光刻与刻蚀演示幻灯片

1、1,Chap.8 光刻与刻蚀工艺,光刻的重要性及要求,1,光刻工艺流程,2,3,湿法刻蚀与干法刻蚀技术,4,5,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,2,光刻与刻蚀的定义,光刻工艺的重要性： IC设计流程图，需要光刻图案用来定义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。,3,光刻技术在IC流程中的重要性,4,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

2、 精密的套刻对准 对大尺寸硅片的加工,5,半导体工业中的洁净度概念,尘埃粒子的影响： 粒子1：在下面器件层产生针孔； 粒子2：妨碍金属导线上电流的流动； 粒子3：导致两金属区域短路，使电路失效。,6,洁净度等级： 英制：每立方英尺中直径大于或等于0.5m的尘埃粒子总数不超过设计等级（如英制等级100） 公制：每立方米中直径大于或等于0.5m的尘埃粒子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103.5个）,7,8.1 光刻工艺流程,8,硅片清洗,9,预烘及涂增强剂,10,涂胶,11,前烘,12,掩模版对准,13,曝光,14,曝光后烘培,15,显影,16,后烘及图形检测,1

3、7,刻蚀,18,刻蚀完成,19,去胶,20,离子注入,21,快速热处理及合金,22,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150750之间 可用涂覆增强剂（HMDS，六甲基乙硅氧烷）来增加黏附性,23,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,24,旋涂,25,旋涂,26,旋涂,27,旋涂,28,边沿清除,29,边沿清除,30,光刻胶膜的质量,质量指标： 膜厚（光刻胶本身的黏性、甩胶时间、速度） 膜厚均匀性（甩胶速度、转速提升速度） 气泡，灰尘等粘污情况（超净工作台，红、黄光照明）,31,前烘,目的： 使胶

4、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）,32,前烘方法,33,显影,目的：显现出曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形，显影时曝光区和非曝光区的光刻胶溶解速度反差越大，显影得到的图形对比度越高。 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,34,35,正胶和负胶,36,显影中可能存在的问题,37,显影设备,38,喷洒显影液,39,静止显影,40,去除显影液,41,去离子水清洗,42,显影全过程,43,曝光后烘培,目的

5、：降低驻波效应，形成均匀曝光,44,曝光后烘培,45,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),46,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,47,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）,48,8.2 分辨率(Resolution),定义：分辨率R表

6、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,49,物理学意义：限制因素是衍射 光子： 粒子： 对于光子：波长越短，分辨率越高； 对于微观粒子：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,50,光刻参数对工艺效果的影响,51,8.3 光刻胶的基本属性,正胶与负胶：,52,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，同时也决定了光刻胶薄膜的其他物理特性； 感光材料（PAC）：受光辐照后会发生化学反应，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（增加光吸收

7、能力）等。,53,正胶与负胶,54,正胶与负胶,负胶的缺点：显影过程为先溶胀再溶解，非曝光区树脂的溶涨降低分辨率；溶剂（二甲苯）造成环境污染 正胶的优点：显影过程是逐层溶解，非曝光区不受影响，分辨率高,55,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,56,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,57,8.4 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

8、,X射线曝光系统,离子束曝光系统,按光源分类：,58,8.4.1 紫外（UV）光源,水银弧光灯光源 i线（365nm） h线（405nm） g线（436nm） 缺点： 波长较长，限制分辨率 能量利用率低（2） 准直性差,59,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，波长更短，空间相干低，分辨率高 缺点：脉冲式发射，能量峰值大，易造成损伤,60,特征尺寸与曝光波长,61,8.4.2 曝光方式（Exposure）,曝光方式,遮蔽式Shade system,投影式projection system,接触式 Contact printer,接近式

9、 proximity printer,62,接近式曝光（proximity printer）,接近式曝光（3um） 由于光的衍射，导致最小线宽LCD=1.4(S)1/2 减少了掩膜版的损坏，但分辨率受到限制。,63,接触式曝光(contact printer),接触式曝光 S0，分辨率得到提高（13um) 尘埃粒子的产生，导致掩膜版的损坏，降低成品率,64,接触式曝光机,65,投影式曝光(projection system),最小尺寸：Lmin0.61/NA（亚微米级工艺） 优点：1. 分辨率高； 2. 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； 3. 可进行等比例缩小曝

10、光 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,66,67,数值孔径（NA）,NA表示透镜收集发散光的能力，NA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。,68,M:1缩小的步进重复曝光,69,70,ASM 2500/5000 投影光刻机,Electron-Beam Lithography Electron-Beam Direct Writing Lithography,8.0 um 5.0 um 3.0 um 2.0 um 1.3 um 0.8 um 0.5 um 0.35um 0.25um 0.18um 0.13um 90

11、nm 65 nm 45 nm 32 nm 22 nm,分辨率增强技术使光学光刻不断突破分辨率极限,1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 2013 2016,1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 2013 2016,16K,1M,16M,1G,16G,436nm G线 10-2.0um 接触式光刻,436nm G线 2.0-0.5um 投影光刻,365nm I线 0.08-0

12、.28um 投影光刻,248nm KrF 0.5-0.13um 投影光刻 +OPC,193nm ArF 0.18-0.1um KrF+PSM +OPC+OAI,光刻工艺特征尺寸,芯片集成度,ArF +浸没透镜 +PSM +OPC+OAI,157nm F2 EUV, EPL, ML2. IPL，PXL，PEL,EUV = extreme ultraviolet EPL = electron projection lithography ML2 = maskless lithography IPL = ion projection lithography PXL = proximity x-ray

13、 lithography PEL = proximity electron lithography,11012 256109 64109 16109 4109 1109 256106 64106 16106 4106 1106 256103 64103 16103 4103 1103,546nm E线 -10um 接触式光刻,光学曝光区 MEF Mask Error Factor 掩模精度控制技术,1980,1980,1980年左右曾经有人预言：光刻线宽不能小于1微米；1989年曾经有预言：到1997年光刻技术将走到尽头；1994年也曾经有比较乐观的长期预测：2007年线宽达到0.1微米（保守

14、的预计为0.5微米），这些预测都被光刻技术神话般的进步的步伐远远抛在后头。,下一代光刻技术 NGL Next Generation Lithography,72,8.4.3 分辨率增强技术 RET,L = K1 ( / NA ),开发更短波长的 曝光光源 546 (e-line) ,436(g-line),365(i-line), 248(KrF), 193(ArF),157(F2),EUV 电子束(0.1-0.05),离子束,X射线,研制大数值孔径光学透镜 0.20.85 1.44(浸没光刻) 浸没透镜技术突破,移相掩模 邻近效应校正 离轴照明 等波前工程技术,高分辨率 高灵敏度 高抗刻蚀能

15、力 的抗蚀剂,双重曝光 灰化、侧壁 等各种三维 加工技巧的应用,73,浸没透镜 （ Immersion）光刻的突破,分辨率=,提高光刻分辨率有三种途径。一是缩短曝光光源波长，需要高昂的设备原理性换代；二是改善工艺因子K1，其代价是缩小了制造工艺窗口，同时还需要改变集成电路版图的设计规则、改善光刻胶的工艺和分辨率增强技术，但还难以满足45nm节点生产的需求；所以需要回过头来在改善光学系统数值孔径上做文章了（即第三条途径）。目前要继续提高光学透镜的数值孔径需要设计更大口径更复杂的镜头已经不太切合实际，因此光刻专家们根据高倍油浸显微镜提高分辨率的原理，设法在曝光镜头的最后一个镜片与硅片之间增加高折射

16、率介质以达到提高分辨率的目的，因为提高该介质的折射率可以加大光线的折射程度，等效地加大镜头口径尺寸与数值孔径，同时可以显著提高焦深（DOF）和曝光工艺的宽容度（EL）。,74,焦深（DOF）与数值孔径和波长,75,分辨率越高，焦深越小； 太小的焦深会导致曝光不均匀，要求光刻胶更薄，更平坦。,76,Immersion 光刻,传统的光刻机(空气中) 折射率n=1，NA1,浸没光刻技术(水) 水折射率n=1.44，NA1 磷酸折射率为1.54 正在开发折射率达到1.65的高折射率浸没液体,分辨率：,77,移相掩模（PSM）技术,根据光波衍射原理, 当掩膜版图形尺寸(集成电路的特征尺寸)远大于光波波长

17、时, 硅片上光刻图形与掩膜版图形基本相同。但在超深亚微米工艺下, 集成电路特征尺寸在0.09 m甚至0.045m以下, 已经接近甚至小于光波波长的情形下, 光的衍射效果将非常明显, 硅片上光刻图形与掩膜版图形之间的偏差不可以忽略。 移相掩膜的基本原理是在光掩膜版的某些透明图形上增加或减少一个透明的介质层，使光波通过这个介质层后产生180o的相位差，与邻近透明区域透过的光波产生干涉，从而抵消图形边缘的光衍射效应，提高曝光分辨力。,78,79,80,光学邻近效应校正技术(OPC),Optical Proximity Effect Correction,81,光刻过程中，在图形相互邻近的部位, 由于

18、光波干涉和衍射作用明显, 图形偏差会相对较大, 例如, 在线段顶端和图形拐角处偏差就比较明显. 而这些图形部位往往是对电路的电学性能和电路功能起关键作用的地方, 从而影响了整个芯片的性能, 甚至导致电路失效. 这种由于光波衍射、干涉而使光刻图形与掩膜图形产生偏差的现象称为光学邻近效应(OPE: optical proximity effect)。在光刻工艺中, 光学邻近效应是不可避免的, 因此必须采取相应的措施尽可能地减小掩膜图形到硅片图形的变形与偏差, 以保证芯片的性能和成品率。,82,光学邻近效应造成的影响,83,84,85,8.5 掩膜版的制造,石英板（透光层，主体） 热扩散系数小，刻写

19、过程中受T影响小 对248，193nm波长通透性好 铬层（阻光层） 刻蚀和淀积相对容易 对光线完全不透明 掩膜版保护膜,86,早期手术刀+铜版纸的人工制版,87,现代CAD辅助电子束直写制版,88,8.6 下一代光刻技术（NGL）,89,光刻技术的进步促进特征尺寸的缩小,90,91,极紫外投影光刻技术 EUV,= 10 to 14 nm 更高的分辨率，更复杂的反射镜系统,92,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,93,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,94,同步辐射X射线光刻设备,95,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

20、何尺寸: 0.01 um 能够直写，无需掩模版 邻近效应导致分辨率下降 产率低,96,电子束邻近效应及其影响,97,JBX 6300FS 电子束直写光刻系统,电子束束斑2纳米；极限曝光分辨能力6-8纳米；极限光刻能力20-30纳米；正常加工能力60-100纳米；位置精度40-60纳米。,98,8.7 ULSI对图形转移的要求,图形转移的保真度 各向异性度：A=1-(Vl/Vv) 选择比 不同材料在腐蚀过程中被腐蚀的速率比 均匀性 不同位置在腐蚀过程中被腐蚀的速率比 刻蚀的清洁,99,8.8 湿法刻蚀 （Etching）,湿法刻蚀： 通过特定的溶液与需要被腐蚀的薄膜材料进行化学反应，进而除去没有

21、被光刻胶覆盖的区域的薄膜。 优点:工艺简单；选择性好；操作方便； 缺点：各向同性，精细线条难以刻蚀；大量的颗粒污染，化学废液； 影响因素：腐蚀液的浓度、腐蚀的时间、反应温度以及搅拌方式。,100,湿法刻蚀优缺点,各向同性,选择性好,101,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,102,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,103,8.9 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

22、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,104,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,105,等离子刻蚀的工艺过程,106,二氧化硅和硅的干法刻蚀,高压等离子刻蚀 CF4+e CF3+F（自由基）+e SiO2+4F SiF4（气）+O2 Si+4F SiF4 （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S