前烘曝光

显影后烘

刻蚀去胶东华理工大学预烘及涂增强剂去除硅片表面的水分增强与光刻胶的黏附力（亲水性，疏水性）温度一般为150～750℃之间可用涂覆增强剂（HMDS，六甲基乙硅氧烷）来增加黏附性东华理工大学涂胶（旋涂法）目的：形成厚度均匀、附着力强、没有缺陷的光刻胶薄膜方法：旋涂法东华理工大学前烘目的：使胶膜内溶剂充分挥发，干燥，降低灰尘污染增加胶膜与下层膜的黏附性及耐磨性区分曝光区和未曝光区的溶解速度方法：干燥循环热风红外线辐射热平板传导（100℃左右）东华理工大学显影目的：显现出曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形正胶：感光区域显影溶解，所形成的是掩膜板图形的正映像

负胶：反之方法：喷洒显影液静止显影漂洗、旋干东华理工大学曝光后烘培目的：降低驻波效应，形成均匀曝光东华理工大学后烘（坚膜）目的：除去光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对硅片的附着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减少光刻胶层中的缺陷（如针孔），修正图形边缘轮廓方法：高温处理（150℃左右）光学稳定（UV照射)东华理工大学刻蚀目的：选择性地将未被光刻胶掩蔽的区域去除方法：干法刻蚀湿法刻蚀质量指标：分辨率；选择性东华理工大学去胶目的：将经过刻蚀的硅片表面留下的光刻胶去除方法：干法去胶（等离子体去胶、紫外光分解去胶）湿法去胶（无机溶液去胶、有机溶液去胶）东华理工大学§8.2分辨率(Resolution)定义：分辨率R表示每mm内能刻蚀出可分辨的最多线条数，即每mm内包含有多少可分辨的线对数东华理工大学光刻胶的组成聚合物材料（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感光材料（PAC）：控制或调整光化学反应，决定着曝光时间和剂量溶剂：将树脂溶解为液体，使之易于涂覆添加剂：染色剂等东华理工大学正胶与负胶负胶的缺点：树脂的溶涨降低分辨率溶剂（二甲苯）造成环境污染东华理工大学对比度光刻胶膜厚——曝光剂量响应曲线对比度：

正胶：负胶：对比度越高，侧面越陡，线宽更准确对比度高，减少刻蚀过程中的钻蚀效应，提高分辨率东华理工大学其他特性光敏度膨胀性抗刻蚀能力和热稳定性黏着力溶解度和黏滞度微粒含量和金属含量储存寿命理想曝光图形与实际图形的差别东华理工大学§8.4曝光系统曝光系统光学曝光系统非光学曝光系统紫外（UV）深紫外（DUV）电子束曝光系统X射线曝光系统离子束曝光系统东华理工大学紫外（UV）光源水银弧光灯光源i线（365nm）h线（405nm）g线（436nm）

缺点：能量利用率低（2％）准直性差东华理工大学深紫外（DUV）光源KrF、ArF、F2准分子激光器优点：更高有效能量，各向异性，准直，波长更小，空间相干低，分辨率高缺点：带宽宽，脉冲式发射，能量峰值大，损伤东华理工大学曝光方式（Exposure）曝光方式遮蔽式Shadesystem投影式projectionsystem接触式Contactprinter接近式proximityprinter东华理工大学接触式曝光(contactprinter)

接触式曝光S=0，分辨率得到提高（1－3um)尘埃粒子的产生，导致掩膜版的损坏，降低成品率东华理工大学接近式曝光（proximityprinter）

接近式曝光（>3um）最小线宽LCD=1.4(Sλ)1/2减少了掩膜版的损坏，但分辨率受到限制东华理工大学投影式曝光(projectionsystem)最小尺寸：Lmin＝0.61λ/NA（亚微米级工艺）优点：样品与掩膜版不接触，避免缺陷产生掩膜板不易损坏，可仔细修整缺点：结构复杂，工艺要求高，产率低扫描方式：1：1步进重复M：1缩小的步进重复东华理工大学提高分辨率的方法离轴照明提高分辨率优化焦深扩大调焦范围曝光曝光接触孔和通孔，需要更深聚焦深度化学增强的深紫外光刻胶常规基体：PAG，保护剂，改良剂（易污染，更深UV难应用）深紫外基体：PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，抗蚀力不强，短储存时间）东华理工大学§8.5掩膜版的制造石英板热扩散系数小，刻写过程中受T影响小对248，193nm波长通透性好铬层刻蚀和淀积相对容易对光线完全不透明掩膜版保护膜东华理工大学X射线曝光类似接近式曝光更大的粒子质量，更高的分辨率纯的X射线源难以得到掩模版的制备存在挑战在实际生产中难以应用东华理工大学电子束直写式曝光主要用于掩模版的制备能达到最小的几何尺寸:0.014um能够直写，无需掩模版邻近效应导致分辨率下降产率低东华理工大学§8.6ULSI对图形转移的要求东华理工大学湿法刻蚀优缺点各向同性选择性好东华理工大学典型薄膜的湿法刻蚀Si的湿法刻蚀常规腐蚀：硝酸＋氢氟酸＋水定向腐蚀：KOH水溶液＋异丙醇东华理工大学SiO2的湿法腐蚀氢氟酸＋氟化氨缓冲溶液Si3N4的湿法腐蚀热磷酸东华理工大学§8.8干法刻蚀干法刻蚀等离子刻蚀：化学反应，高速率，高选择比，低缺陷，但各向同性溅射刻蚀（粒子铣）：物理溅射，各向异性，低选择比，高缺陷反应粒子刻蚀：化学和物理双重作用，各性能介于二者之间利用等离子激活的化学反应或者利用高能离子束轰击完成去除物质的方法东华理工大学等离子刻蚀的工艺过程东华理工大学共同点：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不同点：刻蚀系统压力：等>反>溅；温度：等>反>溅；功率：反之；气流等相关可控参数。刻蚀机制：等离子刻蚀:（化学反应）产生－扩散－吸附－反应－解吸溅射刻蚀:（物理溅射）产生－加速－轰击－溅射－排除东华理工大学二氧化硅和硅的干法刻蚀高压等离子刻蚀CF4+eCF3+F（自由基）+eSiO2+4FSiF4（气）+O2Si+4FSiF4（气）加入氧气对刻蚀的影响：刻蚀Si和SiO2的速度都加快，且Si刻蚀速度增加更快，降低SiO2/Si刻蚀的选择性加入氢气对刻蚀的影响：对SiO2的刻蚀影响不大，但可减小对Si的刻蚀速度，增加SiO2/Si刻蚀的选择性东华理工大学增加氢增加氧东华理工大学聚合物的形成和侧壁保护东华理工大学§8.9刻蚀速率离子能量和入射角气体成分气体流速温度压力、功率密度负载效应离子加速反应机理：离子轰击产生损伤或缺陷离子轰击直接离解反应剂分子离子轰击可清除表面不挥发性的