光刻与刻蚀工艺课件

1、微电子工艺学Microelectronic Processing,content,1.概述 2.薄膜 3.CMOS flow简介 4.fail module 简介 5.,1.1 概述,diffusion,implant,PVD,CVD,EPI,Litho/photo,Dry etch,wet etch/strip,scrubber,CMP,离子注入概述,最早应用于原子物理和核物理研究 提出于1950s 1970s中期引入半导体制造领域,离子注入,离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中（称为 “靶” ）而实现掺杂。,离子

2、束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或磁场偏转，能在高压下加速而获得很高的动能。 离子束的用途 掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切割等。不同的用途需要不同的离子能量 E ： E 50 KeV，注入掺杂,离子束的性质,离子束加工方式可分为 1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束（FIB）方式）,掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工艺的掩蔽膜必须是 SiO2 膜，而离子注入的掩蔽膜可以是 SiO2 膜，也可以是光刻胶等其他薄膜。 掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是 生产效率高，设备相对简单

3、，控制容易，所以应用比较早，工艺比较成熟。缺点是 需要制作掩蔽膜。,1、掩模方式（投影方式）,聚焦方式的优点是 不需掩模，图形形成灵活。缺点是 生产效率低，设备复杂，控制复杂。实现聚焦方式的关键技术是 1、高亮度小束斑长寿命高稳定的离子源； 2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的离子光学系统。,2、聚焦方式（扫描方式),7.1 离子注入系统,离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。 质量分析器：不同离子具有不同的电荷质量比，因而在分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。 加速器：为高压静电场，用来对离子束加速

4、。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。 中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。,聚焦系统：用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束。 偏转扫描系统：用来实现离子束 x、y 方向的一定面积内进行扫描。 工作室：放置样品的地方，其位置可调。,离子注入系统示意图,离子注入系统事物图,一、离子源 作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。 分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。,掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体型离子源，其典型的有效源尺寸为 100 m ，亮度为 10 100 A/cm2.sr。 聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离

5、子源（LMIS）出现后才得以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为 5 500 nm，亮度为 106 107 A/cm2.sr 。,1、等离子体型离子源,这里的 等离子体 是指部分电离的气体。虽然等离子体中的电离成分可能不到万分之一，其密度、压力、温度等物理量仍与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。,产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。,2、液态金属离子源（LMIS）,LMIS 是近几年发展起来的一种高亮度小束斑的离

6、子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成 纳米量级的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技术得以实现。此技术可应用于离子注入、离子束曝光、刻蚀等。,LMIS 的类型、结构和发射机理,针形,V 形,螺旋形,同轴形,毛细管形,液态金属,钨针,类型,对液态金属的要求 (1) 与容器及钨针不发生任何反应； (2) 能与钨针充分均匀地浸润； (3) 具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不蒸发。 能同时满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn 等少数几种，其中 Ga 是最常用的一种。,E1 是主高压，即离子束的加速电压；E2 是针尖与引出极之间的电压，用以调节针尖表面上液态金属

7、的形状，并将离子引出；E3 是加热器电源。,E1,E2,E3,针尖的曲率半径为 ro = 1 5 m，改变 E2 可以调节针尖与引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径 仅有 10 nm 的数量级，这就是 LMIS 能产生小束斑离子束的关键。,引出极,当 E2 增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（ Ga 的场蒸发值为 15.2V/nm）时，液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离，发射金属离子与电子。其中电子被引出极排斥，而金属离子则被引出极拉出，形成离子束。 若改变 E2 的极性 ，则可排斥离子而拉出电子，使这种源改变成电子束源。,E1,E2,E3,引出极,共晶合金

8、LMIS 通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽压高而无法制成单体 LMIS 。,根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压。,例如，金和硅的熔点分别为 1063oC 和 1404oC，它们在此温度时的蒸汽压分别为 10-3 Torr 和 10-1 Torr。当以适当组分组成合金时，其熔点降为 370 oC ，在此温度下，金和硅的蒸汽压分别仅为 10-19 Torr 和 10-22 Torr。这就满足了 LMIS 的要求。 对所引出的离子再进行质量分析，就可获得所需的离子。,二、质量分

9、析系统 1、 质量分析器 由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成，E 与 B 的方向相互垂直。,O,光阑,离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的 荷质比 qo 为,对于某种荷质比为 qo 的所需离子，可通过调节偏转电压 Vf 或偏转磁场 B ，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑。,通常是调节 Vf 而不是调节 B。,当荷质比为 qo 的离子不被偏转时，具有荷质比为qs = q/ms 的其它离子的偏转量 Db 为,将前面的 B 的表达式 代入 Db ，得,讨论 (1) 为屏蔽荷质比为 qs 的离子，光阑半径 D 必须满足,(2) 若 D 固定，则具有下列荷质比 的离子可被屏蔽，,而满足

10、下列荷质比的离子均可通过光阑，,以上各式可用于评价 质量分析器的分辨本领。,2、磁质量分析器,光阑1,光阑2,为向心力，使离子作圆周运动，,半径为,从上式可知，满足荷质比 的离子可通过光阑 2。,或者对于给定的具有荷质比为 qo 的离子，可通过调节磁场 B 使之满足下式，从而使该种离子通过光阑 2，,另外，若固定 r 和 Va ，通过连续改变 B ，可使具有不同荷质比的离子依次通过光阑 2，测量这些不同荷质比的离子束流的强度，可得到入射离子束的质谱分布。,其余的离子则不能通过光阑 2，由此达到分选离子的目的。,两种质量分析器的比较 在 质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出的离子束中容易含

11、有中性粒子。磁质量分析器则相反，所需离子要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。,离子注入过程：入射离子与半导体（靶）的原子核和电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在某处。,7.2 平均投影射程,射程：离子从入射点到静止点所通过的总路程。 平均射程：射程的平均值，记为 R 。 投影射程：射程在入射方向上的投影长度，记为 xp 。 平均投影射程：投影射程的平均值，记为 RP 。 标准偏差：,平均投影射程与初始能量的关系,由此可得平均投影射程为,入射离子能量损失的原因是受到 核阻挡 与 电子阻挡。,核阻挡,电子阻挡,一个入射离子在 dx 射程内，由于

12、与核及电子碰撞而失去的总能量为,Se 的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。,Sn 的计算比较复杂，而且无法得到解析形式的结果。下图是数值计算得到的曲线形式的结果。,Sn = Se,(2) 当 E0 远大于 E2 所对应的能量值时，Sn Se ，以电子阻挡为主，此时散射角较小，离子近似作直线运动，射程分布较集中。随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，离子射程的末端部分又变成为折线。,(1) 当入射离子的初始能量 E0 小于 E2 所对应的能量值时， Sn Se ，以核阻挡为主，此时散射角较大，离子运动方向发生较大偏折，射程分布较为分散。,在实际工作中，平均投影射程 RP ()

13、及标准偏差 RP ()与注入能量 (KeV) 的关系可从下图 （下表）查到。,7.3 离子注入的特点,1.特点 可以独立控制杂质分布（离子能量） 和杂质浓度（离子流密度和注入时间） 各向异性掺杂 容易获得高浓度掺杂 （特别是：重杂质原子，如P和As等）。,2.离子注入与扩散的比较,扩散,离子注入,2.注入与扩散的比较,3.离子注入控制,离子束流密度和注入时间控制杂质浓度 （注入离子剂量） 离子能量控制结深 杂质分布各向异性,4.阻止机制,典型离子能量：5500keV 离子注入衬底，与晶格原子碰撞，逐渐损失其能量，最后停止下来 两种阻止机制：核碰撞和电子碰撞,核阻止 与晶格原子的原子核碰撞 大角

14、度散射（离子与靶原子质量同数量级） 可能引起晶格损伤（间隙原子和空位）. 电子阻止 与晶格原子的自由电子及束缚电子碰撞 注入离子路径基本不变 能量损失很少 晶格损伤可以忽略,4.阻止机制,两种阻止机制,4.阻止机制,总的阻止本领： Stotal = Sn + Se Sn: 核阻止, Se: 电子阻止,低能区：核阻止本领占主要 中能区：两者同等重要 高能区：电子阻止本领占主要 固体中的电子可以看为电子气，电子阻止类似于黏滞气体的阻力，电子阻止本领与注入离子速度成正比；,空气阻力与速度的平方成正比,4.阻止机制,背散射,沟道,自由碰撞,阻止本领与离子速度,阻止本领,核阻止,电子阻止,离子速度,注入

15、离子分布,RP：投影射程，射程的平均值,阻挡 200keV 离子束的阻挡层厚度,典型能量：5500KeV,掩膜厚度,5.注入过程:注入通道, 如果入射角度恰好，离子能够在不和晶格原子碰撞的情况下运动很远距离 会引起不可控的杂质分布,大量碰撞,很少碰撞,6.沟道效应,沟道中核阻止很小，电子密度也很低,碰撞后引起的沟道效应,碰撞后形成的沟道效应,碰撞引起,沟道引起,碰撞引起,注入过程: 沟道效应, 避免沟道效应的方法 倾斜圆片, 7最常用 屏蔽氧化层（无定形） 注入前预先无定型处理 阴影效应 离子受到掩膜结构阻挡 旋转圆片和注入后扩散,7.阴影效应,粒子束,阴影效应消除,问题,为什么不利用沟道效应

16、在离子能量不高的情况产生深结？,答案,离子束不是完美地平行。许多离子注入衬底后会发生许多次核碰撞，只要少数一些会进入很深的距离。,7.4 注入损伤,注入离子将能量转移给晶格原子 产生自由原子（间隙原子空位 缺陷对） 自由原子与其它晶格原子碰撞 使更多的晶格原子成为自由原子 直到所有自由原子均停止下来，损伤才停止 一个高能离子可以引起数千个晶格原子位移,一个离子引起的晶格损伤,轻离子,重离子,注入损伤过程,离子与晶格原子碰撞，使其脱离晶格格点 衬底注入区变为无定型结构,注入前,注入后,7.5退火的作用,杂质原子必须处于单晶结构中并与四个Si原子形成共价键才能被激活 ，donor (N-type)

17、 或acceptor (P-type) 高温热能帮助无定型原子恢复单晶结构,热退火,晶格原子,杂质原子,热退火,晶格原子,杂质原子,热退火,晶格原子,杂质原子,热退火,晶格原子,杂质原子,退火前后的比较,退火前,退火后,快速热退火 (RTA),高温下, 退火超越扩散 RTA (RTP) 广泛用于注入后退火 RTA 很快 (小于1分钟), 更好的片间（WTW）均匀性, 最小化杂质扩散,RTA和炉退火,RTP退火,炉退火,问题,高温炉的温度为什么不能象RTA系统那样快速升温和降温？,答案,高温炉有很大的热容积，需要很高的加热功率去获得快速升温。很难避免快速升温时大的温度摆动（温度过冲和下冲）,7.

18、6注入工艺,粒子束路径,离子注入: Plasma Flooding System, 离子引起晶圆表面充电 晶圆表面充电引起非均匀掺杂和弧形缺陷 电子注入离子束中，中和晶圆表面电荷 热钨灯丝发射的热电子产生Ar等离子体（Ar+和电子）,7.7晶圆表面充电,注入离子使晶圆表面带正电 排斥正离子，引起离子束弯曲，造成不均匀杂质分布 电弧放电引起晶圆表面损伤 使栅氧化层击穿，降低工艺成品率 需要消除和减弱充电效应,充电效应,离子轨道,电荷中和系统,需要提供电子中和正离子； Plasma flooding system 电子枪 电子喷头,Plasma Flooding System,Wafer Hand

19、ling,Ion beam diameter: 25 mm (1”), Wafer diameter: 200 mm (8”) or larger Needs to move beam or wafer, or both, to scan ion beam across the whole wafer Spin wheel Spin disk Single wafer scan,Spin Wheel,Spin Disk,Single Wafer Scanning System,Ion Implantation: End Analyzer,Faraday charge detector Used

20、 to calibrate beam current, energy and profile,Ion Implantation: The Process,CMOS applications CMOS ion implantation requirements Implantation process evaluations,Implantation Process: Well Implantation,Implantation Process: VT Adjust Implantation,Low Energy , Low Current,Lightly Doped Drain (LDD) I

21、mplantation,Low energy (10 keV), low current (1013/cm2),Implantation Process: S/D Implantation,Low energy (20 keV), high current (1015/cm2),Ion Implantation Processes,CMOS on SOI Substrate,Oxygen Ion Implantation,High Temperature Annealing,7.10 小结,本章首先描述了离子注入系统的组成部分，特别是对各种离子源和质量分析系统作了较详细的介绍。离子注入后的杂质

22、浓度分布为高斯函数分布。讨论了离子注入的沟道效应及防止措施。离子注入后必须进行退火处理，目的是激活杂质和消除注入损伤。通过高剂量的氧离子注入，可以形成绝缘埋层。,下面总结一下离子注入的优缺点。,1、可控性好，离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深；,2、可以获得任意的掺杂浓度分布；,3、注入温度低，一般不超过 400，退火温度也在 650 左右，避免了高温过程带来的不利影响，如结的推移、热缺陷、硅片的变形等；,4、结面比较平坦；,离子注入的 优点,5、工艺灵活，可以穿透表面薄膜注入到下面的衬底中，也可以采用多种材料作掩蔽膜，如 SiO2 、金属膜或光刻胶

23、等；,6、均匀性和重复性好；,7、横向扩展小，有利于提高集成电路的集成度、提高器件和集成电路的工作频率；,8、可以用电的方法来控制离子束，因而易于实现自动控制，同时也易于实现无掩模的聚焦离子束技术；,9、扩大了杂质的选择范围；,10、离子注入中通过质量分析器选出单一的杂质离子，保证了掺杂的纯度。,离子注入的 缺点,1、离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷；,2、离子注入难以获得很深的结深；,3、离子注入的生产效率比扩散工艺低；,3、离子注入系统复杂昂贵。,氧化：高品质SiO2的成功开发，是推动硅(Si)集成电路成为商用产品主流的一大动力。一般说来， SiO2可作为许多器件结构的绝缘体，或在器件制作

24、过程中作为扩散或离子注入的阻挡层。如在p-n结的制造过程中， SiO2薄膜可用来定义结的区域。 图 (a)显示一无覆盖层的硅晶片，正准备进行氧化步骤。在氧化步骤结束后，一层SiO2就会均匀地形成在晶片表面。为简化讨论，图 (b)只显示被氧化晶片的上表层。,1.1 概述,光刻技术被用来界定几何形状。在形成SiO2之后。利用高速旋转机，将晶片表面旋涂一层对紫外光敏感的材料，称为光刻胶(photo-resist)。将晶片从旋转机拿下之后图 (c)，在80C100C之间烘烤。以驱除光刻胶中的溶剂并硬化光刻胶，加强光刻胶与晶片的附着力。如图 (d)所示，下一个步骤使用UV光源，通过一有图案的掩模版对晶片

25、进行曝光。对于被光刻胶覆盖的晶片在其曝光的区域将依据光刻胶的型态进行化学反应。而被暴露在光线中的光刻胶会进行聚合反应，且在刻蚀剂中不易去除。聚合物区域在晶片放进显影剂(developer)后仍然存在，而未被曝光区域(在不透明掩模版区域之下)会溶解并被洗去。,1.1 概述,图 (a)为显影后的晶片。晶片再次于120180 之间烘烤20min，以加强对衬底的附着力和即将进行的刻蚀步骤的抗蚀能力。然后，使用缓冲氢氟酸作酸刻蚀液来移除没有被光刻胶保护的一。氧化硅表面，如图4(b)所示。最后，使用化学溶剂或等离子体氧化系统剥离(stripped)光刻胶。图 (c)显示光刻步骤之后，没有氧化层区域(一个窗

26、户)的最终结果。晶片此时已经完成准备工作，可接着用扩散或离子注入步骤形成p-n结。,1.1 概述,在扩散方法中，没有被SiO2保护的半导体表面暴露在相反型态的高浓度杂质中。杂质利用固态扩散的方式，进入半导体晶格。在离子注入时，将欲掺杂的杂质离子加速到一高能级，然后注入半导体内。 SiO2可作为阻挡杂质扩散或离子注入的阻挡层。在扩散或离子注入步骤之后，p-n结已经形成，如图(d)所示。由于被注入的离子横向扩散或横向散开(lateral straggle，又译横向游走)的关系，P型区域会比所开的窗户稍微宽些。,1.1 概述,在扩散或离子注入步骤之后，欧姆接触和连线在接着的金属化步骤完成图 (e)。

27、金属薄膜可以用物理气相淀积和化学气相淀积来形成。光刻步骤再度用来定义正面接触点，如图 (f)所示。一相似的金属化步骤可用来定义背面接触点，而不用光刻工艺。一般而言，低温(500。C)的退火步骤用来促进金属层和半导体之间的低电阻接触点。随着金属化的完成，p-n结已经可以工作了。,6.1 概述,图形转移(pattern transfer)是微电子工艺的重要基础，其作用是使器件和电路的设计从图纸或工作站转移到基片上得以实现，我们可以把它看作是一个在衬底上建立三维图形的过程，包括光刻和刻蚀两个步骤。 光刻 (lithography，又译图形曝光 )：使用带有某一层设计几何图形的掩模版(mask)，通过

28、光化学反应，经过曝光和显影，使光敏的光刻胶在衬底上形成三维浮雕图形。将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜层上(称为光致光刻胶、光刻胶或光阻，resist，简称光刻胶)的一种工艺步骤。 这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域，如离子注入、接触窗(contact window)与压焊垫(bonding-pad)区。而由光刻所形成的光刻胶图案，并不是电路器件的最终部分，而只是电路图形的印模。,6.1 概述,在集成电路制造中，主要的光刻设备是利用紫外光(0.20.4m)的光学仪器。 刻蚀：在光刻胶掩蔽下，根据需要形成微图形的膜层不同，采用不同的刻蚀物质和方法在膜层上进行选择性刻蚀。 这样，去掉光

29、刻胶以后，三维设计图形就转移到了衬底的相关膜层上。图形转移工艺是如此重要，以至一种微电子工艺技术的水平通常以光刻和刻蚀的图形线宽（特征尺寸）表示。,6.1 概述,光刻（lithography）是以一种被称为光刻胶的光敏感聚合物为主要材料的照相制版技术。集成电路发明至今，电路集成度提高了六个数量级以上，主要归功于光刻技术的进步。,8.2 光刻工艺,光刻工艺的重要性源于两个方面： a. 微电子制造需进行多次光刻，耗费总成本的30。因此光刻是主流微电子制造过程中最复杂、昂贵和关键的工艺； b. 随着器件和电路特征尺寸的不断缩小，光刻工艺已成为微电子技术进一步发展的主要瓶颈。 在目前基础上进一步缩小光

30、刻图形尺寸会遇到一系列技术上甚至理论上的难题，因此大批科学家和工程师正在从光学、物理学、化学、精密机械、自动控制以及电子技术等不同途径对光刻技术进行深入的研究和探索。,8.2 光刻工艺,以ULSI为例，对光刻技术的基本要求包括几个方面： a. 高分辨率：以线宽作为光刻水平的标志； b. 高灵敏度光刻胶：为提高产量，希望曝光时间尽量短； c. 低缺陷：光刻引入缺陷所造成的影响比其它工艺更为严重； d. 精密的套刻对准：一般器件结构允许套刻误差为线宽的10； e. 对大尺寸基片的加工：在大尺寸基片上光刻难度更大。,8.2 光刻工艺,光刻胶 光刻胶（photoresist，又称光致抗蚀剂）是一类对辐

31、照敏感的、由碳、氢、氧等元素组成的有机高分子化合物，这类化合物中均含有一种可以由特定波长的光引发化学反应的感光剂（PAC: photoactive compound）。依其对光照的反应分成正性光刻胶 与负性光刻胶。 在一定外界条件（如曝光）的作用下，光刻胶的分子结构由于光化学反应而发生变化，进而引起其化学、物理或机械性质发生相应变化，例如在显影液中的溶解度发生变化，由可溶性变为不可溶性或者相反。这样，光刻胶感光部分与未感光部分在显影液中的溶解速度就出现差异。在微电子工艺中，就是利用光刻胶的这一特性来进行光刻的。,8.2 光刻工艺,正胶和负胶图形转移,光刻胶通常可分为正性胶和负性胶两类，两者经曝

32、光和显影后得到的图形正好相反。显影时，正胶的感光区较易溶解而未感光区不溶解，所形成的光刻胶图形是掩模版图形的正映象。负胶的情况正相反，显影时感光区较难溶解而未感光区溶解，形成的光刻胶图形是掩模版图形的负映象。,8.2 光刻工艺,光学光刻使用的正胶通常含有三种主要成分：酚醛树脂、感光剂和有机溶剂。曝光前的光刻胶基本上不溶于显影液。曝光时，感光剂 如 g 线（436 nm）和 i 线（365 nm）光刻时正胶中的重氮醌（DNQ），因吸收光能而导致化学结构发生变化，在显影液中的溶解度比曝光前高出很多（约100倍）。显影后，感光部分光刻胶被溶解去除。,8.2 光刻工艺,负胶是一种含有感光剂的聚合物。曝

33、光时，感光剂将吸收的光能转变为化学能而引起链反应，聚合物分子间发生交联，形成不溶于显影液的高分子交联聚合物。显影后，未感光部分的光刻胶被去除。负胶的主要缺点是显影时吸收显影液溶剂而膨胀，限制了其分辨率。,8.2 光刻工艺,下图(a)为典型的曝光反应曲线与正胶的影像截面图。反应曲线描述在曝光与显影过程后，残存刻胶的百分率与曝光能量间的关系。值得注意的是，即使未被曝光，少量刻胶也会溶于显影液中。,图 (a)的截面图说明了掩模版图形边缘与曝光后光刻胶图形边缘的关系。由于衍射，光刻胶图形边缘一般并不位于掩模版边缘垂直投影的位置，而是位于光总吸收能量等于其阈值能量ET处。 图 (b)为负胶的曝光反应曲线

34、与图形的截面图。,8.2 光刻工艺,光刻胶的性能参数 a. 光学性质：如灵敏度、分辨率、对比度、折射率； b. 力学和化学性质 ：如固溶度、黏滞度、抗蚀性、热稳定性、流动性和对环境气氛的敏感度； c. 其它性质：如纯度、金属含量、可使用范围、有效期和燃点； 一、分辨率 分辨率是指每毫米宽度内能够光刻出可分辨的最多线对数，它是对光刻工艺可以达到的最小图形尺寸的一种描述。在线宽 L 与线条间距相等的情况下，分辨率为： ，光刻分辨率受光刻系统、光刻胶和光刻等多方面因素影响。,8.2 光刻工艺,二、灵敏度 光刻胶的灵敏度是指完成光刻所需最小曝光剂量（光能量，mJ/cm2）。对于光化学反应，灵敏度是由曝

35、光效率决定的，而曝光效率可以定义为参与曝光的光子能量与进入光刻胶的光子能量的比值。通常正胶比负胶有更高的曝光效率，因此正胶的灵敏度比较大。对于一个给定的曝光强度，灵敏度大的光刻胶曝光时间较短，且曝光效果较好。但如果灵敏度过大，光刻胶在室温下就可能发生热分解，使其储存有效期缩短。 在使用正胶曝光的过程中，要注意光刻胶与曝光源之间的匹配关系。光刻胶与曝光波长之间的谐调非常重要，因为其它谱系的光线（如黄光和绿光）对光刻胶也会产生一定曝光效果。一般要求非曝光区对光波的吸收系数不能大于40，否则将影响曝光图形。,8.2 光刻工艺,三、对比度 对比度是衡量光刻胶区分掩模版上亮区与暗区的能力大小的指标。从理

36、论上说，光刻胶的对比度会直接影响曝光后光刻胶图形的倾角和线宽。,8.2 光刻工艺,为测量光刻胶的对比度，可以将一定厚度的光刻胶在不同辐照剂量下曝光，测量显影后剩余光刻胶的厚度（留膜率），利用留膜率与曝光剂量的关系曲线进行计算。,对于负胶，存在一个临界曝光剂量 D0。曝光剂量小于D0时，负胶在显影液中完全可溶，不会形成曝光图形。曝光剂量达临界值后，感光区剩余膜厚随曝光剂量增大而增大。 当曝光剂量达到 D100 以上时，感光区剩余膜厚最终达到初始时负胶的厚度。因此，负胶的对比度取决于曲线的曝光剂量取对数坐标之后得到的斜率。,负胶光刻胶对比度曲线,8.2 光刻工艺,正胶的感光区剩余膜厚与曝光剂量的关

37、系如右图所示。D0为感光区光刻胶在显影液中完全不溶，即在光刻胶上不产生曝光图形所允许的最大曝光剂量。D100为感光区光刻胶在显影液中完全可溶所需的最小曝光剂量。可以看出，感光区剩余膜厚随曝光剂量的增加逐渐减小。对比度与该曲线外推斜率的绝对值有关：,正胶光刻胶对比度曲线,8.2 光刻工艺,在理想曝光过程中，辐照在光刻胶上的投影区域应该与掩模版的透光区域完全相同，其它区域没有辐照投影。但在实际曝光过程中，由于衍射和散射的影响，光刻胶所受辐照具有一定分布，因此显影后剩余光刻胶层的侧面通常有一定斜坡。 侧墙的倾斜角度与光刻胶对比度和膜厚有关。光刻胶对比度越高，剩余光刻胶层侧墙越陡。而光刻胶层侧墙陡度越

38、大，线宽测量的精确度越高。同时，侧墙陡峭的光刻胶层可以减小刻蚀过程中的钻蚀效应，提高图形转移分辨率。,显影后的理想光刻胶剖面,8.2 光刻工艺,另一个可以从对比度中得到的光刻胶性能指标是调制传输函数（MTF），它可以用来描述曝光图形的质量： 其中Imax 和Imin 分别为曝光图形上最大和最小辐照强度。 光刻胶临界调制传输函数（CMTF）为： CMTF的典型值约为0.4。如果一个实际光刻图形的MTF小于所用光刻胶的CMTF，则光刻图形上的最小尺寸线条不能被分辨。反之，则可能被分辨。 对比度与CMTF的关系为： 对于曝光系统，如果该系统对各种线条的MTF均已知，则根据光刻胶对比度可计算出该系统能

39、够形成的最小图形尺寸。,8.2 光刻工艺,改进光刻胶技术,a. 多层光刻胶技术（MLR）：采用性质不同的多层光刻胶，利用其抗蚀性、对比度等方面的不同性能完成高分辨率的光刻。主要包括：硅化学增强（Si-CARL）工艺；使用对比增强层（CEL）工艺；硅烷基化光刻胶表面成像工艺。 b. 抗反射涂层技术（ARC）：在光刻胶的表面或底部涂上一层抗反射层，对反射光线进行吸收，从而降低驻波效应。 c. 化学增强（CA）深紫外光刻胶技术：在深紫外光刻胶中添加光敏酸（PAG），增强光刻胶在显影液中的可溶性。与DNQ树脂光刻胶相比，CA胶的最大优点是具有相对高的光敏度和对比度。,8.2 光刻工艺,光刻掩模版 掩模

40、版的作用是有选择地遮挡照射到衬底表面的光（电子束、X 射线），以便在衬底光刻胶薄膜上形成需要转移的图形。常用掩模版类型有超微粒干版（乳胶版）、金属硬面版以及一些满足特殊需要的掩模版（如X射线掩模、柔性掩模、凸起掩模和软片掩模等）。 光学光刻掩模版通常采用金属硬面版，即在玻璃基板表面淀积一层几十到几百纳米的金属或金属氧化物薄膜（如铬膜、氧化铬膜和氧化铁膜），掩模图形最终就是在这些薄膜上形成的。目前以溅射淀积的铬膜（厚度100nm左右）最常用，主要因为铬膜的淀积和刻蚀相对容易，而且对光线完全不透明。在铬膜下方通常还有一层增加黏附力的铬氮化物或氧化物膜，上方有一层厚度为20nm的Cr2O3 抗反射层

41、。,8.2 光刻工艺,用于IC制造的掩模版通常为缩小倍数的掩模版(reduction reticle，简称reticle)。 掩模版制作的第一步为电路设计者以计算机辅助设计系统完整地将电路图描绘出来。然后，将CAD得到的数据信息传送到电子束光刻的图形产生器，再将图案直接转移至对电子束敏感的掩模版上。 此掩模版是由融凝硅土(fused silica)的基底覆盖一层铬膜组成。电路图案先转移至电子敏感层进而转移至底下的铬膜层，掩模版便完成了。,8.2 光刻工艺,掩模版上的图形代表一层IC设计，将综合的布局图按照IC工艺分成各层掩模版，如隔离区为一层、栅极区为另一层等，这些掩模版的组合就是一组IC工艺

42、流程。 一般而言，一组完整的IC工艺流程包含1520道不同的掩模版。 标准尺寸的掩模版衬底由1515cm2、0.6cm厚的融凝硅土制成。 掩模版尺寸是为了满足4：1与5：1的曝光机中透镜透光区域的尺寸；厚度的要求是为了避免衬底扭曲而造成图案移位的错误；融凝硅土衬底则利用其热膨胀系数低、对短波长光的透射率高与高机械强度。,8.2 光刻工艺,下图为已制作完成具有几何形状图案的掩模版，用于工艺评估的一些次要芯片位置也显示在掩模版上。,8.2 光刻工艺,光学光刻掩模版,此外，在形成掩模图形后还需要用保护膜（12 m厚的硝化纤维素醋酸盐、碳氟化合物）将版的表面密封。这层保护膜可以避免掩模版污染，且透光性

43、好、结实耐清洗，长时间暴露在UV射线下仍能保持形状。,8.2 光刻工艺,通过微细图形加工技术在掩模材料上形成掩模图形即可得到所需要的掩模版。目前的掩模版制作（简称制版）一般分为两个阶段： a. 原图数据的产生：由 CAD 产生作图数据，形成掩模（PG）文件； b. 图形发生：由 PG 文件驱动和控制图形发生器、刻图机等将掩模图形转移到掩模衬底上。,8.2 光刻工艺,原图数据产生流程,8.2 光刻工艺,版图设计,版图设计规则：,8.2 光刻工艺,目前的制版工艺大多采用电子束图形发生器。电子束图形发生器实际上是一台电子束曝光机，其曝光“光源”不是平行平面光，而是一束聚焦得很细的电子束。由于束斑极细

44、，因此需曝光的图形是通过逐点被电子束照射而完成曝光全过程的。电子束制版不仅速度快，而且分辨率非常高。 电子束制版的主要工艺过程为： 镀铬基板涂覆 EBR 胶 前烘 电子束照射 显影 坚膜 刻蚀铬膜 去胶。,8.2 光刻工艺,8.2 光刻工艺,掩模版的优劣将直接影响图形转移的质量，进而影响器件性能和成品率。通常对掩模版有以下质量要求： a. 图形尺寸准确，符合设计要求； b. 整套掩模版中的各块版应能依次一一套准，套准误差小； c. 图形明暗区域之间的反差高，一般要求大于2.5； d. 图形边缘光滑陡直，过渡区小； e. 图形及整个版面基本无针孔、小岛、划痕等缺陷；,光掩膜缺陷检查装置,8.2

45、光刻工艺,f. 坚固耐用，不易变形。 缺陷密度是掩模版质量的一个主要指标，这里既包括掩模版制作过程也包括使用过程造成的缺陷。因此，掩模版的检查与清洁对大面积芯片获得高成品率（ ）是至关重要的。,10道掩模版的成品率，每道掩模版中包含不同缺陷密度所产生的影响,8.2 光刻工艺,光学曝光系统 图案的转移是利用光刻设备来完成的光刻机的性能可由下面三个参数来判别：分辨率(resolution)、套准精度(registration)与产率(throughput，又译产量)。 分辨率是指能精确转移到晶片表面光刻胶膜上图案的最小尺寸； 套准精度是指后续掩模版与先前掩模版刻在硅片上的图形互相对准的程度； 而产

46、率则是对一给定的掩模版，每小时能曝光完成的晶片数量。,8.2 光刻工艺,光收集：比如通过抛物面反射镜。 光过滤：选择特定波长的光。比如通过一系列的组合滤波器。 混光：使曝光区域的辐照强度均匀。比如通过蜂窝透镜，光纤束等。 光准直和成形：比如通过各种透镜。,光收集：2；混光：7；光过滤：5，6；准直和成形：4，9。,光学成像系统：,8.2 光刻工艺,评价光学曝光系统的指标,其中：R是分辨率；k 是常数；NA 是光学系统的数值孔径，它表征透镜光收集和聚焦的能力；DOF（Depth of Focus）是聚焦深度； 是光波长；MTF是调制传输函数；I 是辐照强度。,（Rayleigh criterio

47、n）,8.2 光刻工艺,主要光学曝光系统 光刻必须通过曝光系统来完成。最基本的光学曝光系统有两种：遮蔽式曝光（shadow printing ）和投影式曝光（projection printing ）。遮蔽式曝光系统又分为接触式(contact printing)和接近式(proximity printing)两种形式。,遮蔽式曝光系统示意,8.2 光刻工艺,对遮蔽式曝光，可达到的最小线宽（CD: critical dimension）约为 ， 为曝光所用的光波波长，d 为掩模版与衬底之间的距离（包括光刻胶的厚度）。显然，接触式曝光的分辨率较高（可达曝光波长量级），但在实际应用中掩模版损坏和由

48、此产生的低成品率等问题使这一工艺在大多数生产环境中并不实用。接近式曝光时掩模版与衬底之间通常保持 1050 m 的距离，减小了曝光过程对掩模板的损伤。但掩模版与衬底之间的间隙会使图形边缘出现衍射，其 CD 值一般只能达到 25 m，已经不适用于目前的微电子工业。,8.2 光刻工艺,接近式曝光系统中的衍射,8.2 光刻工艺,接触式曝光系统,8.2 光刻工艺,为了克服遮蔽式曝光存在的问题，出现了投影式曝光系统。它采用一套光学组件，使光通过掩模版将掩模图形投影到几厘米外涂有光刻胶的衬底上进行曝光。 投影式曝光系统分为扫描和分布重复两种基本类型。扫描曝光系统把通过狭缝的光从掩模版聚焦到衬底上，同时掩模

49、板和衬底一起作扫描运动，直至掩模图形布满整个衬底而完成曝光。 分布重复曝光系统一次曝光衬底上的一块矩形区域（称为图像场），然后不断重复直至将小面积图形布满整个衬底，其掩模图形尺寸与实际图形尺寸的比例可以是1:1或者大于1:1（称为缩小光刻）。以上两类曝光系统以及将两者结合在一起的分布扫描曝光系统都可以达到较好的分辨率。,8.2 光刻工艺,投影式曝光工作原理,8.2 光刻工艺,图(a)显示一个1:1的晶片扫描投影系统。一个宽度约1mm的窄弧形像场连续地将图案从掩模版转移至晶片上，晶片上的图案尺寸与掩模版上相同。,8.2 光刻工艺,这个小的像场也可在保持掩模版不动的情形下，利用二维的晶片平移，通过

50、步进(stepping)的方式来完成晶片表面的曝光。在每曝光完成一个芯片位置时，就移动晶片至下一个芯片位置，如此重复曝光步骤。图 (b)与图(c)分别显示了利用1:1与缩小M:1(如10:1，即在晶片上缩小10倍)的步进重复投影法(step-and-repeat)的图像划分(partition)技术。,8.2 光刻工艺,缩小投影术可在不用重新设计步进机透镜下，在较大的晶片上转移图案，只要像场的大小(field size，即晶片上的曝光面积)可以包含至少一个到数个IC芯片。当芯片尺寸超过透镜的曝光面积时，进一步的划分图像是必要的。在图(d)，对一个M:1缩小的步进扫描投影，其掩模版上的像场可呈窄

51、弧形。对步进扫描系统，晶片有一速度为v的二维平移，而掩模版则有一速度为晶片速度M倍的一维平移。,8.2 光刻工艺,一个投影系统的分辨率可以表示为,是光源波长，k1为与工艺有关的参数，NA是数值孔径又叫做镜口率，简写为NA。它是由物体与物镜间媒质的折射率n与物镜孔径角的一半（a/2）的正弦值的乘积 。 NA的定义为,N是影像介质的折射率，是圆锥体光线聚于晶片上一点的半角度值。其聚焦深度为,8.2 光刻工艺,k1为另一个与工艺有关的参数,分辨率的改善可以通过缩短光源波长与增加数值孔径达到，但聚焦深度会因NA增加而衰减。 光学曝光经历蓝光（436nm）、紫外光（365nm）、深紫外光（248 nm）

52、阶段，发展到目前的主流高分辨率波长193nm。同时，投影工具的数值孔径也有惊人提高（0.16 0.93），特征尺寸达到100 nm 以下。,多光学元件系统中，常引入数值孔径NA描述透镜性能： ，并有 。,D,8.2 光刻工艺,1、用蓝光波长计算：投影曝光系统的R可达亚微米水平。 2、数值孔径:简写NA(蔡司公司的数值孔径简写CF)，数值孔径是物镜和聚光镜的主要技术参数，是判断两者（尤其对物镜而言）性能高低(即消位置色差的能力,蔡司公司的数值孔是代表消位置色差和倍率色差的能力),的重要标志。其数值的大小，分别标科在物镜和聚光镜的外壳上。 孔径角又称“镜口角”，是物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有

53、效直径所形成的角度。孔径角越大，进入物镜的光通亮就越大，它与物镜的有效直径成正比，与焦点的距离成反比。,8.2 光刻工艺,显微镜观察时，若想增大NA值，孔径角是无法增大的，唯一的办法是增大介质的折射率值。基于这一原理，就产生了水浸系物镜和油浸物镜，因介质的折射率值大于一，NA值就能大于一。数值孔径最大值为1.4，这个数值在理论上和技术上都达到了极限。目前，有用折射率高的溴萘作介质，溴萘的折射率为1.66,所以NA值可大于1.4。这里必须指出，为了充分发挥物镜数值孔径的作用，在观察时，聚光镜的NA值应等于或略大于物镜的NA值，数值孔径与其它技术参数有着密切的关系，它几乎决定和影响着其它各项技术参

54、数。它与分辨率成正比，与放大率成正比，焦深与数值孔径的平方成反比，NA值增大，视场宽度与工作距离都会相应地变小。,8.2 光刻工艺,简单的成像系统,8.2 光刻工艺,由于有较高的光强度与稳定度，所以高压汞灯被广泛用作曝光光源。右图显示汞灯光谱的几个峰值，被称为G-线、I-线与H-线的峰值波长分别为436nm、405nm与365nm。加上分辨率改善技术，5:1的I-线步进重复投影的光刻系统可以提供的分辨率为0.3m。更先进的曝光机分别有利用248 nm的KrF准分子激光、193nm的ArF准分子激光与已开发出来适合批量生产的分辨率为0.18m、0.10m和0.07m的157 nm的F2准分子激光

55、。,8.2 光刻工艺,投影式曝光系统,8.2 光刻工艺,投影式曝光系统光路,8.2 光刻工艺,投影曝光时的扫描和分布重复,8.2 光刻工艺,主要光学曝光系统比较,8.2 光刻工艺,图案转移 右图为IC电路图通过掩模版转移至表面有二氧化硅绝缘层的硅晶片上的步骤。由于光刻胶对波长大于0.5m的光并不敏感，所以曝光过程中，晶片可置于由黄光照射的洁净室中。为了确保光刻胶的吸附力能够符合要求，晶片表面必须由亲水性(hydrophilic)改变为斥水性(hydrophobic)。这种改变可以利用吸附力促进剂，如此光刻胶即可吸附于一个化学性质相近的表面。,8.2 光刻工艺,在IC工艺中，光刻胶的吸附力促进剂

56、一般为HMDS。在促进剂涂完后，将晶片置于一真空吸附的旋盘上，并将23cm3的光刻胶滴在晶片中心处，然后晶片将被快速地加速至设定的转速。在此转速停留约30s。要涂布厚度为0.51m的光刻胶，其旋转速度一般为1000 至10000rpm。光刻胶的厚度与光刻胶的粘性也有关系。,8.2 光刻工艺,在旋涂步骤后，将晶片前烘(一般温度为90120 ，时间为60120s)。此步骤会增加光刻胶对晶片的吸附力。并且将光刻胶中的部分有机溶剂去除。然后利用光学图形曝光系统，将晶片依照掩模版上的图案进行对准，并利用紫外光将光刻胶曝光，如图(b)。如果使用的是正胶，被曝光的光刻胶区将会溶解于显影液中，如图 (c)的左

57、图。,8.2 光刻工艺,光刻胶的显影步骤，一般利用显影液将晶片淹没，再将晶片冲水并且甩干。显影完成后，为了增加光刻胶对衬底的吸附力，再将晶片后烘(postbaking)，温度为100180。然后将晶片置于腐蚀的环境中，将暴露的绝缘层腐蚀而不侵蚀光刻胶，如图（d）所示。最后将光刻胶除去（如用有机溶液溶解或等离子体氧化），留下一个绝缘体的图案（或图像），此图案与掩模版上不透光的图案是一样的。,8.2 光刻工艺,如果使用负胶，前面描述的步骤都一样，唯一的不同点是未被曝光的光刻胶被去除。最后的绝缘体图案与掩模版上不透光区图案反相。 绝缘体图像可以当作接下来步骤的掩蔽层。如用离子注入法将掺杂离子注入暴露

58、的半导体区域而不会注入有绝缘体保护的区域。掺杂的图案与使用负胶而设计的掩模版图案或是使用正胶而设计的互补式掩模版图案是一样的。完整的电路制作是利用图形曝光转移的步骤，将掩模版图案一层层地对准而得。,8.2 光刻工艺,剥离与浮脱技术因其具有高分辨率而被广泛应用于分立器件，如高功率的MESFET。然而，由于技术的推广，剥离与浮脱技术并不常被用于甚大规模集成电路。,相关的图案转移工艺还有剥离与浮脱技术(life-off)，如下图利用正胶在衬底上形成一光刻胶图案图(a)与(b)，再淀积薄膜(如铝)覆盖光刻胶与衬底(此层薄膜厚度必须比光刻胶薄)；然后，由于光刻胶会溶解于适当的腐蚀溶液，覆盖在光刻胶上的薄

59、膜会被剥离与浮脱而去除图(d)。,8.2 光刻工艺,光刻工艺流程 典型的光学光刻工艺通常包括以下步骤：衬底准备、涂胶、曝光前烘干（前烘）、曝光、显影、显影后烘干（坚膜）以及去胶。,8.2 光刻工艺,一、衬底准备 衬底准备的目的是增强光刻胶对衬底的附着性。一般通过去除衬底污染、脱水烘干和使用附着力促进剂来完成。吸附水是一种普遍的污染物，采用脱水烘干可以将其大部分去除。但对于硅类衬底（包括单晶硅、多晶硅、氧化硅和氮化硅），由于表面硅原子与吸附的单层水分子形成了硅烷醇基团，必须使用化学方法去除。 附着力促进剂可以与硅烷醇发生化学反应，由有机基团置换硅烷醇中的羟基，在衬底上形成疏水表面，增强光刻胶的附着力。最常用的附着力促进剂是六甲基二硅亚胺（HMDS）。,8.2 光刻工艺,二、涂胶 涂胶的目的是在衬底表面形成厚度均匀、附着性强且没有