第九章 基本光刻工艺

第九章基本光刻工艺第1页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－2－第2页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－3－负光刻胶显影

当负性光刻胶经过曝光后，它会发生聚合，在聚合与未聚合之间有足够高的分辨率，从而在显影过程中聚合的区域只会失去很小部分光刻胶，而未聚合的区域则在显影过程中分解，但由于两个区域之间总是存在过渡区，过渡区是部分聚合的光刻胶，所以，显影结束后必须及时冲洗，使显影液很快稀释，保证过渡区不被显影，使显影后的图形得以完整。第3页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－4－正光刻胶显影

对于正性光刻胶，聚合与未聚合区域的溶解率约为1:4。这意味着在显影中总会从聚合的区域失去一些光刻胶。使用过渡的显影液或显影时间过长都会导致光刻胶太薄而不能使用。通常要求不高的正光刻胶显影使用减－水溶液和非离子溶液，对制造敏感电路使用叠氮化四甲基铵氢氧化物的溶液。正性光刻胶的显影工艺比负性光刻胶更为敏感，影响的因素有：软烘焙时间和温度、曝光度、显影液浓度、时间、温度以及显影方法。显影工艺参数由所有变量的测试来决定。图9.4显示了一个特定的工艺参数对线宽的影响。第4页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－5－

图9.4显影剂温度和曝光关系与线宽变化的比较第5页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－6－显影方式

显影方式分为：湿法显影干法（等离子）显影湿法显影

沉浸喷射混凝沉浸显影

最原始的方法。就是将待显影的晶园放入盛有显影液的容器中，经过一定的时间再放入加有化学冲洗液的池中进行冲洗。比较简单，但存在的问题较多，比如：液体表面张力会阻止显影液进入微小开孔区；溶解的光刻胶粘在晶园表面影响显影质量；随着显影次数增加显影液的稀释和污染；显影温度对显影率的影响等。喷射显影

显影系统如图9.7所示。由此可见，显影剂和冲洗液都是在一个系统内完成，每次用的显影液第6页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－7－

和冲洗液都是新的，所以较沉浸系统清洁，由于采用喷射系统也可大大节约化学品的使用。所以此工艺很受欢迎，特别是对负性光刻胶工艺。

对正性光刻胶工艺来说因为温度的敏感性，当液体在压力下从喷嘴喷出后很快冷却，要保证温度必须加热晶园吸盘。从而增加了设备的复查性和工艺难度。

第7页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－2－混凝显影

虽然喷射显影有很多有点，但对正性光刻胶显影还存在一些问题，混凝显影就是针对所存在地问题而改进的一种针对正性胶的光刻工艺，差别在于显影化学品的不同。如图所示，首先在静止的晶园表面上覆盖一层显影液，停留一段时间（吸盘加热过程），在此过程中，大部分显影会发生，然后旋转并有更多的显影液喷到晶园表面并冲洗、干燥。第8页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－9－干法显影液体工艺的自动化程度不高，并且化学品的采购、存储、控制和处理费用昂贵，取代液体化学显影的途径是使用等离子体刻蚀工艺，该工艺现已非常成熟。在此工艺中，离子从等离子体场得到能量，以化学形式分解暴露的晶园表面层。干法光刻显影要求光刻胶化学物的曝光或未曝光的之一易于被氧等离子体去除。具体内容在第十章中介绍。9.2硬烘焙

硬烘焙的作用是蒸发湿法显影过程中吸收在光刻胶中溶液，增加光刻胶和晶园表面的粘结能力，保证下一步的刻蚀工艺得以顺利进行。第9页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－10－硬烘焙方法在方法和设备上与前面介绍的软烘焙相似。烘焙工艺

时间和温度仍然是主要的工艺参数，一般是制造商推荐，工艺工程师精确调整。对一般使用的对流炉，温度：130～200℃，时间：30分钟。对其他方法温度和时间各不相同。热烘焙增加粘度的机理是光刻胶的脱水和聚合，从而增加光刻胶的耐蚀性。

烘焙温度太低，脱水和聚合不彻底，温度太高光刻胶容易变软甚至流动（如图9.9所示），所以温度的控制极为严格。硬烘焙是在显影后立即进行，或者在刻蚀前进行，工艺流程如图9.10

所示。第10页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－11－图9.9光刻胶在高温下的流动第11页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－12－显影检验

任何一次工艺过后都要进行检验，经检验合格的晶园流入下一道工艺，对显影检验不合格的晶园可以返工重新曝光、显影。工艺流程如图所示。显影检验的内容

图形尺寸上的偏差，定位不准的图形，表面问题（光刻胶的污染、空洞或划第12页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－13－第13页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－14－

伤），以及污点和其他的表面不规则等。检验方法

人工检验自动检验人工检验

下图是一个典型的人工检验次序和内容第14页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－15－自动检验

随着晶园尺寸增大和元件尺寸的减小，制造工艺变得更加繁多和精细，人工检验的效力也到了极限。可探测表面和图形失真的自动检验系统成了在线和非在线检验的选择。详细内容在第14章中介绍。9.4刻蚀

在完成显影检验后，掩膜版的图形就被固定在光刻胶膜上并准备刻蚀。经过刻蚀图形就永久留在晶园的表层。刻蚀工艺分为两大类：湿法和干法刻蚀。

无论那一种方法，其目的都是将光刻掩膜版上的图形精确地转移到晶园表面。同时要求一致性、边缘轮廓控制、选择性、洁净度都符合要求。第15页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－16－光刻胶被刻蚀材料(a)有光刻胶图形的衬底(b)刻蚀后的衬底光刻胶被保护层第16页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－17－湿法各向同性化学腐蚀层（各向同性刻蚀是在各个方向上以同样的速度进行刻蚀）衬底膜胶第17页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－18－具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀（各向异性刻蚀是仅在一个方向刻蚀）ResistSubstrateFilm第18页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－19－湿法刻蚀

最原始的刻蚀工艺，就是将晶园沉浸于装有刻蚀液的槽中经过一定的时间，再传送到冲洗设备中除去残余的酸（刻蚀液）在进行最终的冲洗和甩干。此工艺只能用于特征尺寸大于3µm的产品，小于3µm的产品由于控制和精度的需要一般使用干法刻蚀了。

刻蚀的一致性和工艺控制由附加的加热和搅动设备来提高，常用的是带有超声波的刻蚀槽。刻蚀液的选择要求具有良好的选择性，即在刻蚀时要有均匀去掉晶园表层而又不伤及下一层的材料。

刻蚀时间是一个重要的工艺参数，最短时间是保证彻底、干净的均匀刻蚀；而最长时间受限于光刻胶在晶园表面的粘结时间。第19页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－20－刻蚀工艺中容易出现的问题：过刻蚀、内切、选择性和侧边的各向异性/各向同性刻蚀。不完全刻蚀

是指表面层刻蚀不彻底，如图所示。

产生的原因：太短的刻蚀时间；薄厚不均匀的待刻蚀层；过低的刻蚀温度。过刻蚀和底切

与不完全刻蚀相反，不过通常是有意识的过刻蚀，因为恰到好处是很难做到的。理想的刻蚀应该是形成垂直的侧边（如图所示），产生这种理想结果的刻蚀技术叫做各向异性刻蚀。然而，刻蚀总是在各个方向同时进行的，这样就避免不第20页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－21－

了在侧面形成一个斜面，这种现象称为底切（如图所示）。刻蚀的目标是把这种底切控制在一个可以接受的范围内。由于这种底切的存在，在电路设计时必须考虑（即各器件之间留有余量以防止电路短路）。彻底解决底切的方法是采用等离子体刻蚀。第21页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－22－产生底切的原因

除了各向同性刻蚀以外，产生底切的原因有：时间过长、温度过高、刻蚀液浓度太高、光刻胶和晶园表面的粘结力较弱、开孔边缘粘结力失效等。选择性

理想的刻蚀特性是：既要把该刻蚀的彻底、干净地刻蚀掉，又要把不该刻蚀的原样保留。这就是刻蚀的选择性。尽管不能完全做到，但在刻蚀液的选择上尽量保证。同一种刻蚀液对不同的材料刻蚀速度是不同的，通常用刻蚀速率来描写。比如：SiO2/Si的选择性从20～40。高选择性意味着下表层很少或没有被刻蚀。第22页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－23－不同材料的刻蚀其工艺略有不同，不同材料的不同刻蚀工艺见9.54～9.510节。9.6干法刻蚀

对于小尺寸湿法刻蚀的局限性前面已经提到，主要包括：局限于3µm以上的图形尺寸；各向同性刻蚀导致边侧形成斜坡；要求冲洗和干燥步骤；潜在地污染；光刻胶粘结力失效导致底切。

基于这些原因，干法刻蚀主要用于先进电路的小尺寸精细刻蚀中。干法刻蚀是指以气体为主要媒体的刻蚀技术，晶园不需要液体化学品或冲洗，刻蚀过程在干燥的状态进出系统。刻蚀方法见下图。第23页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－24－干法刻蚀与湿法刻蚀相比的优点：刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的恻壁剖面控制；好的CD控制；最小的光刻胶脱落或黏附问题；好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性；较低的化学制品使用和处理费用。第24页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－25－等离子体

等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包括中性原子或分子、带电离子和自由电子。当从中性原子中去除一个价电子时，形成正离子和自由电子。例如，当原子结构内的原子和电子数目相等时氟是中性的，当一个电子从它的核内分离出去后氟就离子化了（见下图）。在一个有限的工艺腔内，利用强直流或交流磁场或用某些电子源轰击气体原子都会导致气体原子的离子化。

第25页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－26－等离子体刻蚀离子的形成

F+9离子是质子（＋）与电子（－）数不等地原子电子从主原子中分离出来.少一个电子的氟原子到原子失去一个电子时产生一个正离子

F+9具有质子（＋9）和电子（－9）数目相等地中性粒子是原子氟原子总共有7个价电子价层环最多能有8个电子价层电子（－）内层电子（－）在原子核中的质子（未显示电子）第26页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－27－硅片的等离子体刻蚀过程

8) 副产物去除

1) 刻蚀气体进入反应室衬底刻蚀反应室

2)

电场使反应物分解

5) 反应离子吸附在表面

4) 反应正离子轰击表面

6) 原子团和表面膜的表面反应排气气体传送RF发生器副产物

3) 电子和原子结合产生等离子体

7) 副产物解吸附阴极阳极电场ll各向异性刻蚀各向同性刻蚀第27页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－28－等离子体刻蚀反应器园桶式等离子体刻蚀机

早期的离子体系统被设计成圆柱形的（如图），在0.1～1托的压力下具有几乎完全的化学各向同性刻蚀，硅片垂直、小间距地装在一个石英舟上。射频功率加在圆柱两边的电极上。第28页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－29－平板（平面）等离子体刻蚀机

平板（平面）等离子体刻蚀机有两个大小和位置对称的平行金属板，一个硅片背面朝下放置于接地的阴极上面，RF信号加在反应器的上电极。由于等离子体电势总是高于地电势，因而是一种带能离子进行轰击的等离子体刻蚀模式。相对于桶形刻蚀系统，具有各向异性刻蚀的特点，从而可得几乎垂直的侧边。另外，旋转晶园盘可增加刻蚀的均匀性。该系统可设计成批量和单个晶园反应室设置。单个晶园系统因其可对刻蚀参数精密控制，以得到均匀刻蚀而受到欢迎。

第29页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－30－平板等离子体刻蚀第30页，课件共39页，创作于2023年2月粒子束刻蚀

粒子束刻蚀也是干法刻蚀的一种，与化学等离子体刻蚀不同的是粒子束刻蚀是一个物理工艺。如图所示，晶园在真空反应室内被置于固定器上，并且向反应室导入氩气流。氩气进入反应室便受到从一对阴阳极来的高能电子束流的影响。电子将氩原子离子化成带正电荷的高能状态。由于晶园位于接负极的固定器上，从而氩离子便被吸向固定器。在移动的同时被加速以提高能量。在晶园表面上它们轰击进入暴露的晶园层并从晶园表面炸掉一小部分从而达到刻蚀的目的。

第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－31－第31页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－32－优点：刻蚀的方向性非常好（属于各向异性），非常适合高精度的小开口区域刻蚀缺点：选择性差，存在离子化形成的辐射损害。粒子束轰击示意图第32页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－33－干法刻蚀中光刻胶的影响

对于湿法和干法刻蚀两种工艺，图形保护层是光刻胶层。在湿法刻蚀中对光刻胶层几乎没有来自刻蚀剂的刻蚀。然而在干法刻蚀中，残余的氧气会刻蚀光刻胶层。因此光刻胶层必须保证足够的厚度以应付刻蚀剂的刻蚀而不至于变薄出现空洞。另一个与光刻胶相关的干法刻蚀问题是光刻胶烘焙。在干法刻蚀反应室内，温度可升到200℃，这样的温度可把光刻胶烘焙到一个难于从晶园表面去除的状态，还有就是高温下光刻胶的流动倾向会使图形变差。第33页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－34－9.7光刻胶的去除

刻蚀工艺完成后，作为刻蚀阻挡层的光刻胶已经完成任务，必须从表面去掉。传统的方法是用湿法化学工艺去除，尽管有一些问题，湿法去除在前线工艺还是经常采用的一种方法（特别是硅片表面和MOS栅极暴露并易于受到等离子体中氧气离子的损伤）。另一种是干法的等离子体去除，在后线工艺中经常采用（此时硅片和MOS栅极已经被绝缘和金属层覆盖）。

湿法去除有许多不同的化学品被由于去除工艺，其选择依据是晶园表层、产品考虑、光刻胶极性和光刻胶的状态（见下图）。第34页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－35－湿法光刻胶去除表优点：成本有效性好；可有效去除金属离子；低温工艺并且不会将晶园暴露于可能的损伤性辐射。第35页，课件共39页，创作于2023年2月第九章基本光刻工艺----