光刻与刻蚀工艺

光刻与刻蚀工艺第1页，课件共73页，创作于2023年2月第八章光刻与刻蚀工艺IC制造中最重要的工艺：①决定着芯片的最小特征尺寸②占芯片制造时间的40-50%③占制造成本的30%光刻：通过光化学反应，将光刻版（mask）上的图形转移到光刻胶上。刻蚀：通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到Si片上光刻三要素：①光刻机②光刻版（掩膜版）③光刻胶ULSI对光刻的要求：高分辨率；高灵敏的光刻胶；低缺陷；精密的套刻对准；第2页，课件共73页，创作于2023年2月第八章光刻与刻蚀工艺第3页，课件共73页，创作于2023年2月第4页，课件共73页，创作于2023年2月第5页，课件共73页，创作于2023年2月第6页，课件共73页，创作于2023年2月掩模版掩膜版的质量要求若每块掩膜版上图形成品率＝90％，则6块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）6＝53％；10块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）10＝35％；15块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）15＝21％；最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。掩膜版尺寸：①接触式和接近式曝光机：1∶1②分步重复投影光刻机（Stepper）：

4∶1；5∶1；10∶1第7页，课件共73页，创作于2023年2月CleanRoom洁净等级：尘埃数/m3；（尘埃尺寸为0.5μm）

10万级：≤350万，单晶制备；1万级：≤35万，封装、测试；

1000级：≤35000，扩散、CVD；

100级：≤3500，光刻、制版；深亚微米器件（尘埃尺寸为0.1μm）

10级：≤350，光刻、制版；1级：≤35，光刻、制版；第8页，课件共73页，创作于2023年2月第9页，课件共73页，创作于2023年2月8.1光刻工艺流程主要步骤：曝光、显影、刻蚀第10页，课件共73页，创作于2023年2月8.1光刻工艺流程8.1.1涂胶1.涂胶前的Si片处理

--例如SiO2光刻SiO2:亲水性；光刻胶：疏水性；①脱水烘焙:去除水分②HMDS底膜：增强附着力HMDS：六甲基乙硅氮烷，(CH3)6Si2NH作用：去掉SiO2表面的-OH第11页，课件共73页，创作于2023年2月第12页，课件共73页，创作于2023年2月8.1光刻工艺流程2.涂胶SpinCoating①对涂胶的要求：粘附良好，均匀，薄厚适当胶膜太薄－针孔多，抗蚀性差；胶膜太厚－分辨率低（分辨率是膜厚的5－8倍）②涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂√第13页，课件共73页，创作于2023年2月PhotoresistSpinCoaterEBR:Edgebeadremoval边缘修复第14页，课件共73页，创作于2023年2月8.1光刻工艺流程8.1.2前烘SoftBake①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。

第15页，课件共73页，创作于2023年2月8.1光刻工艺流程8.1.3曝光Exposure

光学曝光、X射线曝光、电子束曝光①光学曝光－紫外，深紫外ⅰ）光源：高压汞灯：紫外(UV），300－450nm；

i线365nm，h线405nm，g线436nm。准分子激光：深紫外(DUV），180nm～330nm。

KrF：λ=248nm；

ArF：λ=193nm；F2激光器：λ=157nm。第16页，课件共73页，创作于2023年2月8.1光刻工艺流程高压汞灯紫外光谱第17页，课件共73页，创作于2023年2月8.1光刻工艺流程ⅱ）曝光方式（曝光机）a.接触式：硅片与光刻版紧密接触。b.接近式：硅片与光刻版保持5-50μm间距。c.投影式：利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上

第18页，课件共73页，创作于2023年2月接触式曝光示意图步进-重复（Stepper）曝光示意图第19页，课件共73页，创作于2023年2月8.1光刻工艺流程②电子束曝光：λ＝几十---100Å；优点：分辨率高；不需光刻版（直写式）；缺点：产量低（适于制备光刻版）；③X射线曝光：λ＝2---40Å，软X射线；X射线曝光的特点：分辨率高，产量大。④极短紫外光（EUV）：λ＝10—14nm；下一代曝光方法第20页，课件共73页，创作于2023年2月8.1光刻工艺流程8.1.4显影Development①作用：将未感光的负胶或感光的正胶溶解去除，显现出所需的图形。②显影液：专用正胶显影液：含水的碱性显影液，如KOH、TMAH(四甲基氢氧化胺水溶液)，等。负胶显影液：有机溶剂，如丙酮、甲苯等。例，KPR（负胶）的显影液：丁酮－最理想；甲苯－图形清晰度稍差；三氯乙烯－毒性大。第21页，课件共73页，创作于2023年2月8.1光刻工艺流程③影响显影效果的主要因素：

ⅰ）曝光时间；

ⅱ）前烘的温度与时间；

ⅲ）胶膜的厚度；

ⅳ）显影液的浓度；

ⅴ）显影液的温度；④显影时间适当t太短：可能留下光刻胶薄层→阻挡腐蚀SiO2(金属）→氧化层“小岛”。t太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶→图形边缘破坏。第22页，课件共73页，创作于2023年2月涂胶→曝光→显影→刻蚀第23页，课件共73页，创作于2023年2月显影后剖面正常显影过显影不完全显影欠显影第24页，课件共73页，创作于2023年2月8.1光刻工艺流程8.1.5坚膜HardBake①作用：使软化、膨胀的胶膜与硅片粘附更牢；增加胶膜的抗蚀能力。②方法ⅰ）恒温烘箱：180－200℃，30min；ⅱ）红外灯：照射10min，距离6cm。③温度与时间ⅰ）坚膜不足：腐蚀时易浮胶，易侧蚀；ⅱ）坚膜过度：胶膜热膨胀→翘曲、剥落→腐蚀时易浮胶或钻蚀。若T>300℃：光刻胶分解，失去抗蚀能力。正常坚膜过坚膜第25页，课件共73页，创作于2023年2月8.1光刻工艺流程8.1.6刻蚀（腐蚀）①对腐蚀液（气体）的要求：既能腐蚀掉裸露的SiO2（金属），又不损伤光刻胶。②刻蚀腐蚀的方法ⅰ）湿法腐蚀：腐蚀剂是化学溶液。特点：各向同性腐蚀；分辨率低（粗线条）。ⅱ)干法腐蚀：腐蚀剂是活性气体，如等离子体。特点：各向异性强；分辨率高（细线条）。第26页，课件共73页，创作于2023年2月8.1光刻工艺流程8.1.7去胶①湿法去胶无机溶液去胶：H2SO4（负胶）；有机溶液去胶：丙酮（正胶）；②干法去胶：O2等离子体；第27页，课件共73页，创作于2023年2月1)清洗硅片WaferClean2)预烘和打底胶

Pre-bakeandPrimerVapor3）涂胶PhotoresistCoating4）前烘SoftBake光刻工艺PhotolithographyProcess第28页，课件共73页，创作于2023年2月5）对准Alignment6）曝光Exposure7）后烘PostExposureBake8）显影Development光刻工艺PhotolithographyProcess第29页，课件共73页，创作于2023年2月9）坚膜HardBake10）图形检测PatternInspection光刻工艺PhotolithographyProcess第30页，课件共73页，创作于2023年2月8.2分辨率分辨率R－表征光刻精度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。（或最细线条尺寸）若可分辨的最小线宽为L（线条间隔也L），则R＝1/(2L)(mm-1)或R=K1λ/NA（μm）---投影式曝光K1-系统常数,λ-波长,NA-数值孔径（凸镜收集衍射光的能力）1.影响R的主要因素：①曝光系统（光刻机）：如X射线（电子束）的R高于紫外光。②光刻胶：正胶的R高于负胶；③其他：掩模版、衬底、显影、工艺、操作者等。第31页，课件共73页，创作于2023年2月表1影响光刻工艺效果的一些参数第32页，课件共73页，创作于2023年2月8.2分辨率2.衍射对R的限制设一任意粒子（光子、电子），根据不确定关系，有

ΔLΔp≥h粒子束动量的最大变化为Δp=2p，相应地若ΔL为线宽，即为最细线宽，则最高分辨率

第33页，课件共73页，创作于2023年2月①对光子：p=h/λ，故。物理含义：光的衍射限制了线宽≥λ/2。最高分辨率限制：②对电子、离子：具有波粒二象性（德布罗意波），则，

最细线宽：a.E给定：m↑→ΔL↓→R↑，即R离子>R电子

b.m给定：E↑→ΔL↓→R↑第34页，课件共73页，创作于2023年2月8.3光刻胶的

基本属性1）光刻胶类型：正胶和负胶①正胶：显影时，感光部分溶解，未感光部分不溶解；②负胶：显影时，感光部分不溶解，不感光部分溶解。第35页，课件共73页，创作于2023年2月正胶（重氮萘醌）的光分解机理第36页，课件共73页，创作于2023年2月负胶（聚乙烯醇肉桂酸脂）的光聚合机理第37页，课件共73页，创作于2023年2月聚合物材料固体有机材料光照下不发生化学反应作用：保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性感光材料当被曝光时发生光化学反应而改变溶解性正性光刻胶：由不溶变为可溶负性光刻胶：由可溶变为不溶2）光刻胶的组分：基体（聚合物）材料、

感光材料、溶剂8.3光刻胶的基本属性第38页，课件共73页，创作于2023年2月溶剂使光刻胶在涂到硅片表面之前保持液态允许采用旋涂的方法获得薄层光刻胶薄膜添加剂不同的添加剂获得不同的工艺结果如：染料，降低反射;增感剂，增大曝光范围。2）光刻胶的组分：基体（聚合物）材料、

感光材料、溶剂第39页，课件共73页，创作于2023年2月8.3光刻胶的基本属性例如：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%第40页，课件共73页，创作于2023年2月8.3光刻胶的基本属性3）光刻胶光敏度S：完成所需图形的最小曝光量；表征：S=n/E，

E-曝光量（lx·s，勒克斯·秒）；n-比例系数；光敏度S是光刻胶对光的敏感程度的表征；正胶的S大于负胶第41页，课件共73页，创作于2023年2月8.3光刻胶的基本属性4）光刻胶抗蚀能力表征光刻胶耐酸碱（或等离子体）腐蚀的程度。对湿法腐蚀：抗蚀能力较强；干法腐蚀：抗蚀能力较差。负胶抗蚀能力大于正胶；抗蚀性与分辨率的矛盾：分辨率越高，抗蚀性越差；第42页，课件共73页，创作于2023年2月8.6紫外光曝光光源：紫外（UV）、深紫外（DUV）；方法：接触式、接近式、投影式；8.6.1水银弧光灯（高压汞灯）波长：UV，300－450nm，usedfor0.5，0.35μm；

g线：λ=436nm，

i线：λ=365nm。第43页，课件共73页，创作于2023年2月8.6紫外光曝光8.6.3准分子激光：准分子：只在激发态下存在，基态下分离成原子。波长：DUV，180nm～330nm。

KrF-λ=248nm，for0.25，0.18μm，0.13μm；

ArF-λ=193nm，for<0.13μm（90nm，65nm）；

F2-λ=157nm，for100-70nm。

第44页，课件共73页，创作于2023年2月8.6.4接近式曝光硅片与光刻版保持5－50μm间距。优点：光刻版寿命长。缺点：光衍射效应严重—分辨率低（线宽>3μm）。

第45页，课件共73页，创作于2023年2月8.6.5接触式曝光硅片与光刻版紧密接触。优点：光衍射效应小，分辨率高。缺点：对准困难，掩膜图形易损伤，成品率低。第46页，课件共73页，创作于2023年2月8.6.6投影式曝光利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上。第47页，课件共73页，创作于2023年2月8.6.6投影式曝光优点：光刻版不受损伤，对准精度高。缺点：光学系统复杂，对物镜成像要求高。用于3μm以下光刻。第48页，课件共73页，创作于2023年2月分步重复投影光刻机--Stepper采用折射式光学系统和4X~5X的缩小透镜。光刻版：4X~5X；曝光场：一次曝光只有硅片的一部分；采用了分步对准聚焦技术。第49页，课件共73页，创作于2023年2月Stepper第50页，课件共73页，创作于2023年2月8.7掩模版（光刻版）Mask8.7.1基版材料：玻璃、石英。要求：透光度高，热膨胀系数与掩膜材料匹配。8.7.2掩膜材料：①金属版（Cr版）：

Cr2O3抗反射层/金属Cr/Cr2O3基层特点：针孔少，强度高，分辨率高。②乳胶版－卤化银乳胶特点：分辨率低（2-3μm），易划伤。第51页，课件共73页，创作于2023年2月8.7掩模版（光刻版）Mask8.7.4移相掩模（PSM）PSM：Phase-ShiftMask作用：消除干涉，提高分辨率；原理：在Mask的透明图形上增加一个透明的介质层-移相器，使光通过后产生1800的相位差。第52页，课件共73页，创作于2023年2月基本概念刻蚀：从Si片表面去除不需要的材料，如Si、SiO2，金属、光刻胶等化学、物理过程或两者结合：湿法和干法各向同性与各向异性：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Etch刻蚀第53页，课件共73页，创作于2023年2月1）栅掩膜对准GateMaskAlignment2）栅掩膜曝光GateMaskExposure3）Development/HardBake/Inspection4）刻蚀多晶硅EtchPolysilicon刻蚀工艺举例第54页，课件共73页，创作于2023年2月5）继续EtchPolysilicon6）光刻胶剥离StripPhotoresist7）离子注入IonImplantation8）快速热退化RTA刻蚀工艺举例第55页，课件共73页，创作于2023年2月8.11湿法刻蚀特点：各相同性腐蚀。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。（刻蚀3μm以上线条）刻蚀的材料：Si、SiO2、Si3N4及金属；利用化学溶液溶解硅表面的材料三个基本过程：刻蚀、漂洗、干燥第56页，课件共73页，创作于2023年2月8.11.1Si的湿法刻蚀常用腐蚀剂①HNO3-HF-H2O(HAC)混合液

HNO3：强氧化剂；

HF：腐蚀SiO2；

HAC：抑制HNO3的分解；

Si+HNO3+HF→H2[SiF6]+HNO2+H2O+H2②KOH-异丙醇第57页，课件共73页，创作于2023年2月8.11.2SiO2的湿法腐蚀常用配方：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

第58页，课件共73页，创作于2023年2月8.11.3Si3N4的湿法腐蚀腐蚀液：热H3PO4，180℃；第59页，课件共73页，创作于2023年2月8.12干法腐蚀优点：各向异性腐蚀强；分辨率高；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；第60页，课件共73页，创作于2023年2月8.12.1干法刻蚀的原理①等离子体刻蚀原理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。第61页，课件共73页，创作于2023年2月8.12.1干法刻蚀的原理②溅射刻蚀原理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，Ar气；第62页，课件共73页，创作于2023年2月8.12.1干法刻蚀的原理③反应离子刻蚀原理同时利用了溅射刻蚀和等离子刻蚀机制；特点：各向异性和选择性兼顾。刻蚀气体：与等离子体刻蚀相同。第63页，课件共73页，创作于2023年2月8.12.2SiO2和Si的干法刻蚀刻蚀剂：CF4、CHF3、C2F6、SF6、C3F8

；等离子体：CF4→

CF3*、CF2*

、CF*

、F*化学反应刻蚀：F*+Si→SiF4↑F*+SiO2→SiF4↑+O2↑CF3*+SiO2→SiF4↑+CO↑+CO2↑

第64页，课件共73页，创作于2023年2月实际工艺：①CF4中加入O2

作用：调整选择比；机理：CF4+O2→F*+O*+COF*+COF2+CO+CO2

（初期：F*比例增加；后期：O2比例增加）

O2吸附在Si表面，影响Si刻蚀；第65页，课件共73页，创作于2023年2月②CF4中加H2作用：调整选择比；机理：F*+H*(H2)→HFCFX*(x≤3)+Si→SiF4+C(吸附在Si表面）CFX*(x≤3)+SiO2→SiF4+CO+CO2+COF2第66页，课件共73页，创作于2023年2月8.12.3Si3N4的干法刻蚀刻蚀剂：与刻蚀Si、SiO2相同。

Si3N4＋F*→SiF4↑+N2↑刻蚀速率：刻蚀速率介于SiO2与Si之间；（Si-N键强度介于Si-O键和Si-Si键）选择性：①CF4：刻蚀Si3N4/SiO2--选择性差；②CHF3：刻蚀Si3N4/SiO2--选择性为2-4。刻蚀Si3N4/Si--选择性为3-5；刻蚀SiO2/Si--