第三章-光刻与刻蚀

1、光刻光刻Photolithography大规模集成电路制造工艺1图形的形成图形的形成2图形的形成图形的形成3图形的形成图形的形成4黄房(Yellow Room)5光刻工艺6光刻机光刻机: :光源和曝光设备光源和曝光设备掩模板掩模板: :决定将形成图案决定将形成图案 光刻胶光刻胶: :实现图案的暂时转移实现图案的暂时转移掩模板掩模板光刻胶光刻胶光源光源硅工艺的集成电路：硅工艺的集成电路： 20 20次光刻工艺次光刻工艺光刻工艺占总制造成本的光刻工艺占总制造成本的1/31/3掩模板(Mask)7 衬底用石英片衬底用石英片: 热膨胀系数非常小热膨胀系数非常小;在在UV和深和深UV区域内高的穿透系数区

2、域内高的穿透系数; 不透光部分不透光部分: 金属用铬金属用铬(Cr); 标准尺寸标准尺寸: 15x15cm2, 0.6cm厚；厚；亮场亮场(Bright Field)暗场暗场(Dark Field)掩模板(Mask)8DAYeNDAYe10层掩模板层掩模板Y为成品率；D为每单位面积致命缺陷的平均数；A为IC芯片的面积；N为掩模板个数；掩模板的检查、掩模板的检查、清洗、保护很重要清洗、保护很重要超高洁净工艺区很重要超高洁净工艺区很重要光刻胶/抗蚀剂(Photoresist)9光刻胶由三种成分组成光刻胶由三种成分组成：树脂基材(聚合物)、感光化合物、及有机溶剂；光刻胶对可见光不敏感,对紫外光敏感;

3、光刻胶/抗蚀剂(Photoresist)10光刻胶的类型：光刻胶的类型：正胶：曝光区化合物吸收光子，聚合物分裂为短链，易于溶于显影液中 -曝光区易溶解负胶：曝光区感光化合物吸收光能而使聚合物分子发生交联，难溶于显影液中 -曝光区不溶解区别区别: :正胶:分辨率好,易去除,成本高;负胶:黏附性好,聚合区/非聚合区可溶性差别大,分辨率低,去除难;光刻胶/抗蚀剂(Photoresist)11光刻胶的类型：光刻胶的类型：正胶：曝光区化合物吸收光子，聚合物分裂为短链，易于溶于显影液中 -曝光区易溶解负胶：曝光区感光化合物吸收光能而使聚合物分子发生交联，难溶于显影液中 -曝光区不溶解黏附性好；黏附性好；分

4、辨率差；分辨率差；分辨率好；分辨率好；成本高；成本高；光刻步骤12涂胶涂胶曝光曝光显影显影l清洗清洗l前烘和前处理前烘和前处理l涂胶涂胶l涂胶后烘涂胶后烘l对准和曝光对准和曝光l曝光后烘曝光后烘l显影显影l显影后烘显影后烘l图形检查图形检查涂胶工艺步骤-清洗13 去除沾污去除沾污 提高光刻胶黏附性提高光刻胶黏附性 去除颗粒去除颗粒 减少针孔和其他缺陷减少针孔和其他缺陷目的目的:湿法化学清洗湿法化学清洗去离子水冲洗去离子水冲洗甩干甩干涂胶工艺步骤-前烘和前处理14前烘前烘: :去除晶圆表面的水份；去除晶圆表面的水份； 提高光刻胶与表面的黏附性；提高光刻胶与表面的黏附性；前处理前处理: (HMDS

5、): (HMDS)增强光刻胶的粘附性；增强光刻胶的粘附性； 通常和前烘一起进行；通常和前烘一起进行； 通常在通常在100100o oC C；涂胶前硅片需冷却：涂胶前硅片需冷却：温度会影响光刻胶的黏度；温度会影响光刻胶的黏度； 影响涂胶厚度；影响涂胶厚度；HMDS:HMDS:六甲基乙硅胺烷六甲基乙硅胺烷涂胶工艺步骤-匀胶机151）硅片吸附在真空吸盘上；）硅片吸附在真空吸盘上；2）液态的光刻胶滴在硅片的中心；）液态的光刻胶滴在硅片的中心；3）吸盘旋转，离心力的作用下光刻胶扩散开）吸盘旋转，离心力的作用下光刻胶扩散开, 均匀地覆盖硅片表面；均匀地覆盖硅片表面；4）先低速旋转）先低速旋转500 rpm

6、,再上升到再上升到3000-7000 rpm；化学物质排除化学物质排除胶盘胶盘边缘清洗边缘清洗(去边去边)给胶管给胶管排气口排气口 真空真空涂胶工艺步骤-匀胶16涂胶工艺步骤-匀胶17ptkk 100,p 光刻胶中固体所占比例光刻胶中固体所占比例,p 越大，粘稠性越高越大，粘稠性越高 转速，转速，krpm粘稠性越高粘稠性越高,光刻胶厚度越厚光刻胶厚度越厚;转速越快转速越快,光刻胶厚度越薄光刻胶厚度越薄;涂胶工艺步骤-化学去边18 光刻胶扩散到硅片的边缘和背面；光刻胶扩散到硅片的边缘和背面； 在搬送过程中光刻胶可能回剥落成为微粒；在搬送过程中光刻胶可能回剥落成为微粒；涂胶工艺步骤-光学去边19

7、在曝光工艺完成会后，显影工艺之前；在曝光工艺完成会后，显影工艺之前； 背面光刻胶对曝光过程可能造成影响；背面光刻胶对曝光过程可能造成影响；涂胶工艺步骤-后烘20为了去除溶剂：为了去除溶剂： 影响吸光和粘附性；影响吸光和粘附性；过烘过烘: : 分子聚合分子聚合, ,光敏性降低；光敏性降低；后烘不足后烘不足: : 影响黏附性和曝光效果；影响黏附性和曝光效果；涂胶系统21光刻机-接触式22p 分辨率分辨率:有微米级的能力有微米级的能力;p 掩膜版和硅片直接接触掩膜版和硅片直接接触,掩膜版寿掩膜版寿命短命短;光刻机-接近式23p 掩模板距硅片表面掩模板距硅片表面10-50m;p 无直接接触无直接接触:

8、 更长的寿命更长的寿命;p 分辨率分辨率: 2-5m; lg:0.25,16,2gum gum lum光源波长间隙距离 光刻机-投影式24p掩模板图形：晶圆图形掩模板图形：晶圆图形=1:1;p光学系统简单；光学系统简单；p具有接触式的分辨率但无直接接触具有接触式的分辨率但无直接接触;p分辨率分辨率: 1m;步进式步进式扫描式扫描式光刻机-投影式25p掩模板图形：晶圆图形掩模板图形：晶圆图形=M:1;p没有缺陷的掩模板容易做；没有缺陷的掩模板容易做；p无直接接触无直接接触;步进式步进式扫描式扫描式光刻机-投影式261mNAlkD分辨率：分辨率：1NAkD为工艺参数， 为光源波长，为数值孔径sin

9、NADnn为介质的折射率，为圆锥体光线聚于晶圆上一点的半角度值光刻机-投影式2722NA/ 2/ 2tansin(D)mmDOFlllk22NA(D)DOFlkDOF: Depth of Focus, 聚焦深度聚焦深度光刻机-投影式2822NA/2tan(D)mDOFllk1mNAlkDsinNADn1NA0.75=365nmD=0.60.4ummlk，2NANA1=365D0.4,2.3D01.0.6,DODOFFknlumumml，10:15:11:1光刻机-投影式29 先进的先进的IC 中最流行的光刻设备中最流行的光刻设备; 高分辨率高分辨率, 0.25微米或以下微米或以下; 光学系统复

10、杂，价格昂贵光学系统复杂，价格昂贵; 掩模图形尺寸常用掩模图形尺寸常用5X; 10X能够得到更好的分辨率能够得到更好的分辨率(更高的更高的DNA)， 曝光时间是曝光时间是5X的四倍。的四倍。光源30高压汞灯光谱高压汞灯光谱利用波长更短的准分子激光利用波长更短的准分子激光实现实现nm级的分辨率；级的分辨率；1mNAlkD分辨率增强技术分辨率增强技术31光学临近修正光学临近修正32在光刻版上进行图形修正，在光刻版上进行图形修正，来补偿衍射带来的光刻图来补偿衍射带来的光刻图形变形。形变形。optical proximity correction光学临近修正光学临近修正33分辨率增强技术34表面反射的

11、影响表面反射的影响35避免表面高度差；避免表面高度差；表面平整化；表面平整化；表面反射的影响表面反射的影响36表面反射的影响表面反射的影响37光刻胶下加减反膜光刻胶下加减反膜浸没式曝光浸没式曝光381NARkD =193 nm, k1=0.3: N=1.0, DNA=0.93, R 60 nm N=1.0, DNA=1.36, R 40 nm21.44H On增加数值孔径增加数值孔径:sinNADn涂胶工艺步骤涂胶工艺步骤-显影显影(Development)39显影液溶解部分光刻胶显影液溶解部分光刻胶: 正胶显影液通常使用弱碱性的溶剂正胶显影液通常使用弱碱性的溶剂; 最常用的是四甲基氢铵最常用

12、的是四甲基氢铵(TMAH); 将掩膜上的图形转移到光刻胶上将掩膜上的图形转移到光刻胶上; 三个基本步骤三个基本步骤:显影清洗干燥显影清洗干燥;涂胶工艺步骤涂胶工艺步骤-显影显影40单片显影单片显影:涂胶工艺步骤-显影41批量显影批量显影:涂胶工艺步骤涂胶工艺步骤- -显影后烘显影后烘42 使光刻胶中的溶剂蒸发使光刻胶中的溶剂蒸发 提高抗刻蚀和抗离子注入性提高抗刻蚀和抗离子注入性 提高光刻胶和硅片表面的黏附性提高光刻胶和硅片表面的黏附性 聚合化并稳定光刻胶聚合化并稳定光刻胶 光刻胶流动填平针孔光刻胶流动填平针孔涂胶工艺步骤-光学检查43不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

13、注入后的图形是永久的.光刻是可以返工的刻蚀和注入后不能返工光学显微镜扫描电子显微镜(SEM)涂胶工艺步骤-光学检查44对准精度：对准精度： 放大,缩小,掩膜旋转,硅片旋转, X方向漂移,Y方向漂移关键尺寸关键尺寸(CD)(CD)；表面缺陷如，刮痕，针孔，污点，污染物等；表面缺陷如，刮痕，针孔，污点，污染物等；如果硅片检查合格，将会流出光刻模块，进入下一道工艺，进行刻蚀或离子注入。光刻胶的去除45湿法湿法: : HH2 2SOSO4 4+H+H2 2O O2 2 120120o oC, C, 腐蚀金属腐蚀金属(Al)(Al)；湿法湿法: : 有机物有机物(MS2001), (MS2001), 刻

14、蚀金属很微弱；刻蚀金属很微弱；干法干法: : OO2 2 Plasma, Plasma, 适合于所有情况；适合于所有情况；光刻胶如果承受了高温烘焙光刻胶如果承受了高温烘焙, ,离子注入离子注入, ,干法刻蚀干法刻蚀, ,需要湿法需要湿法( H( H2 2SOSO4 4+H+H2 2O O2 2 )+ )+干法干法( O( O2 2 Plasma) Plasma)去胶去胶; ;曝光能量阈值46正光刻胶正光刻胶负光刻胶负光刻胶电子束曝光技术47优点优点: : 可以产生亚微米的几何图案可以产生亚微米的几何图案; ; 自动化、高精度控制；自动化、高精度控制； 较大的聚焦深度；较大的聚焦深度； 可不用掩

15、模板；可不用掩模板；缺点缺点: : 产率低产率低 分辨率小于分辨率小于0.25um0.25um， 10 10片片/ /小时；小时；电子束曝光技术电子束曝光技术48 顺序扫描顺序扫描 向量扫描向量扫描电子束图形电子束图形:电子束投影曝光电子束投影曝光49电子束曝光光刻胶电子束曝光光刻胶50正性电子光刻胶正性电子光刻胶负性电子光刻胶负性电子光刻胶PMMA/PBS分辨率分辨率: 0.1umCOP分辨率分辨率: 1um电子束曝光临近效应电子束曝光临近效应51极远紫外光曝光极远紫外光曝光52可实现可实现50nm图型；图型；必须在真空条件下进行；必须在真空条件下进行；X射线曝光射线曝光53 类似接近式曝光

16、系统；类似接近式曝光系统； 掩模板掩模板: 1-2um厚厚, Si/SiC, 1X； 图形图形: 髙原子系数吸收层；髙原子系数吸收层； 分辨率分辨率: 100nm; 1nm曝光技术总结曝光技术总结54局限：局限：光学图形曝光中的衍射现象;电子束图形曝光中的邻近效应;X射线图形曝光中掩模版的制作复杂;EUV图形曝光中掩模版空片的制作困难;离子束投影图形曝光中随机空间电荷效应;对于IC的制造，多层掩模版是必须的；不是所有的掩模版层并不需要都用相同的图形曝光方法。采用混合与配合（mix-and-match）的方法，分别改善分辨率 与提高产率：用4：1的电子或EUV方法来完成最关键的掩模版层；用4：1

17、或5：1的光学图形曝光系统来完成其他的掩模版层。刻蚀刻蚀Etching大规模集成电路制造工艺55图形的形成图形的形成I56图形的形成图形的形成II57描述刻蚀工艺参数描述刻蚀工艺参数58刻蚀速率：刻蚀速率：- 刻蚀前厚度 刻蚀后厚度刻蚀速率刻蚀时间500nm通过干氧方法生长的通过干氧方法生长的SiO2，在，在BOE溶液中刻蚀溶液中刻蚀30s，剩下厚度为剩下厚度为450nm：- R=100nm/min500 4500.5描述刻蚀工艺参数描述刻蚀工艺参数刻蚀前：刻蚀前： 3500 3510 3499 3501 3493 ( )1min刻蚀后：刻蚀后： 1500 1455 1524 1451 156

18、3 ( )刻蚀速率：刻蚀速率： 2000 2055 1975 2055 1930 ( /min)平均刻蚀速率：平均刻蚀速率：标准偏差不均匀性：标准偏差不均匀性：最大最小不均匀性：最大最小不均匀性：oR=2003A/ minNU(%)=/x100%=53.7/2003x100%=2.7%Rmaxminx-xNU(%)=x100%=125/ 2006x100%=3.1%2RoAoAoA描述刻蚀工艺参数描述刻蚀工艺参数60刻蚀选择比：刻蚀选择比： 同一刻蚀工艺对不同材料的刻蚀速率比同一刻蚀工艺对不同材料的刻蚀速率比12RS=R刻蚀方法刻蚀方法61 干法刻蚀干法刻蚀 湿法刻蚀湿法刻蚀湿法刻蚀的三个主要

19、步骤：湿法刻蚀的三个主要步骤：（1）反应物通过扩散方式到达反应表面；（2）化学反应在表面发生；（3）反应生成物通过扩散离开表面。影响湿法刻蚀因素：影响湿法刻蚀因素：（1）温度；（2）刻蚀溶液浓度；湿法刻蚀方式：湿法刻蚀方式：（1）将晶圆浸入刻蚀溶液；（2）将刻蚀溶液喷洒在晶圆表面；湿法刻蚀的特点湿法刻蚀的特点62 选择比高选择比高 各向同性各向同性(isotropic)钻蚀(undercut)湿法刻蚀湿法刻蚀63二氧化硅刻蚀：二氧化硅刻蚀：2262SiO6HFH SiF2H OBOE: Buffered-Oxide-Etchant (40%NH4F:49%HF=6:1)442NH F+HFNH

20、HF湿法刻蚀湿法刻蚀64氮化硅刻蚀：氮化硅刻蚀：343434 43Si N4H POSi (PO )4NH刻蚀条件：刻蚀条件：180180o oC,C,浓度为浓度为91.5%91.5% 刻蚀选择比：对热氧刻蚀选择比：对热氧: : 10:110:1；对；对SiSi：33:133:1 刻蚀速率：刻蚀速率：10nm/min10nm/min湿法刻蚀湿法刻蚀65酸性溶液酸性溶液(Freckle)刻蚀硅：刻蚀硅：3222 Si4HNOSiO2H O4NO可用于刻蚀单晶硅，多晶硅（可用于刻蚀单晶硅，多晶硅（10nm/min10nm/min）；）；2262SiO6HFH SiF2H O室温下刻蚀；室温下刻蚀；

21、32622 Si+4HNO +6HFH SiF +4NO +4H O总反应：总反应：湿法刻蚀湿法刻蚀662232Si2KOHH OK SiO2H碱性溶液刻蚀硅：碱性溶液刻蚀硅：323324422 CHNOH+Si+H OCHNSiO +HTMAH常用刻蚀温度为常用刻蚀温度为8080o oC C；刻蚀各向异性刻蚀各向异性(anisotropic)(anisotropic)；TMAHTMAH刻蚀对刻蚀对SiOSiO2 2有非常高的选择比；有非常高的选择比；刻蚀速度：刻蚀速度： KOH 1um/minKOH 1um/min 25%TMAH 0.3um/min 25%TMAH 0.3um/min硅的湿

22、法刻蚀硅的湿法刻蚀67薄膜薄膜刻蚀速率：刻蚀速率：(100): (110): (111)=100: 16: 1硅的湿法刻蚀硅的湿法刻蚀68 可用于制备亚微米尺寸器件可用于制备亚微米尺寸器件;湿法刻蚀湿法刻蚀69金属的刻蚀金属的刻蚀:湿法刻蚀湿法刻蚀70金属的刻蚀金属的刻蚀:1) Al-2%Si的刻蚀的刻蚀2) Cu的刻蚀的刻蚀湿法刻蚀湿法刻蚀71Cu的刻蚀的刻蚀:Damascene Technology湿法刻蚀湿法刻蚀72GaAs的刻蚀的刻蚀:H2SO4-H2O2-H2O或或H3PO4-H2O2-H2O 222H OH O+ O 23232GaAs+6 OGa O +As O222424 33

23、322GaAs+6H O +3H SO Ga (SO ) +2H AsO +6H O总反应方程式：总反应方程式：各向异性比值各向异性比值:73光刻胶光刻胶111llffvvRtRlAhRtR 干法刻蚀干法刻蚀/等离子体辅助刻蚀等离子体辅助刻蚀74等离子体： 具有相等数量正电荷和负电荷的离化气体； 准中性气体；等离子体组成: 电中性的原子或气体;负电荷(电子);正电荷(离子)等离子体的产生: 电中性的原子或气体;负电荷(电子);正电荷(离子)电离率：电离率：=+电子浓度电离率离子浓度 中性原子/分子浓度电离率：电离率：普通平板电极等离子刻蚀，0.01%高等离子体浓度刻蚀机，1-5%干法刻蚀干法刻

24、蚀75利用基态或者中性激发状态物质的化学反应将固态薄膜去除；等离子体中的带能量的离子可以增强或引发刻蚀;干法刻蚀干法刻蚀76基本的刻蚀方式：基本的刻蚀方式：物理方式：物理方式：正离子高速轰击样品表面（Ar+清洁)；化学方式：化学方式：等离子体中产生的中性反应物与样品表面相互作用产生挥发产物（O去光刻胶)；优点： 高刻蚀速率，高选择比，低轰击缺陷缺点：各向同性优点：各向异性，缺点：选择比低，离子轰击造成损伤RIERIE方式：方式：优点：优点：各向异性，适当选择比，低轰击损伤；各向异性，适当选择比，低轰击损伤；RIERIE：Reactive Ion EtchingReactive Ion Etch

25、ing（Ion-Assisted EtchingIon-Assisted Etching) )物理反应和化学反应物理反应和化学反应77RIE刻蚀刻蚀78干法刻蚀终点检测干法刻蚀终点检测79探测等离子体发出的射线，与已知发射光谱对比，可知等离子中中性或离子物质的存在；根据光谱强度的变化，可以知道物质浓度的变化；由于刻蚀剂或副产物在刻蚀终点开始上升/下降。 利用激光干涉法：利用激光干涉法： d = /2 n 等离子探测：等离子探测：三极反应离子刻蚀三极反应离子刻蚀80上下电极控制等离子的输送（等离子体能量）上下电极控制等离子的输送（等离子体能量）左右电极控制等离子的产生（等离子体浓度）左右电极控制

26、等离子的产生（等离子体浓度）增加刻蚀选择比；减小离子轰击损伤；增加刻蚀选择比；减小离子轰击损伤；高密度等离子体高密度等离子体81低气压低气压(mTorr): (mTorr): 长的平均自由程长的平均自由程高等离子密度高等离子密度: : 更多的活性自由基更多的活性自由基传统电容耦合等离子体源：传统电容耦合等离子体源： 很难产生高密度等离子体很难产生高密度等离子体; ; 在低压下很难产生等离子体在低压下很难产生等离子体: :电子平均自由程长于电极间距，电子平均自由程长于电极间距， 离化碰撞不充分；离化碰撞不充分； 离子密度和能量都和离子密度和能量都和RFRF功率相关功率相关, ,无法分别独立控制无

27、法分别独立控制. .电感耦合等离子体电感耦合等离子体: : Inductively Coupled Plasma,ICPInductively Coupled Plasma,ICP电子回旋共振等离子体电子回旋共振等离子体: : Electron Cyclotron Resonance,ECRElectron Cyclotron Resonance,ECRICP刻蚀刻蚀所以可以在低压强下产生高密度的等离子体；所以可以在低压强下产生高密度的等离子体；RFRF电流源：电流源： RFRF电流线圈电流线圈, ,产生产生RFRF磁场磁场, ,变化的电场；变化的电场；电场给电子加速电场给电子加速, ,产生碰

28、撞离化；产生碰撞离化；RF偏压控制轰击的能量偏压控制轰击的能量;氦气用来冷却晶圆氦气用来冷却晶圆;磁场是电子做螺旋运动；磁场是电子做螺旋运动；电子可以飞越很长的路径而不与腔壁发生碰撞；电子可以飞越很长的路径而不与腔壁发生碰撞；ECR刻蚀刻蚀83电子在磁场中会旋转电子在磁场中会旋转; ;旋转的频率旋转的频率( (共振频率共振频率) )决定于磁场强度决定于磁场强度; ;()2.8 ()eMHzB Gauss当外加微波的频率等于共振频率的时候，电子可以从微波中得到能量；当外加微波的频率等于共振频率的时候，电子可以从微波中得到能量； 与其他原子分子碰撞，产生跟多电子。与其他原子分子碰撞，产生跟多电子。金属的干法刻蚀金属的干法刻蚀84集成电路里常用的金属材料集成电路里常用的金属材料: Al ,Cu, W.3Al+3FAlF3AlF不具有挥发性3Al+3ClAlCl 侧壁上残留的侧壁上残留的Cl与水汽反应生成与水汽反应生成HCl 刻蚀刻蚀Al； Cl刻蚀刻蚀A