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1、光刻与刻蚀工艺第1页，共73页，编辑于2022年，星期四第八章 光刻与刻蚀工艺nIC制造中最重要的工艺：决定着芯片的最小特征尺寸占芯片制造时间的40-50%占制造成本的30%n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。n刻蚀：通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到Si片上n光刻三要素：光刻机光刻版（掩膜版）光刻胶nULSI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，共73页，编辑于2022年，星期四第八章 光刻与刻蚀工艺第3页，共73页，编辑于2022年，星期四第4页，共73页，编辑于2022年，星期四第5页，共73页，编辑于2022年，星期
2、四第6页，共73页，编辑于2022年，星期四掩模版n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）653；10块光刻版，其管芯图形成品率（90）1035；15块光刻版，其管芯图形成品率（90）1521；最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。n掩膜版尺寸：接触式和接近式曝光机：11 分步重复投影光刻机（Stepper）：41；51；101第7页，共73页，编辑于2022年，星期四Clean Roomn洁净等级：尘埃数/m3；n（尘埃尺寸为0.5m）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：3
3、500，光刻、制版；n深亚微米器件（尘埃尺寸为0.1m）10级：350，光刻、制版；1级：35，光刻、制版；第8页，共73页，编辑于2022年，星期四第9页，共73页，编辑于2022年，星期四8.1 光刻工艺流程n主要步骤：曝光、显影、刻蚀第10页，共73页，编辑于2022年，星期四8.1 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nSiO2:亲水性；光刻胶：疏水性；脱水烘焙:去除水分HMDS底膜：增强附着力nHMDS：六甲基乙硅氮烷，(CH3)6Si2NHn作用：去掉SiO2表面的-OH第11页，共73页，编辑于2022年，星期四第12页，共73页，编辑于2022
4、年，星期四8.1 光刻工艺流程2.涂胶Spin Coating对涂胶的要求：粘附良好，均匀，薄厚适当n胶膜太薄针孔多，抗蚀性差；n胶膜太厚分辨率低（分辨率是膜厚的58倍）涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂第13页，共73页，编辑于2022年，星期四Photoresist Spin CoaterEBR:Edge bead removal边缘修复第14页，共73页，编辑于2022年，星期四8.1 光刻工艺流程8.1.2 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
5、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。第15页，共73页，编辑于2022年，星期四8.1 光刻工艺流程8.1.3 曝光Exposure 光学曝光、X射线曝光、电子束曝光光学曝光紫外，深紫外）光源：n高压汞灯：紫外(UV），300450nm；i线365nm，h线405nm，g线436nm。n准分子激光：深紫外(DUV），180nm330nm。KrF：=248nm；ArF：=193nm；nF2激光器：=157nm。第16页，共73页，编辑于2022年，星期四8.1 光刻工艺流程高压汞灯紫外光谱高压汞灯紫
6、外光谱第17页，共73页，编辑于2022年，星期四8.1 光刻工艺流程）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5-50m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，共73页，编辑于2022年，星期四接触式曝光示意图步进-重复（Stepper）曝光示意图第19页，共73页，编辑于2022年，星期四8.1 光刻工艺流程电子束曝光：几十-100；n优点：分辨率高；不需光刻版（直写式）；n缺点：产量低（适于制备光刻版）；X射线曝光：2-40，软X射线；nX射线曝光的特点：分辨率高，产量大。极短紫外光（EUV）：1014nm；下一代曝光
7、方法第20页，共73页，编辑于2022年，星期四8.1 光刻工艺流程8.1.4 显影Development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。显影液：专用n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。n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，共73页，编辑于2022年，星期四8.1 光刻工艺流程影响显影效果的主要因素：）曝光时间；）前烘的温度与时间；）胶膜的厚度；）显影液的浓度；）显影液的温度；显影时间适当nt太短：可能留下光刻胶薄层阻挡腐蚀SiO2(金
8、属）氧化层“小岛”。nt太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶 图形边缘破坏。第22页，共73页，编辑于2022年，星期四涂胶 曝光显影刻蚀第23页，共73页，编辑于2022年，星期四显影后剖面正常显影过显影不完全显影欠显影第24页，共73页，编辑于2022年，星期四8.1 光刻工艺流程8.1.5 坚膜Hard Bake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。方法）恒温烘箱：180200，30min；）红外灯：照射10min，距离6cm。温度与时间）坚膜不足：腐蚀时易浮胶，易侧蚀；）坚膜过度：胶膜热膨胀翘曲、剥落 腐蚀时易浮胶或钻蚀。若T300：光刻胶分解，失去抗蚀能力。正常坚
9、膜过坚膜第25页，共73页，编辑于2022年，星期四8.1 光刻工艺流程8.1.6 刻蚀（腐蚀）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。刻蚀腐蚀的方法）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）。)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，共73页，编辑于2022年，星期四8.1 光刻工艺流程8.1.7 去胶湿法去胶n无机溶液去胶：H2SO4（负胶）；n有机溶液去胶：丙酮（正胶）；干法去胶：O2等离子体；第27页，共73页，编辑于2022年，星期四1)清洗硅片 Wafer Clean2)预烘
10、和打底胶 Pre-bake and Primer Vapor3）涂胶 Photoresist Coating4）前烘 Soft Bake光刻工艺 Photolithography Process第28页，共73页，编辑于2022年，星期四5）对准 Alignment6）曝光Exposure7）后烘 Post Exposure Bake8）显影 Development光刻工艺 Photolithography Process第29页，共73页，编辑于2022年，星期四9）坚膜 Hard Bake10）图形检测 Pattern Inspection光刻工艺 Photolithography Pro
11、cess第30页，共73页，编辑于2022年，星期四8.2 分辨率n分辨率分辨率R表征光刻精度表征光刻精度 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 R1/(2L)(mm-1)或 R=K1/NA（m）-投影式曝光nK1-系统常数,-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：曝光系统（光刻机）：如X射线（电子束）的R高于紫外光。光刻胶：正胶的R高于负胶；其他：掩模版、衬底、显影、工艺、操作者等。第31页，共73页，编辑于2022年，星期四表1 影响光刻工艺效果的一些参数第32页，共
12、73页，编辑于2022年，星期四8.2 分辨率2.衍射对R的限制n 设一任意粒子（光子、电子），根据不确定关系，有 Lphn粒子束动量的最大变化为p=2p，相应地n若L为线宽，即为最细线宽，则n最高分辨率 第33页，共73页，编辑于2022年，星期四 对光子：p=h/，故 。n物理含义：光的衍射限制了线宽/2。n最高分辨率限制：对电子、离子：具有波粒二象性（德布罗意波），则 ，n最细线宽：a.E给定：mLR，即R离子 R电子 b.m给定：ELR第34页，共73页，编辑于2022年，星期四8.3 光刻胶的 基本属性1）光刻胶类型：正胶和负胶正胶：显影时，感光部分 溶解，未感光部分不溶解；负胶：显
13、影时，感光部分 不溶解，不感光部分溶解。第35页，共73页，编辑于2022年，星期四正胶（重氮萘醌）的光分解机理第36页，共73页，编辑于2022年，星期四负胶（聚乙烯醇肉桂酸脂）的光聚合机理第37页，共73页，编辑于2022年，星期四聚合物材料聚合物材料n固体有机材料n光照下不发生化学反应n作用：保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性感光材料感光材料n当被曝光时发生光化学反应而改变溶解性n正性光刻胶：由不溶变为可溶n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、）光刻胶的组分：基体（聚合物）材料、感光材料、溶剂感光材料、溶剂8.3 光刻胶的基本属性第38页，共73页，编辑于202
14、2年，星期四溶剂n使光刻胶在涂到硅片表面之前保持液态n允许采用旋涂的方法获得薄层光刻胶薄膜添加剂n不同的添加剂获得不同的工艺结果n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、）光刻胶的组分：基体（聚合物）材料、感光材料、溶剂感光材料、溶剂第39页，共73页，编辑于2022年，星期四8.3 光刻胶的基本属性例如：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：9095增感剂5-硝基苊n浓度：0.5-1%第40页，共73页，编辑于2022年，星期四8.3 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；n
15、表征：S=n/E，E-曝光量（lxs，勒克斯秒）；n-比例系数；n光敏度S是光刻胶对光的敏感程度的表征；n正胶的S大于负胶第41页，共73页，编辑于2022年，星期四8.3 光刻胶的基本属性4）光刻胶抗蚀能力n表征光刻胶耐酸碱（或等离子体）腐蚀的程度。n对湿法腐蚀：抗蚀能力较强；干法腐蚀：抗蚀能力较差。n负胶抗蚀能力大于正胶；n抗蚀性与分辨率的矛盾：分辨率越高，抗蚀性越差；第42页，共73页，编辑于2022年，星期四8.6 紫外光曝光n光源：紫外（UV）、深紫外（DUV）；n方法：接触式、接近式、投影式；8.6.1 水银弧光灯（高压汞灯）n波长：UV，300450nm，used for 0.5
16、，0.35m；g线：=436nm，i线：=365nm。第43页，共73页，编辑于2022年，星期四8.6 紫外光曝光8.6.3 准分子激光：n准分子：只在激发态下存在，基态下分离成原子。n波长：DUV，180nm330nm。KrF-=248nm，for 0.25，0.18m，0.13m；ArF-=193nm，for 3m）。第45页，共73页，编辑于2022年，星期四8.6.5 接触式曝光n硅片与光刻版紧密接触。n优点：光衍射效应小，分辨率高。n缺点：对准困难，掩膜图形易损伤，成品率低。第46页，共73页，编辑于2022年，星期四8.6.6 投影式曝光n利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上
17、。第47页，共73页，编辑于2022年，星期四8.6.6 投影式曝光n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。n用于3m以下光刻。第48页，共73页，编辑于2022年，星期四分步重复投影光刻机-Stepper采用折射式光学系统和4X5X的缩小透镜。n光刻版：4X5X；n曝光场：一次曝光只有硅片的一部分；n采用了分步对准聚焦技术。第49页，共73页，编辑于2022年，星期四Stepper第50页，共73页，编辑于2022年，星期四8.7 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：金属版
18、（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。乳胶版卤化银乳胶 特点：分辨率低（2-3 m），易划伤。第51页，共73页，编辑于2022年，星期四8.7 掩模版（光刻版）Mask8.7.4 移相掩模（PSM）nPSM：Phase-Shift Maskn作用：消除干涉，提高分辨率；n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，共73页，编辑于2022年，星期四基本概念n刻蚀：从Si片表面去除不需要的材料，如Si、SiO2，金属、光刻胶等n化学、物理过程或两者结合：湿法和干法n各向同性与各向异性：选
19、择性或覆盖刻蚀n选择性刻蚀转移光刻胶上的IC设计图形到晶圆表面n其它应用:制造掩膜,印制电路板,艺术品,等等Etch 刻蚀第53页，共73页，编辑于2022年，星期四1）栅掩膜对准 Gate Mask Alignment2）栅掩膜曝光 Gate Mask Exposure3）Development/HardBake/Inspection4）刻蚀多晶硅Etch Polysilicon刻蚀工艺举例第54页，共73页，编辑于2022年，星期四5）继续Etch Polysilicon6）光刻胶剥离Strip Photoresist7）离子注入Ion Implantation8）快速热退化RTA刻蚀工艺
20、举例第55页，共73页，编辑于2022年，星期四8.11 湿法刻蚀n特点：各相同性腐蚀。n优点：工艺简单，腐蚀选择性好。n缺点：钻蚀严重（各向异性差），难于获得精细图形。（刻蚀3m以上线条）n刻蚀的材料：Si、SiO2、Si3N4及金属；n利用化学溶液溶解硅表面的材料n三个基本过程：刻蚀、漂洗、干燥第56页，共73页，编辑于2022年，星期四8.11.1 Si的湿法刻蚀n常用腐蚀剂HNO3-HF-H2O(HAC)混合液 HNO3：强氧化剂；HF：腐蚀SiO2；HAC：抑制HNO3的分解；Si+HNO3+HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2KOH-异丙醇第57页，共73页，编辑于2022年，
21、星期四8.11.2 SiO2的湿法腐蚀n常用配方：HF:NH4F:H2O=3ml:6g:10ml (HF溶液浓度为48)HF：腐蚀剂，SiO2+HFH2SiF6+H2O NH4F：缓冲剂，NH4FNH3+HF 第58页，共73页，编辑于2022年，星期四8.11.3 Si3N4的湿法腐蚀n腐蚀液：热H3PO4，180；第59页，共73页，编辑于2022年，星期四8.12 干法腐蚀n优点：各向异性腐蚀强；分辨率高；刻蚀3m以下线条。n类型：等离子体刻蚀：化学性刻蚀；溅射刻蚀：纯物理刻蚀；反应离子刻蚀（RIE）：结合、；第60页，共73页，编辑于2022年，星期四8.12.1 干法刻蚀的原理n等离
22、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。CF4 RF CF3*、CF2*、CF*、F*BCl3 RF BCl3*、BCl2*、Cl*b.等离子体活性基团与被刻蚀材料发生化学反应。n特点：选择性好；各向异性差。n刻蚀气体：CF4、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。第61页，共73页，编辑于2022年，星期四8.12.1 干法刻蚀的原理溅射刻蚀原理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。n特点：各向异性好；n 选择性差。n刻蚀气体：惰性气体，Ar气；第62页，共73页，编辑于2022
23、年，星期四8.12.1 干法刻蚀的原理反应离子刻蚀原理 同时利用了溅射刻蚀和等离子刻蚀机制；n特点：各向异性和选择性兼顾。n刻蚀气体：与等离子体刻蚀相同。第63页，共73页，编辑于2022年，星期四8.12.2 SiO2和Si的干法刻蚀n刻蚀剂：CF4、CHF3、C2F6、SF6、C3F8 ；n等离子体：CF4 CF3*、CF2*、CF*、F*n化学反应刻蚀：F*+SiSiF4 F*+SiO2 SiF4+O2 CF3*+SiO2 SiF4+CO+CO2 第64页，共73页，编辑于2022年，星期四n实际工艺：CF4中加入O2 作用：调整选择比；机理：CF4+O2F*+O*+COF*+COF2+
24、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，共73页，编辑于2022年，星期四nCF4中加H2n作用：调整选择比；n机理：F*+H*(H2)HF CFX*(x3)+SiSiF4+C(吸附在Si表面）CFX*(x3)+SiO2 SiF4+CO+CO2+COF2第66页，共73页，编辑于2022年，星期四8.12.3 Si3N4的干法刻蚀 n刻蚀剂：与刻蚀Si、SiO2相同。Si3N4F*SiF4+N2n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：CF4：刻蚀Si3N4/SiO2-选择性差；C
25、HF3：刻蚀Si3N4/SiO2-选择性为2-4。刻蚀Si3N4/Si-选择性为3-5；刻蚀SiO2/Si-选择性大于10；第67页，共73页，编辑于2022年，星期四8.12.4 多晶硅与金属硅化物 的干法刻蚀n多晶硅/金属硅化物结构：MOS器件的栅极；n栅极尺寸：决定MOSFET性能的关键；n金属硅化物：WSi2、TiSi2；第68页，共73页，编辑于2022年，星期四8.12.4 多晶硅与金属硅化物 的干法刻蚀n腐蚀要求：各向异性和选择性都高-干法腐蚀；n刻蚀剂：CF4、SF6、Cl2、HCl；n腐蚀硅化物：CF4+WSi2 WF4+SiF4+C Cl2+WSi2 WCl4+SiCl4n
26、腐蚀poly-Si：氟化物（CF4、SF6）-各向同性；氯化物（Cl2、HCl）-各向异性，选择性好（多晶硅/SiO2）。第69页，共73页，编辑于2022年，星期四8.12.5 铝及铝合金的干法腐蚀n铝及铝合金的用途：栅电极、互连线、接触；n铝合金：Al-Si、Al-Au、Al-Cu；n刻蚀方法：RIE、等离子体；n刻蚀剂：BCl3、CCl4、CHCl3；Cl*+Al AlCl3 Cl*+Al-Si AlCl3+SiCl4 Cl*+Al-Cu AlCl3+CuCl2（不挥发）第70页，共73页，编辑于2022年，星期四8.12.5 铝及铝合金的干法腐蚀n几个工艺问题：Al2O3的去除：溅射、湿法腐蚀；CuCl2的去除：湿法腐蚀、溅射；刻蚀后的侵蚀：HCl+Al AlCl3+H2第71页，共73页，编辑于2022年，星期四刻蚀总结湿法刻蚀：刻蚀3m以上线条n优点：工艺简单，选择性好。n缺点：各向异性差，难于获得精细图形。干法腐蚀：刻蚀3m以下线条n优点：各向异性强；分辨率高；第72页，共73页，编辑于2022年，星期四干法刻蚀和湿法刻蚀的比较第73页，共73页，编辑于2022年，星期四