1、第八章 光刻與刻蝕工藝,主 講：毛 維 西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院,緒論,光刻：通過光化學(xué)反應(yīng)，將光刻版（mask）上的圖形 轉(zhuǎn)移到光刻膠上。 刻蝕：通過腐蝕，將光刻膠上圖形完整地轉(zhuǎn)移到Si片上 光刻三要素： 光刻機(jī) 光刻版（掩膜版） 光刻膠 ULSI對光刻的要求： 高分辨率；高靈敏的光刻膠； 低缺陷；精密的套刻對準(zhǔn)；,緒論,光刻膠三維圖案,緒論,集成電路芯片的顯微照片,緒論,接觸型光刻機(jī),步進(jìn)型光刻機(jī),緒論,掩膜版與投影掩膜版 投影掩膜版（reticle）是一個(gè)石英版，它包含了要在硅片上重復(fù)生成的圖形。就像投影用的電影膠片的底片一樣。這種圖形可能僅包含一個(gè)管芯，也可能是幾個(gè)。 光掩膜版（ph

2、otomask）常被稱為掩膜版(mask)，它包含了對于整個(gè)硅片來說確定一工藝層所需的完整管芯陣列。,緒論,掩膜版的質(zhì)量要求： 若每塊掩膜版上圖形成品率90，則 6塊光刻版，其管芯圖形成品率（90）653； 10塊光刻版，其管芯圖形成品率（90）1035； 15塊光刻版，其管芯圖形成品率（90）1521； 最后的管芯成品率當(dāng)然比其圖形成品率還要低。,緒論,特征尺寸（關(guān)鍵尺寸）關(guān)鍵尺寸常用做描述器件工藝技術(shù)的節(jié)點(diǎn)或稱為某一代。0.25m以下工藝技術(shù)的節(jié)點(diǎn)是0.18m、0.15m、0.1m等。 套準(zhǔn)精度 光刻要求硅片表面上存在的圖案與掩膜版上的圖形準(zhǔn)確對準(zhǔn)，一般而言，器件結(jié)構(gòu)允許的套刻誤差為器件特

3、征尺寸的三分之一左右，當(dāng)圖形形成要多次用到掩膜版時(shí)，任何套準(zhǔn)誤差都會影響硅片表面上不同圖案間總的布局寬容度。而大的套準(zhǔn)容差會減小電路密度， 即限制了器件的特征尺寸，從而降低 IC 性能。,緒論,Clean Room 潔凈等級：塵埃數(shù)/m3；（塵埃尺寸為0.5m） 10萬級：350萬，單晶制備； 1萬級：35萬，封裝、測試； 1000級：35000，擴(kuò)散、CVD； 100級：3500，光刻、制版； 深亞微米器件（塵埃尺寸為0.1m） 10級：350，光刻、制版； 1級： 35，光刻、制版；,8.1 光刻工藝流程,主要步驟： 涂膠、前烘、曝光、顯影、 堅(jiān)膜、刻蝕、去膠。 兩種基本工藝類型： 負(fù)性光

4、刻和正性光刻。,n-Si,負(fù)性光刻,n-Si,不透光,n-Si,n-Si,n-Si,負(fù)性光刻,n-Si,正性光刻,n-Si,不透光,n-Si,n-Si,n-Si,正性光刻,8.1 光刻工藝流程,8.1 光刻工藝流程,8.1.1 涂膠 1.涂膠前的Si片處理(以在SiO2表面光刻為例) SiO2:親水性；光刻膠：疏水性； 脫水烘焙:去除水分 HMDS：增強(qiáng)附著力 HMDS：六甲基乙硅氮烷(CH3)6Si2NH 作用：去掉SiO2表面的-OH,HMDS熱板脫水烘焙和氣相成底膜,8.1 光刻工藝流程,8.1.1 涂膠 2.涂膠 對涂膠的要求：粘附良好，均勻，薄厚適當(dāng) 膠膜太薄針孔多，抗蝕性差； 膠膜

5、太厚分辨率低（分辨率是膜厚的58倍） 涂膠方法：浸涂，噴涂，旋涂,8.1 光刻工藝流程,8.1.2 前烘 作用：促進(jìn)膠膜內(nèi)溶劑充分揮發(fā)，使膠膜干燥； 增加膠膜與SiO2 （Al膜等）的粘附性及耐磨性。 影響因素：溫度，時(shí)間。 烘焙不足（溫度太低或時(shí)間太短）顯影時(shí)易浮膠， 圖形易變形。 烘焙時(shí)間過長增感劑揮發(fā)，導(dǎo)致曝光時(shí)間增長， 甚至顯不出圖形。 烘焙溫度過高光刻膠黏附性降低，光刻膠中的感光 劑發(fā)生反應(yīng)（膠膜硬化），不易溶于 顯影液，導(dǎo)致顯影不干凈。,在真空熱板上軟烘,8.1 光刻工藝流程,8.1.3 曝光： 光學(xué)曝光、X射線曝光、電子束曝光 光學(xué)曝光紫外，深紫外 ）光源： 高壓汞燈：產(chǎn)生紫外(

6、UV）光， 光譜范圍為350 450nm。 準(zhǔn)分子激光器：產(chǎn)生深紫外(DUV）光， 光譜范圍為180nm330nm。 KrF：= 248nm； ArF：= 193nm； F2：= 157nm。,8.1 光刻工藝流程,）曝光方式 a.接觸式：硅片與光刻版緊密接觸。 b.接近式：硅片與光刻版保持5-50m間距。 c.投影式：利用光學(xué)系統(tǒng)，將光刻版的圖形投影在硅片上,8.1 光刻工藝流程,電子束曝光： 幾十100； 優(yōu)點(diǎn)： 分辨率高； 不需光刻版（直寫式）； 缺點(diǎn)：產(chǎn)量低； X射線曝光 2 40 ，軟X射線； X射線曝光的特點(diǎn)：分辨率高，產(chǎn)量大。,8.1 光刻工藝流程,8.1.4 顯影 作用：將未感

7、光的負(fù)膠或感光的正膠溶解去除，顯現(xiàn) 出所需的圖形。 顯影液：專用 正膠顯影液：含水的堿性顯影液，如KOH、 TMAH (四甲基氫氧化胺水溶液)，等。 負(fù)膠顯影液：有機(jī)溶劑，如丙酮、甲苯等。 例，KPR（負(fù)膠）的顯影液： 丁酮最理想； 甲苯圖形清晰度稍差； 三氯乙烯毒性大。,8.1 光刻工藝流程,影響顯影效果的主要因素： ）曝光時(shí)間； ）前烘的溫度與時(shí)間； ）膠膜的厚度； ）顯影液的濃度； ）顯影液的溫度； 顯影時(shí)間適當(dāng) t太短：可能留下光刻膠薄層阻擋腐蝕SiO2(金屬） 氧化層“小島”。 t太長：光刻膠軟化、膨脹、鉆溶、浮膠 圖形邊緣破壞。,8.1 光刻工藝流程,8.1.5 堅(jiān)膜 作用：使軟化

8、、膨脹的膠膜與硅片粘附更牢； 增加膠膜的抗蝕能力。 方法 ）恒溫烘箱：180200，30min； ）紅外燈：照射10min，距離6cm。 溫度與時(shí)間 ）堅(jiān)膜不足：腐蝕時(shí)易浮膠，易側(cè)蝕； ）堅(jiān)膜過度：膠膜熱膨脹翹曲、剝落 腐蝕時(shí)易浮膠或鉆蝕。 若T300：光刻膠分解，失去抗蝕能力。,8.1 光刻工藝流程,8.1.6 腐蝕（刻蝕） 對腐蝕液（氣體）的要求： 既能腐蝕掉裸露的SiO2（金屬），又不損傷光刻膠。 腐蝕的方法 )濕法腐蝕：腐蝕劑是化學(xué)溶液。 特點(diǎn)：各向同性腐蝕。 )干法腐蝕：腐蝕劑是活性氣體，如等離子體。 特點(diǎn)：分辨率高；各向異性強(qiáng)。 8.1.7 去膠 濕法去膠 無機(jī)溶液去膠：H2SO4

9、（負(fù)膠）； 有機(jī)溶液去膠：丙酮（正膠）； 干法去膠：O2等離子體；,8.2 分辨率,分辨率R表征光刻精度 光刻時(shí)所能得到的光刻圖形的最小尺寸。 表示方法：每mm最多可容納的線條數(shù)。 若可分辨的最小線寬為L（線條間隔也L）， 則 R1/(2L) (mm-1) 1.影響R的主要因素： 曝光系統(tǒng)（光刻機(jī)）： X射線（電子束）的R高于紫外光。 光刻膠：正膠的R高于負(fù)膠； 其他：掩模版、襯底、顯影、工藝、操作者等。,8.2 分辨率,2.衍射對R的限制 設(shè)一任意粒子（光子、電子），根據(jù)不確定關(guān)系，有 Lph 粒子束動(dòng)量的最大變化為p=2p，相應(yīng)地 若L為線寬，即為最細(xì)線寬，則 最高分辨率, 對光子：p=h

10、/，故 。 上式物理含義：光的衍射限制了線寬 /2。 最高分辨率： 對電子、離子：具有波粒二象性（德布羅意波），則 ， 最細(xì)線寬： 結(jié)論： a. E給定：mLR，即R離子 R電子 b. m給定：ELR,8.3 光刻膠的基本屬性,1.類型：正膠和負(fù)膠 正膠：顯影時(shí)，感光部分 溶解，未感光部分 不溶解； 負(fù)膠：顯影時(shí)，感光部分 不溶解，不感光部 分溶解。,8.3 光刻膠的基本屬性,2. 組份：基體（樹脂）材料、感光材料、溶劑； 例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（負(fù)膠） 基體、感光劑聚乙烯醇肉桂酸脂 濃度：5-10% 溶劑環(huán)己酮 濃度：9095 增感劑5-硝基苊 濃度：0.5-1%,聚乙烯醇肉桂酸脂（KPR

11、）的光聚合反應(yīng),8.3 光刻膠的基本屬性,8.3.1 對比度 表征曝光量與光刻膠留膜率的關(guān)系； 以正膠為例 臨界曝光量D0：使膠膜開始溶解所需最小曝光量； 閾值曝光量D100：使膠膜完全溶解所需最小曝光量；,8.3.1 對比度,直線斜率（對比度）： 對正膠 對負(fù)膠 越大，光刻膠線條邊緣越陡。,8.3 光刻膠的基本屬性,8.3.3 光敏度S 完成所需圖形的最小曝光量； 表征： S=n/E， E-曝光量（lxs，勒克斯秒）；n-比例系數(shù)； 光敏度S是光刻膠對光的敏感程度的表征； 正膠的S大于負(fù)膠 8.3.4 抗蝕能力 表征光刻膠耐酸堿（或等離子體）腐蝕的程度。 對濕法腐蝕：抗蝕能力較強(qiáng)； 干法腐蝕

12、：抗蝕能力較差。 正膠抗蝕能力大于負(fù)膠； 抗蝕性與分辨率的矛盾：分辨率越高，抗蝕性越差；,8.3 光刻膠的基本屬性,8.3.5 黏著力 表征光刻膠與襯底間粘附的牢固程度。 評價(jià)方法：光刻后的鉆蝕程度，即鉆蝕量越小，粘附性越好。 增強(qiáng)黏著力的方法：涂膠前的脫水； HMDS； 提高堅(jiān)膜的溫度。 8.3.6 溶解度和黏滯度 8.3.7 微粒數(shù)量和金屬含量 8.3.8 存儲壽命,8.5 抗反射涂層工藝,8.5.1 駐波效應(yīng) 穿過光刻膠膜到達(dá)襯底表面，并在襯底表面被反射 又回到光刻膠中反射光波與光刻膠中的入射光波發(fā)生 干涉，形成駐波。 影響：導(dǎo)致曝光的線寬發(fā)生變化。 8.5.2 底層抗反射涂層 (BAR

13、C) 作用：利用 反射光波的干涉，減弱駐波效。 制作：PVD法、CVD法。,8.6 紫外光曝光,光源：紫外（UV）、深紫外（DUV）； 方法：接觸式、接近式、投影式。 光譜能量紫外（UV）光一直是形成光刻圖形常用的能量源，并會在接下來的一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)沿用（包括 0.1m 或者更小的工藝節(jié)點(diǎn)的器件制造中）。 大體上說，深紫外光 (DUV) 指的是波長在 300nm 以下的光。 8.6.1 水銀弧光燈（高壓汞燈）光源 波長：UV，350450nm， used for 0.5，0.35m； g線：=436nm， h線：=405nm， i線：=365nm。,對于光刻曝光的重要 UV 波長,部分電磁頻譜

14、,8.6 紫外光曝光,8.6.3 準(zhǔn)分子激光DUV光源 準(zhǔn)分子：只在激發(fā)態(tài)下存在，基態(tài)下分離成原子。 波長：DUV，180nm 330nm。 KrF-= 248nm， for 0.25，0.18m，0.13m； ArF-= 193nm， for 3m）。,8.6.5 接觸式曝光 硅片與光刻版緊密接觸。 優(yōu)點(diǎn)：光衍射效應(yīng)小，分辨率高。 缺點(diǎn)：對準(zhǔn)困難，掩膜圖形易損傷，成品率低。 8.6.6 投影式曝光 利用光學(xué)系統(tǒng)，將光刻版的圖形投影在硅片上。 優(yōu)點(diǎn)：光刻版不受損傷，對準(zhǔn)精度高。 缺點(diǎn)：光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，對物鏡成像要求高。 用于3m以下光刻。,投影式曝光原理：,兩像點(diǎn)能夠被分辨的最小間隔： y=1.

15、22f/D 引入數(shù)值孔徑NA描述透鏡性能： NA=nsin=D/2f n透鏡到硅片間的介質(zhì)折射率； 像點(diǎn)張角 故 y=0.61/NA 若NA=0.4, =400nm, y=0.61m. 若n增大，NA增大，則y減小，即分辨率提高。 傳統(tǒng)式：n=1(空氣），NA(最大）=0.93， 最小分辨率-52nm. 浸入式：n1(水），=193nm， NA(最大）=1.2， 最小分辨率-40nm.,分步重復(fù)投影光刻機(jī)-Stepper,采用折射式光學(xué)系統(tǒng)和4X5X的縮小透鏡。 光刻版： 4X5X； 曝光場：一次曝光只有硅片的一部分； 采用了分步對準(zhǔn)聚焦技術(shù)。,8.7 掩模版（光刻版）的制造,8.7.1 基版

16、材料：玻璃、石英。 要求：透光度高，熱膨脹系數(shù)與掩膜材料匹配。 8.7.2 掩膜材料： 金屬版（Cr版）：Cr2O3抗反射層/金屬Cr / Cr2O3基層 特點(diǎn)：針孔少，強(qiáng)度高，分辨率高。 乳膠版鹵化銀乳膠 特點(diǎn)：分辨率低（2-3 m），易劃傷。 8.7.4 移相掩模（PSM） PSM：Phase-Shift Mask 作用：消除干涉，提高分辨率； 原理：利用移相產(chǎn)生干涉，抵消圖形邊緣的光衍射效應(yīng)。,8.8 X射線曝光,曝光方法：接近式曝光。 X射線光源：通過高能電子束轟擊一個(gè)金屬靶產(chǎn)生。 （波長為240埃） 優(yōu)點(diǎn)：小尺寸曝光。 缺點(diǎn)：存在圖形的畸變(半影畸變和幾何畸變)。,半影畸變,幾何畸變

17、,X射線曝光,8.9 電子束直寫式曝光,曝光原理：電子與光刻膠碰撞作用，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 適用最小尺寸：0.10.25m 電子束曝光的分辨率主要取決于電子散射的作用范圍。 (缺點(diǎn))鄰近效應(yīng)由于背散射使大面積的光刻膠層發(fā)生程度不 同的曝光，導(dǎo)致大面積的圖形模糊，造成曝 光圖形出現(xiàn)畸變。 減小鄰近效應(yīng)的方法：減小入射電子束的能量，或采用低原子序 數(shù)的襯底與光刻膠。 SCALPEL技術(shù)： 采用原子序數(shù)低的SiNX薄膜和原子序數(shù)高的Cr/W制作的掩模版，產(chǎn)生散射式掩膜技術(shù)。 特點(diǎn):結(jié)合了電子束曝光的高分 辨率和光學(xué)分步重復(fù)投影 曝光的高效率； 掩模版制備更加簡單。,8.10 ULSI對圖形轉(zhuǎn)移的要求,8

18、.10.1 圖形轉(zhuǎn)移的保真度 (腐蝕的各向異性的程度：) 式中：V1測向腐蝕速率； VV縱向腐蝕速率； h腐蝕層的厚度； 圖形測向展寬量。 若 A=1，表示圖形轉(zhuǎn)移過程產(chǎn)無失真； 若 A=0，表示圖形失真嚴(yán)重(各向同性腐蝕) 8.10.2 選擇比 兩種不同材料在腐蝕的過程中被腐蝕的速率比。 作用：描述圖形轉(zhuǎn)移中各層材料的相互影響,8.11 濕法刻蝕,特點(diǎn)：各相同性腐蝕。 優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，腐蝕選擇性好。 缺點(diǎn)：鉆蝕嚴(yán)重（各向異性差），難于獲得精細(xì)圖形。 （刻蝕3m以上線條） 刻蝕的材料：Si、SiO2、Si3N4； 8.11.1 Si的濕法刻蝕 常用腐蝕劑 HNO3-HF-H2O(HAC)混合液

19、： HNO3：強(qiáng)氧化劑； HF：腐蝕SiO2； HAC：抑制HNO3的分解； Si+HNO3+HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2 KOH-異丙醇,8.11.2 SiO2的濕法腐蝕 常用配方(KPR膠）：HF: NH4F: H2O=3ml:6g:10ml (HF溶液濃度為48) HF ：腐蝕劑， SiO2+HFH2SiF6+H2O NH4F ：緩沖劑， NH4FNH3+HF 8.11.3 Si3N4的濕法腐蝕 腐蝕液：熱H3PO4(130150)。,8.12 干法腐蝕,優(yōu)點(diǎn)： 各向異性腐蝕強(qiáng)； 分辨率高； 刻蝕3m以下線條。 類型： 等離子體刻蝕：化學(xué)性刻蝕； 濺射刻蝕：純物理刻蝕； 反應(yīng)

20、離子刻蝕（RIE）：結(jié)合 、；,ICP-98C型高密度等離子體刻蝕機(jī),SLR 730 負(fù)荷鎖定RIE反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng),8.12.1 干法刻蝕的原理,等離子體刻蝕原理 a.產(chǎn)生等離子體:刻蝕氣體經(jīng)輝光放電后，成為具有很強(qiáng)化學(xué)活性的離子及游離基-等離子體。 CF4 RF CF3*、CF2* 、CF* 、F* BCl3 RF BCl3* 、BCl2* 、Cl* b.等離子體活性基團(tuán)與被刻蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 特點(diǎn)：選擇性好； 各向異性差。 刻蝕氣體： CF4 、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。,8.12.1 干法刻蝕的原理,濺射刻蝕原理 a.形成能量很高的等離子體； b.等離子體轟擊被刻蝕

21、的材料， 使其被撞原子飛濺出來，形成刻蝕。 特點(diǎn)：各向異性好；選擇性差。 刻蝕氣體：惰性氣體； 反應(yīng)離子刻蝕原理 同時(shí)利用了濺射刻蝕和等離子刻蝕機(jī)制； 特點(diǎn)：各向異性和選擇性兼顧。 刻蝕氣體：與等離子體刻蝕相同。,8.12.2 SiO2和Si的干法刻蝕,刻蝕劑：CF4、CHF3、C2F6、SF6、C3F8 ； 等離子體： CF4 CF3*、CF2* 、CF* 、F* 化學(xué)反應(yīng)刻蝕： F*+SiSiF4 F*+SiO2 SiF4+O2 CF3*+SiO2 SiF4+CO+CO2 刻蝕總結(jié)： 濕法刻蝕（刻蝕3m以上線條） 優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，選擇性好。 缺點(diǎn)：各向異性差，難于獲得精細(xì)圖形。 干法腐蝕（刻蝕3m以下線條） 優(yōu)點(diǎn)：各向異性強(qiáng)；分辨率高。,實(shí)際工藝： CF4中加入O2 作用：調(diào)整選擇比； 機(jī)理： CF4+O2F*+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，影響Si刻蝕； CF4中加H2 作用：調(diào)整選擇比； 機(jī)理： F*+H*(H2)HF CFX*(x3)+SiSiF4+C(吸附在S