5光刻与刻蚀工艺汇总课件

集成电路工艺基础微电子学院戴显英2014年9月5、光刻与刻蚀工艺（曝光、刻蚀）集成电路工艺基础微电子学院5、光刻与刻蚀工艺（曝光、刻1掌握光刻胶的组成+PR和–PR的区别描述光刻工艺的步骤四种对准和曝光系统Explainrelationshipsofresolutionanddepthoffocustowavelengthandnumericalaperture.掌握光刻胶的组成2光刻概述Photolithography临时性地涂覆光刻胶到硅片上把设计图形最终转移到硅片上IC制造中最重要的工艺占用40to50%芯片制造时间决定着芯片的最小特征尺寸光刻概述Photolithography临时性地涂覆光刻胶3ICProcessingFlowICProcessingFlow4光刻需要高分辨率HighResolution光刻胶高光敏性HighPRSensitivity精确对准PrecisionAlignment光刻需要高分辨率HighResolution5Photoresist(PR)－光刻胶光敏性材料临时性地涂覆在硅片表面通过曝光转移设计图形到光刻胶上类似于照相机胶片上涂覆的光敏材料Photoresist(PR)－光刻胶光敏性材料6PhotoresistNegativePhotoresist负性光刻胶－负胶PositivePhotoresist正性光刻胶－正胶曝光后不可溶解曝光后可溶解显影时未曝光的被溶解显影时曝光的被溶解便宜高分辨率PhotoresistNegativePhotoresis7NegativeandPositivePhotoresistsNegativeandPositivePhotores8正胶的曝光机理：重氮萘醌光分解反应正胶的曝光机理：重氮萘醌光分解反应9负胶的曝光机理：聚乙烯醇肉桂酸脂光聚合反应负胶的曝光机理：聚乙烯醇肉桂酸脂光聚合反应10PhotoresistComposition光刻胶基本组成聚合物材料(基体）感光材料溶剂添加剂PhotoresistComposition光刻胶基本组成11例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（负胶）①基体、感光剂－

聚乙烯醇肉桂酸脂浓度：5-10%②溶剂－环己酮浓度：90－95％③增感剂－5-硝基苊浓度：0.5-1%例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（负胶）①基体、感光剂－12负胶的缺点聚合物吸收显影液中的溶剂由于光刻胶膨胀而使分辨率降低其主溶剂，如二甲苯等会引起环境和安全问题负胶的缺点聚合物吸收显影液中的溶剂13ComparisonofPhotoresistsComparisonofPhotoresists14正胶PositivePhotoresist曝光部分可以溶解在显影液中正影（光刻胶图形与掩膜图形相同）更高分辨率（无膨胀现象）在IC制造应用更为普遍正胶PositivePhotoresist曝光部分可以溶15问题正胶比负胶具有更好的分辨率，为什么十九世纪八十年代以前人们普遍使用负胶？问题正胶比负胶具有更好的分辨率，为什么十九世纪八十年代以前人16答案因为正胶比负胶贵得多，直到器件特征尺寸减小到3um以下时人们才用正胶代替负胶。答案因为正胶比负胶贵得多，直到器件特征尺寸减小到3um以下时17对光刻胶的要求高分辨率–ThinnerPRfilmhashighertheresolution–ThinnerPRfilm,thelowertheetchingandionimplantationresistance高抗蚀性好黏附性思考题：为什么光刻胶越薄，分辨率越高？对光刻胶的要求高分辨率18光刻工艺PhotolithographyProcess光刻基本步骤•涂胶Photoresistcoating•对准和曝光Alignmentandexposure•显影Development光刻工艺PhotolithographyProcess19光刻工序光刻工序201、清洗硅片WaferClean1、清洗硅片WaferClean212、预烘和底膜涂覆Pre-bakeandPrimerVapor2、预烘和底膜涂覆Pre-bakeandPrimer223、光刻胶涂覆PhotoresistCoating3、光刻胶涂覆PhotoresistCoating234、前烘SoftBake4、前烘SoftBake245、对准Alignment5、对准Alignment256、曝光Exposure6、曝光Exposure267、后烘PostExposureBake7、后烘PostExposureBake278、显影Development8、显影Development289、坚膜HardBake9、坚膜HardBake2910、图形检测PatternInspection10、图形检测PatternInspection30光刻1－硅片清洗（WaferClean）目的--去除污染物、颗粒--减少针孔和其它缺陷--提高光刻胶黏附性基本步骤–化学清洗–漂洗–烘干光刻1－硅片清洗（WaferClean）目的31光刻2－预烘和打底膜（Pre-bakeandPrimerVapor）脱水烘焙--去除圆片表面的潮气增强光刻胶与表面的黏附性通常大约100°C与底胶涂覆合并进行底胶广泛使用:Hexamethyldisilazane(HMDS，六甲基乙硅氮烷)HMDS的作用：去除SiO2表面的-OH基。光刻2－预烘和打底膜（Pre-bakeandPrimer32预烘和底胶蒸气涂覆预烘和底胶蒸气涂覆33光刻3－涂胶

（SpinCoating）硅圆片放置在真空卡盘上高速旋转液态光刻胶滴在圆片中心光刻胶以离心力向外扩展均匀涂覆在圆片表面设备--光刻胶旋涂机光刻3－涂胶（SpinCoating）硅圆片放置在真空34光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系35PhotoresistSpinCoaterEBR:Edgebeadremoval边缘修复PhotoresistSpinCoaterEBR:Ed36滴胶滴胶37光刻胶吸回光刻胶吸回38PhotoresistSpinCoatingPhotoresistSpinCoating39光刻4－前烘（SoftBake）①作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；

增加胶膜与SiO2（Al膜等）的粘附性及耐磨性。②影响因素：温度，时间。烘焙不足（温度太低或时间太短）－显影时易浮胶，

图形易变形。烘焙时间过长－增感剂挥发，导致曝光时间增长，

甚至显不出图形。烘焙温度过高－感光剂反应（胶膜硬化），

不易溶于显影液，导致显影不干净。光刻4－前烘（SoftBake）①作用：促进胶膜内溶剂充分40BakingSystemsBakingSystems415&6、对准与曝光（AlignmentandExposure）MostcriticalprocessforICfabricationMostexpensivetool(stepper)inanICfab.MostchallengingtechnologyDeterminestheminimumfeaturesizeCurrently0.13μmandpushingto0.09or0.065μm5&6、对准与曝光（AlignmentandExposu42对准和曝光设备接触式曝光机接近式曝光机投影式曝光机步进式曝光机（Stepper）对准和曝光设备接触式曝光机43接触式曝光机设备简单分辨率：可达亚微米掩膜与圆片直接接触，

掩膜寿命有限微粒污染接触式曝光机设备简单44接近式曝光机掩膜与圆片表面有5－50μm间距优点：较长的掩膜寿命缺点：分辨率低（线宽>3um）接近式曝光机掩膜与圆片表面有5－50μm间距45投影式曝光机类似于投影仪掩膜与晶圆图形1:1分辨率：～1um投影式曝光机类似于投影仪46步进式曝光机现代IC制造中最常用的曝光工具通过曝光缩小掩膜图形以提高分辨率分辨率：0.25μm或更小设备很昂贵步进-&-重复步进式曝光机现代IC制造中最常用的曝光工具步进-&-重复47曝光光源短波长高亮度（高光强）稳定高压汞灯受激准分子激光器曝光光源短波长48汞灯的光谱汞灯的光谱49曝光机光源曝光机光源50驻波效应入射光与反射光干涉周期性过曝光和欠曝光影响光刻分辨率光刻胶中的驻波效应驻波效应入射光与反射光干涉光刻胶中的驻波效应51光刻7－曝光后烘焙（后烘，PEB）机理：光刻胶分子发生热运动，过曝光和欠曝光的光刻胶分子发生重分布；作用：平衡驻波效应，提高分辨率。PEB减小驻波效应光刻7－曝光后烘焙（后烘，PEB）机理：光刻胶分子发生热运动52光刻8－显影(Development)显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分从掩膜版转移图形到光刻胶上三个基本步骤:–显影–漂洗–干燥光刻8－显影(Development)显影液溶剂溶解掉光刻胶53显影:沉浸显影漂洗旋转干燥显影:沉浸显影漂洗旋转干燥54显影显影55显影后剖面正常显影过显影不完全显影欠显影显影后剖面正常显影过显影不完全显影欠显影56光刻9－坚膜（HardBake）蒸发PR中所有有机溶剂提高刻蚀和注入的抵抗力提高光刻胶和表面的黏附性聚合和使得PR更加稳定PR流动填充针孔光刻9－坚膜（HardBake）蒸发PR中所有有机溶剂57光刻胶热流动填充针孔光刻胶热流动填充针孔58坚膜（HardBake）热板最为常用检测后可在烘箱中坚膜坚膜温度:100到130°C坚膜时间：1到2分钟坚膜温度通常高于前烘温度坚膜（HardBake）热板最为常用59坚膜的控制坚膜不足－光刻胶不能充分聚合－造成较高的光刻胶刻蚀速率－黏附性变差过坚膜－光刻胶流动造成分辨率变差坚膜的控制坚膜不足60光刻胶流动过坚膜会引起太多的光刻胶流动，影响光刻的分辨率正常坚膜过坚膜光刻胶流动过坚膜会引起太多的光刻胶流动，影响光刻的分辨率正常61问题如果涂胶时用错光刻胶，会发生什么问题？

每种光刻胶都有不同的敏感性和粘性，都需要不同的旋转速率、斜坡速率、旋转时间、烘干时间和温度、曝光强度和时间、显影液和显影条件，因此图形转移将失败。问题如果涂胶时用错光刻胶，会发生什么问题？每种光刻胶都有62光刻10－图形检测（PatternInspection）•检查发现问题，剥去光刻胶，重新开始–光刻胶图形是暂时的–刻蚀和离子注入图形是永久的•光刻工艺是可以返工的，刻蚀和注入以后就不能再返工•检测手段：SEM（扫描电子显微镜）、光学显微镜光刻10－图形检测（PatternInspection）•63问题为什么不能用光学显微镜检查0.25um尺寸的图形?

因为特征尺寸(0.25mm=250nm)小于可见光的波长，可见光波长为390nm(紫光)to750nm(红光)问题为什么不能用光学显微镜检查0.25um尺寸的图形?因64图形检测未对准问题：重叠和错位-Run-out,Run-in,掩膜旋转，晶圆旋转，X方向错位，Y方向错位临界尺寸Criticaldimension(CD)（条宽）表面不规则：划痕、针孔、瑕疵和污染物图形检测未对准问题：重叠和错位65未对准问题未对准问题66图形检测通过图形检测，即可进入下一步工艺刻蚀或离子注入图形检测通过图形检测，即可进入下一步工艺67光刻间全部流程光刻间全部流程68未来趋势FutureTrends更小特征尺寸Smallerfeaturesize更高分辨率Higherresolution减小波长Reducingwavelength采用相移掩膜Phase-shiftmask未来趋势FutureTrends更小特征尺寸Sma69光衍射光衍射影响分辨率衍射光投射光强度光衍射光衍射影响分辨率衍射光投射光强度70衍射光的减小波长越短，衍射越弱光学凸镜能够收集衍射光并增强图像偏离的折射光被凸镜收集的衍射光衍射光的减小波长越短，衍射越弱偏离的折射光被凸镜收集的衍射光71数值孔径（NumericalAperture：NA）NA：表示凸镜收集衍射光的能力NA=2r0/D–r0

:凸镜的半径–D：目标（掩膜）与凸镜的距离NA越大，凸镜收集更多的衍射光，产生更尖锐的图形数值孔径（NumericalAperture：NA）NA：72分辨率

Resolution表征光刻精度；定义－光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。表示方法：每mm最多可容纳的线条数。若可分辨的最小线宽为L（线条间隔也L），则R＝1/(2L)(mm-1)R由曝光系统的光波长λ和数值孔径NA决定，R=K1λ/NA注：这里的R就是最小线宽L。K1为系统常数,λ光波长,NA=2r0/D；NA:凸镜收集衍射光的能力分辨率Resolution表征光刻精度；73举例1K1

=0.6，R=K1λ/NA举例1K1=0.6，R=K1λ/NA74提高分辨率提高NA–更大的凸镜,可能很昂贵而不实际

–减小DOF（焦深），会引起制造困难减小光波长

–开发新光源,PR和设备–波长减小的极限：UV到DUV,到EUV,到X-Ray减小K1–相移掩膜（Phaseshiftmask）提高分辨率提高NA75波长与电磁波频率RF:Radiofrequency;MW:Microwave;IR:infrared;UV:ultraviolet波长与电磁波频率RF:Radiofrequency;M76焦深(Depthoffocus，DOF)光焦点周围能获得清晰图形的范围焦深的表达式:DOF=K2λ/[2(NA)2]焦深(Depthoffocus，DOF)光焦点周围能获得77举例2K2

=0.6，DOF=K2λ/[2(NA)2]0.3630.161举例2K2=0.6，DOF=K2λ/[2(NA)2]078I线和DUV（熟悉）汞灯i-line,365nm–常用在0.35mm光刻DUVKrF受激准分子激光器,248nm–0.25mm,0.18mmand0.13mm光刻ArF受激准分子激光器,193nm–应用:<0.13mmF2受激准分子激光器：157nm–仍处于研发阶段,<0.10mm应用I线和DUV（熟悉）汞灯i-line,365nm79I线和DUV当l<180nm时SiO2

会强烈吸收UV光

不能再使用石英作为掩膜和凸镜的材料157nmF2激光器光刻–低OH浓度的熔融石英,氟掺杂石英,氟化钙(CaF2),–使用相移掩膜,即使0.035mm都是可以的I线和DUV当l<180nm时SiO2会强烈吸收U80下一代光刻

NextGenerationLithography(NGL)超紫外ExtremeUV(EUV)lithographyX射线X-Raylithography电子束Electronbeam(E-beam)lithography下一代光刻

NextGenerationLithogra81未来趋势未来趋势82相移掩膜（PhaseShiftMask）d(nf

-1)=λ/2nf

:相移涂层的折射率薄膜铬图形相移涂层相移掩膜（PhaseShiftMask）d(nf-83相移掩膜(PSM)应用相移掩膜(PSM)应用84EUV超紫外l=10到14nm更高分辨率预期应用~2010年0.1mm和以下EUV超紫外l=10到14nm85X射线光刻（X-raylithography）

λ＝2-40Å，软X射线；类似于接近式曝光机很难找到纯的X-ray源掩膜制造存在挑战不大可能在生产中使用X射线光刻（X-raylithography）λ＝2-486X-rayPrintingX-rayPrinting87电子束曝光E-Beamλ＝几十－100Å；可获得最小尺寸:14nm用于制造掩膜和刻线可以直写,不需要掩膜–效率很低电子束曝光E-Beamλ＝几十－100Å；可获得最小尺寸:88光刻总结光刻：临时的图形转移过程IC生长中最关键的工艺需要：高分辨率、低缺陷密度光刻胶：正和负工艺过程：预烘、底胶旋涂、PR旋涂、前烘、对准、曝光、后烘PEB、显影、坚膜、检测分辨率R与λ、NA的关系下一代光刻技术：EUV和电子束光刻光刻总结光刻：临时的图形转移过程89Etch刻蚀熟悉刻蚀术语比较：干法刻蚀、湿法刻蚀IC工艺中四种被刻蚀的材料和主要的刻蚀剂IC工艺的刻蚀过程注意刻蚀工艺中的危险Etch刻蚀熟悉刻蚀术语90刻蚀定义从晶圆表面去除一定材料化学、物理过程或两者结合选择性或覆盖刻蚀选择性刻蚀转移光刻胶上的IC设计图形到晶圆表面其它应用:制造掩膜,印制电路板,艺术品,等等刻蚀定义从晶圆表面去除一定材料91栅掩膜对准GateMaskAlignment栅掩膜对准GateMaskAlignment92栅掩膜曝光GateMaskExposure栅掩膜曝光GateMaskExposure93Development/HardBake/InspectionDevelopment/HardBake/Inspecti94EtchPolysilicon刻蚀多晶硅EtchPolysilicon刻蚀多晶硅95EtchPolysilicon继续EtchPolysilicon继续96StripPhotoresist光刻胶剥离StripPhotoresist光刻胶剥离97离子注入IonImplantation离子注入IonImplantation98快速热退火RapidThermalAnnealing快速热退火RapidThermalAnnealing99刻蚀术语刻蚀速率选择比刻蚀均匀性刻蚀剖面湿法刻蚀干法刻蚀RIE：反应离子刻蚀刻蚀术语刻蚀速率100刻蚀速率Δd=d0-d1

(Å)厚度变化量；t刻蚀时间(min)PE-TEOSPSG薄膜,1min在6:1BOEat22°C,刻蚀前,t=1.7mm,湿法刻蚀后,t=1.1mm刻蚀速率Δd=d0-d1(Å)厚度变化量；t刻101刻蚀选择比选择性是指不同材料刻蚀速率之比对底层的选择性，对光刻胶的选择性刻蚀选择比选择性是指不同材料刻蚀速率之比102举例PE-TEOSPSG薄膜刻蚀速率6000Å/min,硅刻蚀速率30Å/min,PSGtosilicon举例PE-TEOSPSG薄膜刻蚀速率6000Å/min103刻蚀均匀性圆片上和圆片间的重复性StandardDeviationNon-uniformity标准偏差不均匀性NpointsmeasurementsMax-MinUniformity最大最小均匀性刻蚀均匀性圆片上和圆片间的重复性104刻蚀剖面各向异性各向同性各向异性，锥形各向异性，内切刻蚀剖面各向异性各向同性各向异性，锥形各向异性，内切105刻蚀剖面各向异性，脚印各向异性，反脚印各向异性，反锥形各向异性，内切刻蚀剖面各向异性，脚印各向异性，反脚印各向异性，反锥形各向异106湿法刻蚀利用化学溶液溶解硅表面的材料副产物是气体、液体或可溶于刻蚀溶液的固体三个基本过程：刻蚀、漂洗、干燥湿法刻蚀利用化学溶液溶解硅表面的材料107湿法刻蚀纯化学腐蚀过程特点：各向同性剖面优点：工艺简单，腐蚀选择性好；缺点：钻蚀严重（各向异性差），难于获得精细图形在尺寸大于3μm的IC制造中广泛使用在现代IC制造仍然使用–硅片清洗–薄膜覆盖剥离–测试晶圆薄膜剥离和清洗湿法刻蚀纯化学腐蚀过程108湿法刻蚀剖面WetEtchProfiles不能用于特征尺寸小于3mm，由等离子体刻蚀替代湿法刻蚀剖面WetEtchProfiles不能用于特109湿法刻蚀SiO2氢氟酸溶液（HFSolution）常用配方(KPR胶）：HF:NH4F:H2O=3ml:6g:10ml(HF溶液浓度为48％)HF：腐蚀剂，SiO2+HF→H2[SiF6]+H2ONH4F：缓冲剂，NH4F→NH3↑+HF

SiO2+6HF®H2SiF6+2H2O广泛用于CVD薄膜质量控制湿法刻蚀SiO2氢氟酸溶液（HFSolution）110湿法刻蚀Si、Poly-SiHNO3-HF-H2O(HAC)混合液：HNO3：强氧化剂，先将Si氧化成SiO2；HF：腐蚀剂，腐蚀SiO2；HAC：抑制HNO3的分解；水或乙酸可以用于稀释蚀刻剂，降低刻蚀速率湿法刻蚀Si、Poly-SiHNO3-HF-H2O(HAC111隔离IsolationFormation隔离IsolationFormation112湿法刻蚀SiliconNitride热(150to200°C)磷酸H3PO4

溶液对siliconoxide有高选择性用于LOCOSandSTI氮化硅剥离湿法刻蚀SiliconNitride热(150to2113湿法刻蚀Aluminum溶液成分（示例）:80%磷酸,5%乙酸,5%硝酸,和10%水；加热42to450C硝酸氧化Al，同时磷酸去除氧化铝。乙酸降低刻蚀速率和硝酸的氧化速率湿法刻蚀Aluminum溶液成分（示例）:80%磷酸,114湿法刻蚀Titanium(H2O2)：(H2SO4)=1:1H2O2

氧化Ti形成TiO2H2SO4

与TiO2

反应，同时去除H2O2氧化Si和硅化物形成SiO2H2SO4

不与SiO2反应湿法刻蚀Titanium(H2O2)：(H2SO4)115影响刻蚀速率的因素温度Temperature化学溶液浓度Chemicalconcentration刻蚀薄膜的组成Compositionoffilmtobeetched影响刻蚀速率的因素温度Temperature116湿法刻蚀的危险性HFH3PO3HNO4腐蚀性Corrosive氧化剂Oxidizer特殊危险Specialhazard湿法刻蚀的危险性HF117湿法刻蚀的优点高选择性设备成本较低批处理,高产量湿法刻蚀的优点高选择性118湿法刻蚀的缺点各向同性不能刻蚀3mm以下图形化学品使用量高化学品危险–液体腐蚀–烟熏–爆炸危险湿法刻蚀的缺点各向同性119干法刻蚀优点：

①各向异性腐蚀强；

②分辨率高；

③刻蚀3μm以下线条。类型：①等离子体刻蚀：化学性刻蚀；②溅射刻蚀：纯物理刻蚀；③反应离子刻蚀（RIE）：结合①、②；PlasmaEtch等离子体刻蚀干法刻蚀优点：120干法刻蚀和湿法刻蚀的比较干法刻蚀和湿法刻蚀的比较121等离子体（Plasma）刻蚀a.产生等离子体:刻蚀气体经辉光放电后，成为具有很强化学活性的离子及游离基--等离子体。CF4RFCF3*、CF2*

、CF*

、F*BCl3

RFBCl3*、BCl2*、Cl*b.等离子体活性基团与被刻蚀材料发生化学反应。特点：选择性好；各向异性差。刻蚀气体：CF4、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。等离子体（Plasma）刻蚀a.产生等离子体:刻蚀气体经辉122溅射刻蚀a.形成能量很高的等离子体；

b.等离子体轰击被刻蚀的材料，使其被撞原子飞溅出

来，形成刻蚀。特点：各向异性好；选择性差。刻蚀气体：惰性气体；溅射刻蚀a.形成能量很高的等离子体；123反应离子刻蚀ReactiveIonEtch(RIE)同时利用了等离子刻蚀和溅射刻蚀机制(化学刻蚀和物理刻蚀的结合)活性离子反应＋离子轰击刻蚀气体：与等离子体刻蚀相同特点：刻蚀速率高且可控；刻蚀剖面各向异性且可控；选择性好且可控目前8英寸制造中所有图形都是由RIE刻蚀的反应离子刻蚀ReactiveIonEtch(RIE)124RIE试验RIE试验125EtchProcessSequenceEtchProcessSequence126PLASMAETCHEtchdielectricEtchsinglecrystalsiliconEtchpolysiliconEtchmetalPLASMAETCHEtchdielectric127DielectricEtchEtchoxide–Dopedandundopedsilicateglass–Contact(PSGorBPSG)–Via(USG,FSGorlow-kdielectric)Etchnitride–STI（浅槽隔离）–Bondingpad（压焊点）DielectricEtchEtchoxide128DielectricEtchFluorinechemistry4F+SiO2

®SiF4+2OCF4iscommonlyusedasfluorinesourceNF3andSF6havealsobeenused加入O2以提高刻蚀选择比，如图所示。DielectricEtchFluorinechemis129SingleCrystalSiliconEtchSmallamountO2forsidewallpassivationAlittleNF3forpreventingblacksiliconSingleCrystalSiliconEtchSma130PolysiliconEtchGatesandlocalinterconnections–Mostcriticaletchprocess,smallestCDCapacitorelectrodesforDRAMRequirehighselectivityoversilicondioxideCl2chemistryPolysiliconEtchGatesandloca131PolysiliconEtchPolysiliconEtch132MetalEtchFormetalinterconnectionMetalstack:TiN/Al•Cu/TiCl2asthemainetchantBCl3,N2areusedforsidewallpassivationO2isusedtoimproveselectivitytooxideMainchallenges:etchprofileandavoidingetchresidueMetalEtchFormetalinterconne133MetalEtchChemistriesMetalEtchChemistries134PhotoresistDryStripPhotoresistDryStrip135EtchSafetyCorrosiveandtoxicgases–Cl2,BCl3,SiF4andHBr–Couldbefatalifinhalationatahighconcentration(>1000ppm)RFpowercancauseelectricshock--CanbelethalathighpowerEtchSafetyCorrosiveandtoxic136PlasmaEtchTrendsPlasmaEtchTrends137刻蚀总结湿法刻蚀：化学刻蚀，各向同性，工艺简单，选择性高，粗线条，干法刻蚀：物理和/或化学（三种工艺），各向异性，设备复杂，分辨率高，细线条VLSI广泛使用干法刻蚀针对不同的材料，其典型的湿法腐蚀液（配方）及干法腐蚀剂刻蚀总结湿法刻蚀：化学刻蚀，各向同性，工艺简单，选择性高，粗138集成电路工艺基础微电子学院戴显英2014年9月5、光刻与刻蚀工艺（曝光、刻蚀）集成电路工艺基础微电子学院5、光刻与刻蚀工艺（曝光、刻139掌握光刻胶的组成+PR和–PR的区别描述光刻工艺的步骤四种对准和曝光系统Explainrelationshipsofresolutionanddepthoffocustowavelengthandnumericalaperture.掌握光刻胶的组成140光刻概述Photolithography临时性地涂覆光刻胶到硅片上把设计图形最终转移到硅片上IC制造中最重要的工艺占用40to50%芯片制造时间决定着芯片的最小特征尺寸光刻概述Photolithography临时性地涂覆光刻胶141ICProcessingFlowICProcessingFlow142光刻需要高分辨率HighResolution光刻胶高光敏性HighPRSensitivity精确对准PrecisionAlignment光刻需要高分辨率HighResolution143Photoresist(PR)－光刻胶光敏性材料临时性地涂覆在硅片表面通过曝光转移设计图形到光刻胶上类似于照相机胶片上涂覆的光敏材料Photoresist(PR)－光刻胶光敏性材料144PhotoresistNegativePhotoresist负性光刻胶－负胶PositivePhotoresist正性光刻胶－正胶曝光后不可溶解曝光后可溶解显影时未曝光的被溶解显影时曝光的被溶解便宜高分辨率PhotoresistNegativePhotoresis145NegativeandPositivePhotoresistsNegativeandPositivePhotores146正胶的曝光机理：重氮萘醌光分解反应正胶的曝光机理：重氮萘醌光分解反应147负胶的曝光机理：聚乙烯醇肉桂酸脂光聚合反应负胶的曝光机理：聚乙烯醇肉桂酸脂光聚合反应148PhotoresistComposition光刻胶基本组成聚合物材料(基体）感光材料溶剂添加剂PhotoresistComposition光刻胶基本组成149例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（负胶）①基体、感光剂－

聚乙烯醇肉桂酸脂浓度：5-10%②溶剂－环己酮浓度：90－95％③增感剂－5-硝基苊浓度：0.5-1%例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（负胶）①基体、感光剂－150负胶的缺点聚合物吸收显影液中的溶剂由于光刻胶膨胀而使分辨率降低其主溶剂，如二甲苯等会引起环境和安全问题负胶的缺点聚合物吸收显影液中的溶剂151ComparisonofPhotoresistsComparisonofPhotoresists152正胶PositivePhotoresist曝光部分可以溶解在显影液中正影（光刻胶图形与掩膜图形相同）更高分辨率（无膨胀现象）在IC制造应用更为普遍正胶PositivePhotoresist曝光部分可以溶153问题正胶比负胶具有更好的分辨率，为什么十九世纪八十年代以前人们普遍使用负胶？问题正胶比负胶具有更好的分辨率，为什么十九世纪八十年代以前人154答案因为正胶比负胶贵得多，直到器件特征尺寸减小到3um以下时人们才用正胶代替负胶。答案因为正胶比负胶贵得多，直到器件特征尺寸减小到3um以下时155对光刻胶的要求高分辨率–ThinnerPRfilmhashighertheresolution–ThinnerPRfilm,thelowertheetchingandionimplantationresistance高抗蚀性好黏附性思考题：为什么光刻胶越薄，分辨率越高？对光刻胶的要求高分辨率156光刻工艺PhotolithographyProcess光刻基本步骤•涂胶Photoresistcoating•对准和曝光Alignmentandexposure•显影Development光刻工艺PhotolithographyProcess157光刻工序光刻工序1581、清洗硅片WaferClean1、清洗硅片WaferClean1592、预烘和底膜涂覆Pre-bakeandPrimerVapor2、预烘和底膜涂覆Pre-bakeandPrimer1603、光刻胶涂覆PhotoresistCoating3、光刻胶涂覆PhotoresistCoating1614、前烘SoftBake4、前烘SoftBake1625、对准Alignment5、对准Alignment1636、曝光Exposure6、曝光Exposure1647、后烘PostExposureBake7、后烘PostExposureBake1658、显影Development8、显影Development1669、坚膜HardBake9、坚膜HardBake16710、图形检测PatternInspection10、图形检测PatternInspection168光刻1－硅片清洗（WaferClean）目的--去除污染物、颗粒--减少针孔和其它缺陷--提高光刻胶黏附性基本步骤–化学清洗–漂洗–烘干光刻1－硅片清洗（WaferClean）目的169光刻2－预烘和打底膜（Pre-bakeandPrimerVapor）脱水烘焙--去除圆片表面的潮气增强光刻胶与表面的黏附性通常大约100°C与底胶涂覆合并进行底胶广泛使用:Hexamethyldisilazane(HMDS，六甲基乙硅氮烷)HMDS的作用：去除SiO2表面的-OH基。光刻2－预烘和打底膜（Pre-bakeandPrimer170预烘和底胶蒸气涂覆预烘和底胶蒸气涂覆171光刻3－涂胶

（SpinCoating）硅圆片放置在真空卡盘上高速旋转液态光刻胶滴在圆片中心光刻胶以离心力向外扩展均匀涂覆在圆片表面设备--光刻胶旋涂机光刻3－涂胶（SpinCoating）硅圆片放置在真空172光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系173PhotoresistSpinCoaterEBR:Edgebeadremoval边缘修复PhotoresistSpinCoaterEBR:Ed174滴胶滴胶175光刻胶吸回光刻胶吸回176PhotoresistSpinCoatingPhotoresistSpinCoating177光刻4－前烘（SoftBake）①作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；

增加胶膜与SiO2（Al膜等）的粘附性及耐磨性。②影响因素：温度，时间。烘焙不足（温度太低或时间太短）－显影时易浮胶，

图形易变形。烘焙时间过长－增感剂挥发，导致曝光时间增长，

甚至显不出图形。烘焙温度过高－感光剂反应（胶膜硬化），

不易溶于显影液，导致显影不干净。光刻4－前烘（SoftBake）①作用：促进胶膜内溶剂充分178BakingSystemsBakingSystems1795&6、对准与曝光（AlignmentandExposure）MostcriticalprocessforICfabricationMostexpensivetool(stepper)inanICfab.MostchallengingtechnologyDeterminestheminimumfeaturesizeCurrently0.13μmandpushingto0.09or0.065μm5&6、对准与曝光（AlignmentandExposu180对准和曝光设备接触式曝光机接近式曝光机投影式曝光机步进式曝光机（Stepper）对准和曝光设备接触式曝光机181接触式曝光机设备简单分辨率：可达亚微米掩膜与圆片直接接触，

掩膜寿命有限微粒污染接触式曝光机设备简单182接近式曝光机掩膜与圆片表面有5－50μm间距优点：较长的掩膜寿命缺点：分辨率低（线宽>3um）接近式曝光机掩膜与圆片表面有5－50μm间距183投影式曝光机类似于投影仪掩膜与晶圆图形1:1分辨率：～1um投影式曝光机类似于投影仪184步进式曝光机现代IC制造中最常用的曝光工具通过曝光缩小掩膜图形以提高分辨率分辨率：0.25μm或更小设备很昂贵步进-&-重复步进式曝光机现代IC制造中最常用的曝光工具步进-&-重复185曝光光源短波长高亮度（高光强）稳定高压汞灯受激准分子激光器曝光光源短波长186汞灯的光谱汞灯的光谱187曝光机光源曝光机光源188驻波效应入射光与反射光干涉周期性过曝光和欠曝光影响光刻分辨率光刻胶中的驻波效应驻波效应入射光与反射光干涉光刻胶中的驻波效应189光刻7－曝光后烘焙（后烘，PEB）机理：光刻胶分子发生热运动，过曝光和欠曝光的光刻胶分子发生重分布；作用：平衡驻波效应，提高分辨率。PEB减小驻波效应光刻7－曝光后烘焙（后烘，PEB）机理：光刻胶分子发生热运动190光刻8－显影(Development)显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分从掩膜版转移图形到光刻胶上三个基本步骤:–显影–漂洗–干燥光刻8－显影(Development)显影液溶剂溶解掉光刻胶191显影:沉浸显影漂洗旋转干燥显影:沉浸显影漂洗旋转干燥192显影显影193显影后剖面正常显影过显影不完全显影欠显影显影后剖面正常显影过显影不完全显影欠显影194光刻9－坚膜（HardBake）蒸发PR中所有有机溶剂提高刻蚀和注入的抵抗力提高光刻胶和表面的黏附性聚合和使得PR更加稳定PR流动填充针孔光刻9－坚膜（HardBake）蒸发PR中所有有机溶剂195光刻胶热流动填充针孔光刻胶热流动填充针孔196坚膜（HardBake）热板最为常用检测后可在烘箱中坚膜坚膜温度:100到130°C坚膜时间：1到2分钟坚膜温度通常高于前烘温度坚膜（HardBake）热板最为常用197坚膜的控制坚膜不足－光刻胶不能充分聚合－造成较高的光刻胶刻蚀速率－黏附性变差过坚膜－光刻胶流动造成分辨率变差坚膜的控制坚膜不足198光刻胶流动过坚膜会引起太多的光刻胶流动，影响光刻的分辨率正常坚膜过坚膜光刻胶流动过坚膜会引起太多的光刻胶流动，影响光刻的分辨率正常199问题如果涂胶时用错光刻胶，会发生什么问题？

每种光刻胶都有不同的敏感性和粘性，都需要不同的旋转速率、斜坡速率、旋转时间、烘干时间和温度、曝光强度和时间、显影液和显影条件，因此图形转移将失败。问题如果涂胶时用错光刻胶，会发生什么问题？每种光刻胶都有200光刻10－图形检测（PatternInspection）•检查发现问题，剥去光刻胶，重新开始–光刻胶图形是暂时的–刻蚀和离子注入图形是永久的•光刻工艺是可以返工的，刻蚀和注入以后就不能再返工•检测手段：SEM（扫描电子显微镜）、光学显微镜光刻10－图形检测（PatternInspection）•201问题为什么不能用光学显微镜检查0.25um尺寸的图形?

因为特征尺寸(0.25mm=250nm)小于可见光的波长，可见光波长为390nm(紫光)to750nm(红光)问题为什么不能用光学显微镜检查0.25um尺寸的图形?因202图形检测未对准问题：重叠和错位-Run-out,Run-in,掩膜旋转，晶圆旋转，X方向错位，Y方向错位临界尺寸Criticaldimension(CD)（条宽）表面不规则：划痕、针孔、瑕疵和污染物图形检测未对准问题：重叠和错位203未对准问题未对准问题204图形检测通过图形检测，即可进入下一步工艺刻蚀或离子注入图形检测通过图形检测，即可进入下一步工艺205光刻间全部流程光刻间全部流程206未来趋势FutureTrends更小特征尺寸Smallerfeaturesize更高分辨率Higherresolution减小波长Reducingwavelength采用相移掩膜Phase-shiftmask未来趋势FutureTrends更小特征尺寸Sma207光衍射光衍射影响分辨率衍射光投射光强度光衍射光衍射影响分辨率衍射光投射光强度208衍射光的减小波长越短，衍射越弱光学凸镜能够收集衍射光并增强图像偏离的折射光被凸镜收集的衍射光衍射光的减小波长越短，衍射越弱偏离的折射光被凸镜收集的衍射光209数值孔径（NumericalAperture：NA）NA：表示凸镜收集衍射光的能力NA=2r0/D–r0

:凸镜的半径–D：目标（掩膜）与凸镜的距离NA越大，凸镜收集更多的衍射光，产生更尖锐的图形数值孔径（NumericalAperture：NA）NA：210分辨率

Resolution表征光刻精度；定义－光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。表示方法：每mm最多可容纳的线条数。若可分辨的最小线宽为L（线条间隔也L），则R＝1/(2L)(mm-1)R由曝光系统的光波长λ和数值孔径NA决定，R=K1λ/NA注：这里的R就是最小线宽L。K1为系统常数,λ光波长,NA=2r0/D；NA:凸镜收集衍射光的能力分辨率Resolution表征光刻精度；211举例1K1

=0.6，R=K1λ/NA举例1K1=0.6，R=K1λ/NA212提高分辨率提高NA–更大的凸镜,可能很昂贵而不实际

–减小DOF（焦深），会引起制造困难减小光波长

–开发新光源,PR和设备–波长减小的极限：UV到DUV,到EUV,到X-Ray减小K1–相移掩膜（Phaseshiftmask）提高分辨率提高NA213波长与电磁波频率RF:Radiofrequency;MW:Microwave;IR:infrared;UV:ultraviolet波长与电磁波频率RF:Radiofrequency;M214焦深(Depthoffocus，DOF)光焦点周围能获得清晰图形的范围焦深的表达式:DOF=K2λ/[2(NA)2]焦深(Depthoffocus，DOF)光焦点周围能获得215举例2K2

=0.6，DOF=K2λ/[2(NA)2]0.3630.161举例2K2=0.6，DOF=K2λ/[2(NA)2]0216I线和DUV（熟悉）汞灯i-line,365nm–常用在0.35mm光刻DUVKrF受激准分子激光器,248nm–0.25mm,0.18mmand0.13mm光刻ArF受激准分子激光器,193nm–应用:<0.13mmF2受激准分子激光器：157nm–仍处于研发阶段,<0.10mm应用I线和DUV（熟悉）汞灯i-line,365nm217I线和DUV当l<180nm时SiO2

会强烈吸收UV光

不能再使用石英作为掩膜和凸镜的材料157nmF2激光器光刻–低OH浓度的熔融石英,氟掺杂石英,氟化钙(CaF2),–使用相移掩膜,即使0.035mm都是可以的I线和DUV当l<180nm时SiO2会强烈吸收U218下一代光刻

NextGenerationLithography(NGL)超紫外ExtremeUV(EUV)lithographyX射线X-Raylithography电子束Electronbeam(E-beam)lithography下一代光刻

NextGenerationLithogra219未来趋势未来趋势220相移掩膜（PhaseShiftMask）d(nf

-1)=λ/2nf

:相移涂层的折射率薄膜铬图形相移涂层相移掩膜（PhaseShiftMask）d(nf-221相移掩膜(PSM)应用相移掩膜(PSM)应用222EUV超紫外l=10到14nm更高分辨率预期应用~2010年0.1mm和以下EUV超紫外l=10到14nm223X射线光刻（X-raylithography）

λ＝2-40Å，软X射线；类似于接近式曝光机很难找到纯的X-ray源掩膜制造存在挑战不大可能在生产中使用X射线光刻（X-raylithography）λ＝2-4224X-rayPrintingX-rayPrinting225电子束曝光E-Beamλ＝几十－100Å；可获得最小尺寸:14nm用于制造掩膜和刻线可以直写,不需要掩膜–效率很低电子束曝光E-Beamλ＝几十－100Å；可获得最小尺寸:226光刻总结光刻：临时的图形转移过程IC生长中最关键的工艺需要：高分辨率、低缺陷密度光刻胶：正和负工艺过程：预烘、底胶旋涂、PR旋涂、前烘、对准、曝光、后烘PEB、显影、坚膜、检测分辨率R与λ、NA的关系下一代光刻技术：EUV和电子束光刻光刻总结光刻：临时的图形转移过程227Etch刻蚀熟悉刻蚀术语比较：干法刻蚀、湿法刻蚀IC工艺中四种被刻蚀的材料和主要的刻蚀剂IC工艺的刻蚀过程注意刻蚀工艺中的危险Etch刻蚀熟悉刻蚀术语228刻蚀定义从晶圆表面去除一定材料化学、物理过程或两者结合选择性或覆盖刻蚀选择性刻蚀转移光刻胶上的IC设计图形到晶圆表面其它应用:制造掩膜,印制电路板,艺术品,等等刻蚀定义从晶圆表面去除一定材料229栅掩膜对准GateMaskAlignment栅掩膜对准GateMaskAlignment230栅掩膜曝光GateMaskExposure栅掩膜曝光GateMaskExposure231Development/HardBake/InspectionDevelopment/HardBake/Inspecti232EtchPolysilicon刻蚀多晶硅EtchPolysilicon刻蚀多晶硅233EtchPolysilicon继续EtchPolysilicon继续234StripPhotoresist光刻胶剥离StripPhotoresist光刻胶剥离235离子注入IonImplantation离子注入IonImplantation236快速热退火RapidThermalAnnealing快速热退火RapidThermalAnnealing237刻蚀术语刻蚀速率选择比刻蚀均匀性刻蚀剖面湿法刻蚀干法刻蚀RIE：反应离子刻蚀刻蚀术语刻蚀速率238刻蚀速率Δd=d0-d1

(Å)厚度变化量；t刻蚀时间(min)PE-TEOSPSG薄膜,1min在6:1BOEat22°C,刻蚀前,t=1.7mm,湿法刻蚀后,t=1.1mm刻蚀速率Δd=d0-d1(Å)厚度变化量；t刻239刻蚀选择比选择性是指不同材料刻蚀速率之比对底层的选择性，对光刻胶的选择性刻蚀选择比选择性是指不同材料刻蚀速率之比240举例PE-TEOSPSG薄膜刻蚀速率6000Å/min,硅刻蚀速率30Å/min,PSGtosilicon举例PE-TEOSPSG薄膜刻蚀速率6000Å/min241刻蚀均匀性圆片上和圆片间的重复性StandardDeviationNon-uniformity标准偏差不均匀性NpointsmeasurementsMax-MinUniformity最大最小均匀性刻蚀均匀性圆片上和圆片间的重复性242刻蚀剖面各向异性各向同性各向异性，锥形各向异性，内切刻蚀剖面各向异性各向同性各向异性，锥形各向异性，内切243刻蚀剖面各向异性，脚印各向异性，反脚印各向异性，反锥形各向异性，内切刻蚀剖面各向异性，脚印各向异性，反脚印各向异性，反锥形各向异244湿法刻蚀利用化学溶液溶解硅表面的材料副产物是气体、液体或可溶于刻蚀溶液的固体三个基本过程：刻蚀、漂洗、干燥湿法刻蚀利用化学溶液溶解硅表面的材料245湿法刻蚀纯化学腐蚀过程特点：各向同性剖面优点：工艺简单，腐蚀选择性好；缺点：钻蚀严重（各向异性差），难于获得精细图形在尺寸大于3μm的IC制造中广泛使用在现代IC制造仍然使用–硅片清洗–薄膜覆盖剥离–测试晶圆薄膜剥离和清洗湿法刻蚀纯化学腐蚀过程246湿法刻蚀剖面WetEtchProfiles不能用于特征尺寸小于3mm，由等离子体刻蚀替代湿法刻蚀剖面WetEtchProfiles不能用于特247湿法刻蚀SiO2氢氟酸溶液（HFSolution）常用配方(KPR胶）：HF:NH4F:H2O=3ml:6g:10ml(HF溶液浓度为48％)HF：腐蚀剂，SiO2+HF→H2[SiF6]+H2ONH4F：缓冲剂，NH4F→NH3↑+HF

SiO2+6HF®H2SiF6+2H2O广泛用于CVD薄膜质量控制湿法刻蚀SiO2氢氟酸溶液（HFSolution）248湿法刻蚀Si、Poly-SiHNO3-HF-H2O(HAC)混合液：HNO3：强氧化剂，先将Si氧化成SiO2；HF：腐蚀剂，腐蚀SiO2；HAC：抑制HNO3的分解；水或乙酸可以用于稀释蚀刻剂，降低刻蚀速率湿法刻蚀Si、Poly-SiHNO3-HF-H2O(HAC249隔离IsolationFormation隔离IsolationFormation250湿法刻蚀SiliconNitride热(150to200°C)磷酸H3PO4

溶液对siliconoxide有高选择性用于LOCOSandSTI氮化硅剥离湿法刻蚀SiliconNitride热(150to2251湿法刻蚀Aluminum溶液成分（示例）:80%磷酸,5%乙酸,5%硝酸,和10%水；加热42to450C硝酸氧化Al，同时磷酸去除氧化铝。乙酸降低刻蚀速率和硝酸的氧化速率湿法刻蚀Aluminum溶液成分（示例）:80%磷酸,252湿法刻蚀Titanium(H2O2)：(H2SO4)=1:1H2O2

氧化Ti形成TiO2H2SO4

与TiO2

反应，同时去除H2O2氧化Si和硅化物形成SiO2H2SO4

不与SiO2反应湿法刻蚀Titanium(H2O2)：(H2SO4)253影响刻蚀速率的因素温度Temperature化学溶液浓度Chemicalconcentration刻蚀薄膜的组成Compositionoffilmtobeetched影响刻蚀速率的因素温度Temperature254湿法刻蚀的危险性HFH3PO3HNO4腐蚀性Corrosive氧化剂Oxidizer特殊危险Specialhazard湿法刻蚀的危险性HF2