光刻与刻蚀工艺7

1、lithography,Introduction 光刻 洁净室 工艺流程 光刻机 光刻胶 掩膜版,图形曝光与刻蚀,图形曝光（lithography，又译光刻术） 利用掩膜版（mask）上的几何图形，通过光化学反应，将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜层上（称为光致抗蚀剂、光刻胶或光阻，resist，简称抗蚀剂）的一种工艺步骤 这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域，如离子注入、接触窗（contact window）与压焊（bondingpad）区。,刻蚀 由图形曝光所形成的抗蚀剂图案，并不是电路器件的最终部分，而只是电路图形的印模。为了产生电路图形，这些抗蚀剂图案必须再次转移至下层的器件

2、层上。 这种图案转移（pattern transfer）是利用腐蚀（etching）工艺，选择性地将未被抗蚀剂掩蔽的区域去除。,图形曝光与刻蚀,ULSI对光刻有哪些基本要求？,高分辨率 在集成电路工艺中，通常把线宽作为光刻水平的标志，一般也可以用加工图形线宽的能力来代表集成电路的工艺水平。 高灵敏度的光刻胶 光刻胶的灵敏度是指光刻胶的感光速度。 产品的产量 曝光时间 确保光刻胶各项属性均为优异的前提下，提高光刻胶的灵敏度,ULSI对光刻有哪些基本要求？,低缺陷 缺陷关系成品率 精密的套刻对准 集成电路芯片的制作需要经过多次光刻，在各次曝光图形之间要相互套准。 ULSI的图形线宽在1um以下，通

3、常采用自对准技术。 大尺寸硅片上的加工 ULSI的芯片尺寸为12cm2 提高经济效益和硅片利用率,洁净室（1）,洁净室（2）,洁净室的等级定义方式： （1）英制系统： 每立方英尺中直径大于或等于0.5um的尘埃粒子总数不准超过设计等级数值。 （2）公制系统 每立方米中直径大于或等于0.5um的尘埃粒子总数不准超过设计等级数值（以指数计算，底数为10）。,洁净室（3）,例子： （1）等级为100的洁净室（英制），直径大于或等于0.5um的尘埃粒子总数不超过100个/ft3 （2）等级为M3.5的洁净室（公制），直径大于或等于0.5um的尘埃粒子总数不超过103.5（约3500个/m3) 100个

4、/ft3= 3500个/m3 一个英制等级100的洁净室相当于公制等级M3.5的洁净室。,洁净室（4）,对一般的IC制造区域，需要等级100的洁净室，约比一般室内空气低4个数量级。 在图形曝光的工作区域，则需要等级10或1的洁净室。,lithography,Introduction 光刻 洁净室 工艺流程 光刻机 光刻胶 掩膜版,光刻原理（1）,掩膜版图形转移到光刻胶 在光刻过程中，光刻胶受到光辐射之后发生光化学反应，其内部分子结构发生变化，在显影液中光刻胶感光部分与未感光部分的溶解速度相差非常大。 利用光刻胶的这种特性，就可以在硅片的表面涂上光刻胶薄层，通过掩膜版对光刻胶辐照，从而使某些区域

5、的光刻胶感光之后，再经过显影就可以在光刻胶上留下掩膜版的图形。,光刻胶图形转移到硅表面的薄膜 在集成电路制作中，利用这层剩余的光刻胶图形作为保护膜，可以对硅表面没有被光刻胶覆盖的区域进行刻蚀，或者对这些区域进行离子注入，从而把光刻胶上的图形转移到硅表面的薄膜上去，由此形成各种器件和电路的结构，或者对未保护区进行掺杂。,光刻原理（2）,光刻原理（3）,光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机 光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体 光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变 光刻过程的主要步骤： 曝光、显影、刻

6、蚀,Process flow optical litho,光刻工艺过程,涂胶 coating 前烘 prebaking 曝光 exposure 显影 development 坚膜 postbake 刻蚀 etch 去胶 strip 检验 inspection,1、涂胶,1、涂胶,涂胶目的 在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没有缺陷的光刻胶薄膜。 怎样才能让光刻胶粘的牢一些？,可以开始涂胶了,怎么涂？ 旋转涂胶法：把胶滴在硅片，然后使硅片高速旋转，液态胶在旋转中因离心力作用由轴心沿径向（移动）飞溅出去，但粘附在硅表面的胶受粘附力的作用而留下。在旋转过程中胶所含的溶剂不断挥发，故可得到一层均匀

7、的胶膜 怎样才算涂的好？ 膜厚均匀，正胶2%，负胶5%,涂胶-转速Vs膜厚,转速Vs膜厚 其中：T表示膜厚，S表示转速；从上式可以看出，光刻胶的膜厚与旋转速度的平方根成反比。,2、前烘（softbake）再次改善光刻胶粘附性,目的 去除胶内的溶剂，提高胶的粘附力 提高胶的抗机械摩擦的能力 减小高速旋转形成的薄膜应力 条件: 温度 ：90 to 120 时间：60s to 120s,2、前烘（softbake）再次改善光刻胶粘附性,前烘不足 光刻胶与硅片黏附性变差 因光刻胶中溶剂含量过高致使曝光的精确度下降 前烘过量 延长时间，产量降低 过高的温度使光刻胶层的粘附性会因光刻胶变脆而降低 过高的温

8、度会使光刻胶中的感光剂发生反应，使光刻胶在曝光时的敏感度变差,3、曝光（Exposure）,3、曝光（Exposure）,曝光 光通过掩模版照射，使照射到的光刻胶起光化学反应 感光与未感光的光刻胶对碱性溶液的溶解度不同 掩模版上的图案，完整地传递(Transfer)到晶片表面的光阻上 目的： 确定图案的精确形状和尺寸 完成顺序两次光刻图案的准确套制,曝光后烘焙（PEB）,驻波效应 定义：入射光与反射光间的相长和相消干涉造成的效应 影响：曝光过程中，在曝光区与非曝光区边界将会出现驻波效应，影响显影后所形成的图形尺寸和分辨率 改善措施：曝光后烘焙,4、显影（Development）,4、显影（De

9、velopment）,原理 显影时曝光区与非曝光区的光刻胶不同程度的溶解 显影过程 把已曝光的硅晶片浸入显影液中，通过溶解部分光刻胶的方法使胶膜中的潜影显现出来的过程 显影留下的光刻胶图形将在后续的刻蚀和离子注入工艺中作为掩膜,4、显影（Development）,显影方式： 浸渍显影； 旋转喷雾显影 影响显影效果的因素 ： a.曝光时间； b.前烘的温度和时间； c.光刻胶的厚度； d.显影液的浓度； e.显影液的温度； f.显影液的搅拌情况,4、显影（Development）,4、显影（Development）,显影之后的检查 掩膜版选用是否正确 光刻胶的质量是否满足要求（污染、划痕、气泡和

10、条纹） 图形的质量（有好的边界，图形尺寸和线宽满足要求） 套准精度是否满足要求 光刻是唯一可以返工的工艺步骤,5、坚膜 显影后必须进一步增强光刻胶粘附力,坚膜 在光刻显影后，再经过一次烘烤，进一步将胶内残留的溶剂含量由蒸发降到最低，使其硬化 坚膜的目的 去除光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对硅片表面的附着力 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,5、坚膜 显影后必须进一步增强光刻胶粘附力,6、去胶,6、去胶,经过刻蚀或离子注入后，将光刻胶从表面除去 去胶方法 湿法去胶 有机溶液去胶 不腐蚀金属，去除Al上的光刻胶需用有机溶剂 无机溶液去胶 干法去胶 等离子体将光刻胶剥除 刻蚀效果好

11、，但有反应残留物玷污问题，故与湿法腐蚀搭配使用,lithography,Introduction 光刻 洁净室 工艺流程 光刻机 分辨率曝光光源 套准 光刻胶,光刻机,光刻机的性能可由下面三个参数来判别 分辨率,光刻机的性能可由下面三个参数来判别 套准精度 产率 对一给定的掩膜版，每小时能曝光完成的晶片数量,光刻机,光刻机发展为两大类型，即光学光刻机和非光学光刻机，如图所示。 光学光刻机采用紫 外线作为光源，而 非光学光刻机的 光源则来自电磁 光谱的其他成分。,曝光光源,曝光光源,普通光源 光的波长范围大，图形边缘衍射现象严重，满足不了特征尺寸的要求。 晶圆生产用的曝光光源,晶圆生产用的曝光光

12、源 最广泛使用的曝光光源是高压汞灯 产生的光为紫外光（UV） 三条发射线 I线(365nm) H线(405nm) G线(436nm) (0.35um工艺),曝光光源,晶圆生产用的曝光光源 产生的光为深紫外光（DUV） 氟化氪 KrF （248nm） （0.35um,0.25um,0.18 CMOS技术） 氟化氩 ArF （193nm） (0.2um以下工艺）,曝光光源,曝光光源,超细线条光刻技术 甚远紫外线(EUV) （13.4nm) 电子束光刻 (波粒二相性，更多显示粒子性） 以上两种曝光光源比较有前景，可以对亚100nm，亚50nm的特征尺寸进行光刻 X射线 离子束光刻,光学曝光方法,光学

13、曝光方法,遮蔽式曝光 接触式曝光 提供约1um的分辨率 对掩膜版造成损伤 接近式曝光 可以减小掩膜版损伤 间隙会在掩膜版图案边缘造成光学衍射 分辨率降低至2um5um,光学曝光方法,光学曝光方法,投影式曝光 利用投影的方法，将掩膜版上图案投影至相距好几厘米的晶片上。,（a）晶片整片扫描,（b）1：1步进重复,光学曝光方法,lithography,Introduction 光刻 洁净室 工艺流程 光刻机 分辨率曝光光源 套准 光刻胶,套准精度,对准 把所需图形在晶园表面上定位或对准。 如果说光刻胶是光刻工艺的“材料”核心，那么对准和曝光则是该工艺的“设备”核心。图形的准确对准是保证器件和电路正常

14、工作的决定性因素之一。,对准法则,第一次光刻只是把掩膜版上的Y轴与晶园上的平边成90，如图所示。 接下来的掩膜版都用对准 标记与上一层带有图形的 掩膜对准。对准标记是一 个特殊的图形（见图）， 分布在每个芯片图形的边 缘。经过光刻工艺对准标 记就永远留在芯片表面，同时作为下一次对准使用。,对准标记,未对准种类：(a) X方向 (b) 转动 (c) 伸出,lithography,Introduction 光刻 洁净室 工艺流程 光刻机 光刻胶 掩膜版,光刻胶的基本属性,主要有两种光刻胶： 正胶：曝光后显影时曝光部分被溶解，而没有曝光的部分留下来 邻叠氮醌类 负胶：曝光后显影时没有曝光部分被溶解，

15、而曝光的部分留下来聚乙烯醇肉桂酸酯和聚乙烯氧乙基肉桂酸酯,基本光刻技术,*实际工艺中正胶用的比较多，why?,a.分辨率高 b.抗干法腐蚀的能力较强 c.抗热处理的能力强 d.可用水溶液显影，溶涨现象小 e.可涂得较厚(2-3um)不影响分辨率，有较好台阶覆盖性 f.适合1：1及缩小的投影光刻 负胶也有一些优点，如: 粘附性好，抗湿法腐蚀能力强等,光刻胶的主要成分,1.树脂(高分子聚合物 ) 光照不发生反应，保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性，决定光刻胶薄膜的膜厚、弹性和热稳定性等,光刻胶的主要成分,2.光敏剂（PAC） 受光辐照之后会发生化学反应,光刻胶的主要成分,3.溶剂 使光刻胶在涂到硅片

16、表面之前保持为液态,光刻胶的基本属性,光学性质 光敏度，折射率 力学和化学性质 固溶度、粘滞度、粘着度、抗腐蚀性、热稳定性、流动性和对环境的敏感度 其它特性 纯度、金属含量、可应用的范围、储存的有效期和燃点,对比度 对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的倾角和线宽。 光刻胶的对比度越高，光刻胶层的侧面越陡，线宽描述掩模尺寸的准确度就越高。且陡峭的光刻胶在干法刻蚀中可以减小刻蚀过程中的钻蚀效应，从而提高分辨率。,光刻胶的基本属性,光刻胶的膨胀 在显影过程中，若显影液渗透到光刻胶中，光刻胶的体积就会膨胀，这将导致图形尺寸发生变化，影响分辨率。 正胶不发生膨胀，负胶发生膨胀现象。故正胶分辨率高于负胶，负

17、胶可通过减小厚度来提高分辨率 在相同的分辨率下，与负胶相比可以使用较厚的正胶，从而得到更好的平台覆盖并能降低缺陷的产生，同时抗干法刻蚀的能力也更强。,光刻胶的基本属性,光刻胶的基本属性,光敏度 指光刻胶完成所需图形曝光的最小曝光剂量 曝光剂量（mj/cm2）光强（单位面积的功率）曝光时间 光敏度由曝光效率决定 曝光效率：参与光刻胶曝光的光子能量与进入光刻胶中的光子能量的比值 正胶比负胶有更高的曝光效率，故正胶的光敏度大，光敏度大可减小曝光时间,光刻胶的基本属性,抗刻蚀能力 图形转移时，光刻胶抵抗刻蚀的能力。 光刻胶对湿法腐蚀有比较好的抗腐蚀能力，对大部分的干法刻蚀，光刻胶的抗刻蚀能力则比较差

18、热稳定性 通常干法刻蚀的工作温度比湿法腐蚀要高，所以光刻胶应能够承受200 以上的工作温度,光刻胶的基本属性,黏着力 在刻蚀过程中，如果光刻胶黏附不牢就会发生钻蚀和浮胶，这将直接影响光刻的质量，甚至使整个图形丢失。 增强黏附性的方法： 1.涂胶前脱水处理 2.使用增粘剂（HMDS) 3.提高坚膜的循环温度,光刻胶的基本属性,光刻胶的溶解度 光刻胶是由溶剂溶解了固态物质（如树脂）所形成的液体，其中溶解的固态物质所占的比重称为溶解度 光刻胶的粘滞度 影响甩胶后光刻胶膜厚,光刻胶的基本属性,微粒数量和金属含量 光刻胶的纯净度与光刻胶中的微粒数量和金属含量有关。 光刻胶的生产过程中需要经过严格的过滤和

19、包装，且需要在使用前过滤。随存储时间的增加，光刻胶中的微粒数量还会继续增加。 光刻胶中的金属含量主要指钠和钾的含量，钠和钾会带来污染，降低器件的性能。,储存寿命 光刻胶中的成分随时间和温度发生变化 通常正胶的寿命高于负胶的 在存储期间，由于交叉链接的作用，正胶中的高分子成分会增加，感光剂不可溶，结晶成沉淀物。,光刻胶的基本属性,lithography,Introduction 光刻 洁净室 工艺流程 光刻机 光刻胶 掩膜版,掩膜版,掩膜版上的图形代表 一层IC设计，将综合的 布局图按照IC工艺分成 各层掩膜版，如隔离区 为一层、栅极区为另一 层等，这些掩膜版的组 合就是一组IC工艺流程。,掩膜

20、板的制造,传统掩膜版是在石英板上淀积薄的铬(ge)层，在铬层上形成图形。 掩膜版是由电子束或者激光束直接刻写在铬层上的。 通常，制作一个完整的ULSI芯片需要20到25块不同的掩膜。,掩膜版的构成 石英玻璃板 铬层 铬的氮化物或氧化物+铬+抗反射层 掩膜版的保护膜：密封掩膜版，防止空气中的微粒以及其它形式的污染,掩膜板的制造,掩膜板的制造,掩膜版好坏的关键因素：缺陷密度 缺陷的产生原因 制造掩膜版时产生 图形曝光时产生 缺陷密度对IC成品率的影响 其中：D为每单位面积致命缺陷的平均数，A为IC芯片的面积，N为掩膜版的层数,要提高大面积芯片的成 品率，掩膜版的检查与 清洗是非常重要的。,分辨率增

21、强技术移相掩膜,移相掩膜（phase-shifting mask, PSM) 在IC工艺中，光学图形曝光系统追求较佳的分辨率、较深的聚焦深度与较广的曝光宽容度 基本原理是在掩膜版的某些透明图形上增加或减少一个透明的介质层，称为移相器，使光波通过这个介质层后产生180度的相位差，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，提高曝光的分辨率。,lithography,Introduction 光刻 刻蚀 湿法刻蚀 干法刻蚀,什么叫刻蚀？,刻蚀把进行光刻前所沉积的薄膜中没有被光刻胶覆盖及保护的部分，以化学反应或是物理作用的方式加以去除，以完成转移掩膜图案到薄膜上面的目的。 刻蚀分

22、类 湿法刻蚀（ WET ETCHING ） ：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法 干法刻蚀（ DRY ETCHING） ：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的,刻蚀术语,BIAS （偏差） 腐蚀后的图形与版图的水平偏差。 TOLERANCE （容差） 各批图形间的偏差。 ETCHING RATE （腐蚀速率均匀度） =（ 最高速率-最低速率 ）/（最高速率+最低速率 ）*100%,OVER ETCHING （过腐蚀） SELECTIVITY （选择性） SFS= 腐蚀FIL

23、M速率 / 腐蚀SUBSTRATE速率,会出现光刻胶的钻蚀-方向性,腐蚀剂会腐蚀衬底而改变衬底形貌-选择性,lithography,Introduction 光刻 刻蚀 湿法刻蚀 干法刻蚀,刻蚀,湿法腐蚀： 湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用 优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低 缺点是钻蚀严重、各向同性腐蚀，对图形的控制性较差 在工业生产中一般以3um线宽为界限，小于3um普遍应用干法刻蚀技术。,各向同性和异性,假设hf为下层材料的厚度，l为抗蚀剂底下的侧面钻蚀距离，可以定义各向异性的比值Af为：,其中：t为时间，而Rl和Rv则分别为水平方向与垂直方向腐蚀的速率；对各向

24、同性腐蚀而言，RlRv，Af0；对各向异性腐蚀的极限情况而言，Rl0，Af1；,湿法刻蚀技术 （1）,Wet Etching Silicon （硅刻蚀） 腐蚀液成份：HNO3、HF、CH3COOH（水） 醋酸比水好，可以抑制HNO3的分解 反应方程： Si+HNO3+6HF H2SiF6+HNO3+H2+H2O 混合液成份不同腐蚀速率不同 各向同性腐蚀,Wet Etching Silicon Dioxide （二氧化硅刻蚀） 腐蚀液成份：HF、氟化氨（NH4F）水溶液 反应方程： SiO2+6HF H2+SiF6+2H2O 腐蚀液中加入一定的氟化氨作为缓冲剂 形成的腐蚀液称为BHF，又称作缓冲

25、氧化层腐蚀（buffered-oxide-etch,BOE),湿法刻蚀技术 （2）,湿法刻蚀技术 （3）,Wet Etching Si3N4（氮化硅刻蚀） 腐蚀液成份： 180浓度为85的磷酸溶液,Wet Etching Al（铝刻蚀） 腐蚀液成份:,lithography,Introduction 光刻 刻蚀 湿法腐蚀 干法刻蚀,溅射与离子束铣（xi）蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差 等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放电产生的游离基（游离态的原子、分子或原子团）与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差 反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称为RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，RIE已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术,DRY ETCHING 干法刻蚀,DRY ETCHING 干法刻蚀,干法刻蚀优点： 分辨率高 各向异性腐蚀能力强 某些情况下腐蚀选择比大 均匀性、重复性好 便于连续自动操作,干法刻蚀的应用 Si，Si3