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1、集成电路工艺基础集成电路工艺基础微电子学院微电子学院 戴显英戴显英2012014 4年年9 9月月5、光刻与刻蚀工艺（曝光、刻蚀）、光刻与刻蚀工艺（曝光、刻蚀）Jincheng Zhang掌握n光刻胶的组成n+PR 和 PR的区别n描述光刻工艺的步骤n四种对准和曝光系统nExplain relationships of resolution and depth of focus to wavelength and numerical aperture.Jincheng Zhang光刻概述 Photolithographyn临时性地涂覆光刻胶到硅片上n把设计图形最终转移到硅片上nIC制造中最重要
2、的工艺n占用40 to 50%芯片制造时间n决定着芯片的最小特征尺寸Jincheng ZhangIC Processing FlowJincheng Zhang光刻需要n高分辨率 High Resolutionn光刻胶高光敏性 High PR Sensitivityn精确对准 Precision AlignmentJincheng ZhangPhotoresist(PR)光刻胶n光敏性材料n临时性地涂覆在硅片表面n通过曝光转移设计图形到光刻胶上n类似于照相机胶片上涂覆的光敏材料Jincheng ZhangPhotoresistNegative Photoresist负性光刻胶负胶Positiv
3、e Photoresist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Jincheng ZhangNegative and Positive PhotoresistsJincheng Zhang正胶的曝光机理：重氮萘醌光分解反应Jincheng Zhang负胶的曝光机理：聚乙烯醇肉桂酸脂光聚合反应Jincheng ZhangPhotoresist Composition光刻胶基本组成n聚合物材料(基体）n感光材料n溶剂n添加剂Jincheng Zhang例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（负胶）基体、感光剂 聚乙烯醇肉桂酸脂n浓度：5-10%溶剂环己酮n浓度
4、：9095增感剂5-硝基苊n浓度：0.5-1%Jincheng Zhang负胶的缺点n聚合物吸收显影液中的溶剂n由于光刻胶膨胀而使分辨率降低n其主溶剂，如二甲苯等会引起环境和安全问题Jincheng ZhangComparison of PhotoresistsJincheng Zhang正胶 Positive Photoresistn曝光部分可以溶解在显影液中n正影（光刻胶图形与掩膜图形相同）n更高分辨率（无膨胀现象）n在IC制造应用更为普遍Jincheng Zhang问题n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？Jincheng Zhang答案n因为正胶比负
5、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。Jincheng Zhang对光刻胶的要求n高分辨率 Thinner PR film has higher the resolution Thinner PR film,the lower the etching and ion implantation resistancen高抗蚀性n好黏附性思考题：为什么光刻胶越薄，分辨率越高？Jincheng Zhang光刻工艺 Photolithography Processn光刻基本步骤 涂胶 Photoresist coating 对准和曝光 Alignment and exposu
6、re 显影 DevelopmentJincheng Zhang光刻工序Jincheng Zhang1、清洗硅片 Wafer CleanJincheng Zhang2、预烘和底膜涂覆 Pre-bake and Primer VaporJincheng Zhang3、光刻胶涂覆 Photoresist CoatingJincheng Zhang4、前烘 Soft BakeJincheng Zhang5、对准 AlignmentJincheng Zhang6、曝光ExposureJincheng Zhang7、后烘 Post Exposure BakeJincheng Zhang8、显影 Devel
7、opmentJincheng Zhang9、坚膜 Hard BakeJincheng Zhang10、图形检测 Pattern InspectionJincheng Zhang光刻1硅片清洗（Wafer Clean）n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n基本步骤 化学清洗 漂洗 烘干Jincheng Zhang光刻2预烘和打底膜（Pre-bake and Primer Vapor）n脱水烘焙-去除圆片表面的潮气n增强光刻胶与表面的黏附性n通常大约100 Cn与底胶涂覆合并进行n底胶广泛使用:Hexamethyldisilazane(HMDS，六甲基乙硅氮烷)nH
8、MDS的作用：去除SiO2表面的-OH基。Jincheng Zhang预烘和底胶蒸气涂覆Jincheng Zhang光刻3涂胶 （Spin Coating）n硅圆片放置在真空卡盘上n高速旋转n液态光刻胶滴在圆片中心n光刻胶以离心力向外扩展n均匀涂覆在圆片表面n设备-光刻胶旋涂机Jincheng Zhang光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系Jincheng ZhangPhotoresist Spin CoaterEBR:Edge bead removal边缘修复Jincheng Zhang滴胶Jincheng Zhang光刻胶吸回Jincheng ZhangPhotoresist Spin Coa
9、tingJincheng Zhang光刻4前烘（Soft Bake）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。影响因素：温度，时间。n烘焙不足（温度太低或时间太短）显影时易浮胶，图形易变形。n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。n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。Jincheng ZhangBaking SystemsJincheng Zhang5&6、对准与曝光（Alignment and Exposure）nMost critical process for IC fabrication
10、nMost expensive tool(stepper)in an IC fab.nMost challenging technologynDetermines the minimum feature sizenCurrently 0.13 m and pushing to 0.09 or 0.065 mJincheng Zhang对准和曝光设备对准和曝光设备n接触式曝光机n接近式曝光机n投影式曝光机n步进式曝光机（Stepper）Jincheng Zhang接触式曝光机接触式曝光机n设备简单n分辨率：可达亚微米n掩膜与圆片直接接触，掩膜寿命有限n微粒污染Jincheng Zhang接近式曝
11、光机接近式曝光机n掩膜与圆片表面有550m间距n优点：较长的掩膜寿命n缺点：分辨率低（线宽 3 um）Jincheng Zhang投影式曝光机投影式曝光机n类似于投影仪n掩膜与晶圆图形 1:1n分辨率：1 umJincheng Zhang步进式曝光机步进式曝光机n现代IC制造中最常用的曝光工具n通过曝光缩小掩膜图形以提高分辨率 n分辨率：0.25 m 或更小n设备很昂贵步进-&-重复Jincheng Zhang曝光光源曝光光源n短波长n高亮度（高光强）n稳定n高压汞灯n受激准分子激光器Jincheng Zhang汞灯的光谱汞灯的光谱Jincheng Zhang曝光机光源曝光机光源Jinchen
12、g Zhang驻波效应驻波效应n入射光与反射光干涉n周期性过曝光和欠曝光n影响光刻分辨率光刻胶中的驻波效应Jincheng Zhang光刻7曝光后烘焙（后烘，PEB）n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；n作用：平衡驻波效应，提高分辨率。PEB减小驻波效应减小驻波效应Jincheng Zhang光刻8显影(Development)n显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分n从掩膜版转移图形到光刻胶上n三个基本步骤:显影 漂洗 干燥Jincheng Zhang显影显影:沉浸沉浸显影漂洗旋转干燥Jincheng Zhang显影Jincheng Zhang显影后剖面正常显影过显
13、影不完全显影欠显影Jincheng Zhang光刻9坚膜（Hard Bake）n蒸发PR中所有有机溶剂n提高刻蚀和注入的抵抗力n提高光刻胶和表面的黏附性n聚合和使得PR更加稳定nPR流动填充针孔Jincheng Zhang光刻胶热流动填充针孔光刻胶热流动填充针孔Jincheng Zhang坚膜（Hard Bake）n热板最为常用n检测后可在烘箱中坚膜n坚膜温度:100 到130 Cn坚膜时间：1 到2 分钟n坚膜温度通常高于前烘温度Jincheng Zhang坚膜的控制坚膜的控制n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n过坚膜光刻胶流动造成分辨率变差Jincheng Zh
14、ang光刻胶流动光刻胶流动n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Jincheng Zhang问题n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。Jincheng Zhang光刻10图形检测（Pattern Inspection）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Jincheng Zhang问
15、题n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(0.25 mm=250nm)小于可见光的波长，可见光波长为390nm(紫光)to 750nm(红光)Jincheng Zhang图形检测图形检测n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n临界尺寸Critical dimension(CD)（条宽）n表面不规则：划痕、针孔、瑕疵和污染物Jincheng Zhang未对准问题未对准问题Jincheng Zhang图形检测图形检测n通过图形检测，即可进入下一步工艺n刻蚀或离子注入Jincheng Zhang光刻间全部流程光刻间
16、全部流程Jincheng Zhang未来趋势 Future Trendsn更小特征尺寸 Smaller feature sizen更高分辨率 Higher resolutionn减小波长 Reducing wavelengthn采用相移掩膜 Phase-shift maskJincheng Zhang光衍射n光衍射影响分辨率衍射光投射光强度Jincheng Zhang衍射光的减小n波长越短，衍射越弱n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Jincheng Zhang数值孔径数值孔径（Numerical Aperture：NA）nNA：表示凸镜收集衍射光的能力nNA=2
17、r0/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Jincheng Zhang分辨率 Resolutionn表征光刻精度；n定义光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。n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 R1/(2L)(mm-1)nR由曝光系统的光波长和数值孔径NA决定，R=K1/NA注：这里的R就是最小线宽L。K1 为系统常数,光波长,NA=2 r0/D；nNA:凸镜收集衍射光的能力Jincheng Zhang举例1nK1=0.6，R=K1/NAJincheng Zhang提高分辨率n提高NA
18、 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n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-Rayn减小K1 相移掩膜（Phase shift mask）Jincheng Zhang波长与电磁波频率波长与电磁波频率RF:Radio frequency;MW:Microwave;IR:infrared;UV:ultravioletJincheng Zhang焦深(Depth of focus，DOF)n光焦点周围能获得清晰图形的范围n焦深的表达式:DOF=K2/2(NA)2Jincheng Zhang举例2nK2=0.6，DOF=K2/
19、2(NA)20.3630.161Jincheng ZhangI线和DUV（熟悉）n汞灯i-line,365 nm 常用在 0.35 mm光刻nDUV KrF 受激准分子激光器,248 nm 0.25 mm,0.18 mm and 0.13 mm光刻nArF受激准分子激光器,193 nm 应用:0.13 mmnF2受激准分子激光器：157 nm 仍处于研发阶段,0.10 mm应用Jincheng ZhangI线和线和DUVn当l 1000 ppm)nRF power can cause electric shock -Can be lethal at high powerJincheng ZhangPlasma Etch TrendsJincheng Zhang刻蚀总结n湿法刻蚀：化学刻蚀，各向同性，工艺简单，选择性高，粗线条，n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nVLSI广泛使用干法刻蚀n针对不同的材料，其典型的湿法腐蚀液（配方）及干法腐蚀剂