光刻與刻蝕工藝

1、lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻 潔凈室潔凈室 工藝流程工藝流程 光刻機光刻機 光刻膠光刻膠 掩膜版掩膜版圖形曝光與刻蝕圖形曝光與刻蝕v 圖形曝光（圖形曝光（lithographylithography，又譯光刻術(shù)），又譯光刻術(shù)） 利用利用掩膜版（掩膜版（maskmask）上的幾何圖形）上的幾何圖形，通過，通過光化光化學(xué)反應(yīng)學(xué)反應(yīng)，將圖案轉(zhuǎn)移到覆蓋在，將圖案轉(zhuǎn)移到覆蓋在半導(dǎo)體晶片上的感半導(dǎo)體晶片上的感光薄膜層上光薄膜層上（稱為光致抗蝕劑、光刻膠或光阻，（稱為光致抗蝕劑、光刻膠或光阻，resistresist，簡稱抗蝕劑）的

2、一種工藝步驟，簡稱抗蝕劑）的一種工藝步驟 這些圖案可用來這些圖案可用來定義集成電路中各種不同區(qū)域定義集成電路中各種不同區(qū)域，如離子注入、接觸窗（如離子注入、接觸窗（contact windowcontact window）與壓）與壓焊（焊（bondingbondingpadpad）區(qū)。）區(qū)。v 刻蝕刻蝕 由圖形曝光所形成的抗蝕劑圖案，并不是電路由圖形曝光所形成的抗蝕劑圖案，并不是電路器件的最終部分，而只是電路圖形的印模。為器件的最終部分，而只是電路圖形的印模。為了產(chǎn)生電路圖形，這些了產(chǎn)生電路圖形，這些抗蝕劑圖案抗蝕劑圖案必須必須再次轉(zhuǎn)再次轉(zhuǎn)移移至至下層的器件層上下層的器件層上。 這種圖案轉(zhuǎn)移（

3、這種圖案轉(zhuǎn)移（pattern transferpattern transfer）是利用）是利用腐腐蝕（蝕（etchingetching）工藝）工藝，選擇性地將未被抗蝕劑，選擇性地將未被抗蝕劑掩蔽的區(qū)域去除。掩蔽的區(qū)域去除。圖形曝光與刻蝕圖形曝光與刻蝕ULSIULSI對光刻有哪些基本要求？對光刻有哪些基本要求？v高分辨率高分辨率 在集成電路工藝中，通常把在集成電路工藝中，通常把線寬線寬作為光刻水平作為光刻水平的標志，一般也可以用的標志，一般也可以用加工圖形線寬的能力加工圖形線寬的能力來來代表集成電路的工藝水平。代表集成電路的工藝水平。v高靈敏度的光刻膠高靈敏度的光刻膠 光刻膠的靈敏度是指光刻膠的

4、感光速度。光刻膠的靈敏度是指光刻膠的感光速度。 產(chǎn)品的產(chǎn)量產(chǎn)品的產(chǎn)量 曝光時間曝光時間 確保光刻膠各項屬性均為優(yōu)異的前提下，提高確保光刻膠各項屬性均為優(yōu)異的前提下，提高光刻膠的靈敏度光刻膠的靈敏度ULSIULSI對光刻有哪些基本要求？對光刻有哪些基本要求？v 低缺陷低缺陷 缺陷關(guān)系成品率缺陷關(guān)系成品率v 精密的套刻對準精密的套刻對準 集成電路芯片的制作需要經(jīng)過多次光刻，在各次曝光集成電路芯片的制作需要經(jīng)過多次光刻，在各次曝光圖形之間要相互套準。圖形之間要相互套準。 ULSIULSI的圖形線寬在的圖形線寬在1um1um以下，通常采用自對準技術(shù)。以下，通常采用自對準技術(shù)。v大尺寸硅片上的加工大尺寸

5、硅片上的加工 ULSIULSI的芯片尺寸為的芯片尺寸為1 12cm2cm2 2 提高經(jīng)濟效益和硅片利用率提高經(jīng)濟效益和硅片利用率v 潔凈室的等級定義方式：潔凈室的等級定義方式： （1 1）英制系統(tǒng)：）英制系統(tǒng)： 每立方英尺中直徑大于或等于每立方英尺中直徑大于或等于0.5um0.5um的塵埃粒子總數(shù)的塵埃粒子總數(shù)不準超過設(shè)計等級數(shù)值。不準超過設(shè)計等級數(shù)值。 （2 2）公制系統(tǒng)）公制系統(tǒng) 每立方米中直徑大于或等于每立方米中直徑大于或等于0.5um0.5um的塵埃粒子總數(shù)不的塵埃粒子總數(shù)不準超過設(shè)計等級數(shù)值（以指數(shù)計算，底數(shù)為準超過設(shè)計等級數(shù)值（以指數(shù)計算，底數(shù)為1010）。）。v 例子：例子： （

6、1 1）等級為）等級為100100的潔凈室（英制），直徑大于的潔凈室（英制），直徑大于或等于或等于0.5um0.5um的塵埃粒子總數(shù)不超過的塵埃粒子總數(shù)不超過100100個個/ft/ft3 3 （2 2）等級為）等級為M3.5M3.5的潔凈室（公制），直徑大的潔凈室（公制），直徑大于或等于于或等于0.5um0.5um的塵埃粒子總數(shù)不超過的塵埃粒子總數(shù)不超過10103.53.5（約（約35003500個個/m/m3 3) )v 100 100個個/ft/ft3 3= 3500= 3500個個/m/m3 3 一個英制等級一個英制等級100100的潔凈室相當于公制等級的潔凈室相當于公制等級M3.5M

7、3.5的潔凈室。的潔凈室。潔凈室（潔凈室（4 4）v 對一般的對一般的ICIC制造制造區(qū)域，需要區(qū)域，需要等級等級100100的潔凈室，約比一般的潔凈室，約比一般室內(nèi)空氣低室內(nèi)空氣低4 4個數(shù)量個數(shù)量級。級。v 在圖形曝光的工在圖形曝光的工作區(qū)域，則需要作區(qū)域，則需要等級等級1010或或1 1的潔凈室。的潔凈室。lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻 潔凈室潔凈室 工藝流程工藝流程 光刻機光刻機 光刻膠光刻膠 掩膜版掩膜版光刻原理（光刻原理（1 1）v 掩膜版圖形掩膜版圖形轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到光刻膠光刻膠 在光刻過程中，光刻膠受到光輻射

8、之后發(fā)生光在光刻過程中，光刻膠受到光輻射之后發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，化學(xué)反應(yīng)，其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在顯影在顯影液中光刻膠感光部分與未感光部分的溶解速度液中光刻膠感光部分與未感光部分的溶解速度相差非常大。相差非常大。 利用光刻膠的這種特性，就可以在硅片的表面利用光刻膠的這種特性，就可以在硅片的表面涂上光刻膠薄層，通過掩膜版對光刻膠輻照，涂上光刻膠薄層，通過掩膜版對光刻膠輻照，從而使某些區(qū)域的光刻膠感光之后，再從而使某些區(qū)域的光刻膠感光之后，再經(jīng)過顯經(jīng)過顯影就可以在光刻膠上留下掩膜版的圖形。影就可以在光刻膠上留下掩膜版的圖形。v光刻膠圖形光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到硅表面的薄膜硅表面

9、的薄膜 在集成電路制作中，利用這層剩余的光刻膠圖在集成電路制作中，利用這層剩余的光刻膠圖形作為保護膜，可以對硅表面沒有被光刻膠覆形作為保護膜，可以對硅表面沒有被光刻膠覆蓋的區(qū)域進行刻蝕，或者對這些區(qū)域進行離子蓋的區(qū)域進行刻蝕，或者對這些區(qū)域進行離子注入，從而把注入，從而把光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到硅表面的光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到硅表面的薄膜上去，由此形成各種器件和電路的結(jié)構(gòu)，薄膜上去，由此形成各種器件和電路的結(jié)構(gòu)，或者對未保護區(qū)進行摻雜?；蛘邔ξ幢Ｗo區(qū)進行摻雜。v光刻三要素：光刻膠、掩膜版和光刻機光刻三要素：光刻膠、掩膜版和光刻機 光刻膠又叫光致抗蝕劑，它是由光刻膠又叫光致抗蝕劑，它是由光敏化合物、光敏

10、化合物、基體樹脂和有機溶劑基體樹脂和有機溶劑等混合而成的等混合而成的膠狀液體膠狀液體 光刻膠受到特定波長光線的作用后，導(dǎo)致其光刻膠受到特定波長光線的作用后，導(dǎo)致其化化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定溶液中，使光刻膠在某種特定溶液中的溶解特性改變的溶解特性改變v光刻過程的主要步驟：光刻過程的主要步驟： 曝光、顯影、刻蝕曝光、顯影、刻蝕 Resist coat(wafer track)etch (ion implantation)Develop(wafer track)Expose(illumination tool)resist strip positive tonenegati

11、ve tonemaskresistsubstrateProcess flow optical lithoProcess flow optical litho光刻工藝過程光刻工藝過程v涂膠涂膠 coatingcoatingv前烘前烘 prebakingprebakingv曝光曝光 exposureexposurev顯影顯影 developmentdevelopmentv堅膜堅膜 postbakepostbakev刻蝕刻蝕 etchetchv去膠去膠 stripstripv檢驗檢驗 inspection inspection 1 1、涂膠、涂膠1 1、涂膠、涂膠v涂膠目的涂膠目的 在硅片表面形成厚

12、度均勻、附著性強、并且沒在硅片表面形成厚度均勻、附著性強、并且沒有缺陷的光刻膠薄膜。有缺陷的光刻膠薄膜。v怎樣才能讓光刻膠粘的牢一些？怎樣才能讓光刻膠粘的牢一些？可以開始涂膠了可以開始涂膠了v 怎么涂？怎么涂？ 旋轉(zhuǎn)涂膠法：把膠滴在硅片，然后使硅片高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)涂膠法：把膠滴在硅片，然后使硅片高速旋轉(zhuǎn)，液態(tài)膠在旋轉(zhuǎn)中因離心力作用由軸心沿徑向（移動）液態(tài)膠在旋轉(zhuǎn)中因離心力作用由軸心沿徑向（移動）飛濺出去，但粘附在硅表面的膠受粘附力的作用而留飛濺出去，但粘附在硅表面的膠受粘附力的作用而留下。在旋轉(zhuǎn)過程中膠所含的溶劑不斷揮發(fā)，故可得到下。在旋轉(zhuǎn)過程中膠所含的溶劑不斷揮發(fā)，故可得到一層均勻的膠膜一層均

13、勻的膠膜 v 怎樣才算涂的好？怎樣才算涂的好？ 膜厚均勻，正膠膜厚均勻，正膠2%2%，負膠，負膠5% 5% 涂膠涂膠-轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速VsVs膜厚膜厚v 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速VsVs膜厚膜厚 其中：其中：T T表示膜厚，表示膜厚，S S表示轉(zhuǎn)速；從上式可以看出，表示轉(zhuǎn)速；從上式可以看出，光刻膠的膜厚與旋轉(zhuǎn)速度的平方根成反比。光刻膠的膜厚與旋轉(zhuǎn)速度的平方根成反比。2 2、前烘（、前烘（softbakesoftbake）再次改善光刻膠粘附性再次改善光刻膠粘附性v 目的目的 去去除膠內(nèi)的溶劑，提高膠的粘附力除膠內(nèi)的溶劑，提高膠的粘附力 提高膠的抗機械摩擦的能力提高膠的抗機械摩擦的能力 減小高速旋轉(zhuǎn)形成的薄膜應(yīng)力減小高速

14、旋轉(zhuǎn)形成的薄膜應(yīng)力v 條件條件: : 溫度溫度 ：90 to 120 90 to 120 時間：時間：60s to 120s60s to 120s2 2、前烘（、前烘（softbakesoftbake）再次改善光刻膠粘附性）再次改善光刻膠粘附性v前烘不足前烘不足 光刻膠與硅片黏附性變差光刻膠與硅片黏附性變差 因光刻膠中溶劑含量過高致使曝光的精確度下降因光刻膠中溶劑含量過高致使曝光的精確度下降v前烘過量前烘過量 延長時間，產(chǎn)量降低延長時間，產(chǎn)量降低 過高的溫度使光刻膠層的粘附性會因光刻膠變脆而降過高的溫度使光刻膠層的粘附性會因光刻膠變脆而降低低 過高的溫度會使光刻膠中的感光劑發(fā)生反應(yīng)，使光刻過高

15、的溫度會使光刻膠中的感光劑發(fā)生反應(yīng)，使光刻膠在曝光時的敏感度變差膠在曝光時的敏感度變差3 3、曝光（、曝光（ExposureExposure）3 3、曝光（、曝光（ExposureExposure）v 曝光曝光 光通過光通過掩模版掩模版照射，使照射到的光刻膠起光化學(xué)反應(yīng)照射，使照射到的光刻膠起光化學(xué)反應(yīng) 感光與未感光的光刻膠對堿性溶液的溶解度不同感光與未感光的光刻膠對堿性溶液的溶解度不同 掩模版上的圖案，完整地傳遞掩模版上的圖案，完整地傳遞(Transfer)(Transfer)到晶片表面的到晶片表面的光阻上光阻上v目的：目的： 確定圖案的精確形狀和尺寸確定圖案的精確形狀和尺寸 完成順序兩次光

16、刻圖案的準確套制完成順序兩次光刻圖案的準確套制曝光后烘焙（曝光后烘焙（PEBPEB）v 駐波效應(yīng)駐波效應(yīng) 定義：入射光與反射光間的相長和相消干涉造定義：入射光與反射光間的相長和相消干涉造成的效應(yīng)成的效應(yīng) 影響：曝光過程中，在曝光區(qū)與非曝光區(qū)邊界影響：曝光過程中，在曝光區(qū)與非曝光區(qū)邊界將會出現(xiàn)駐波效應(yīng)，影響顯影后所形成的圖形將會出現(xiàn)駐波效應(yīng)，影響顯影后所形成的圖形尺寸和分辨率尺寸和分辨率 改善措施：曝光后烘焙改善措施：曝光后烘焙4 4、顯影（、顯影（DevelopmentDevelopment）4 4、顯影（、顯影（DevelopmentDevelopment）v 原理原理 顯影時曝光區(qū)與非曝光

17、區(qū)的光刻膠顯影時曝光區(qū)與非曝光區(qū)的光刻膠不同程度不同程度的溶解的溶解v 顯影過程顯影過程 把已曝光的硅晶片浸入顯影液中，通過溶解把已曝光的硅晶片浸入顯影液中，通過溶解部分光刻膠的方法使部分光刻膠的方法使膠膜中的潛影膠膜中的潛影顯現(xiàn)出來顯現(xiàn)出來的過程的過程v 顯影留下的光刻膠圖形將在后續(xù)的刻蝕顯影留下的光刻膠圖形將在后續(xù)的刻蝕和離子注入工藝中和離子注入工藝中作為掩膜作為掩膜v顯影方式：顯影方式： 浸漬顯影；浸漬顯影； 旋轉(zhuǎn)噴霧顯影旋轉(zhuǎn)噴霧顯影v影響顯影效果的因素影響顯影效果的因素 ： a.a.曝光時間；曝光時間； b.b.前烘的溫度和時間；前烘的溫度和時間； c.c.光刻膠的厚度；光刻膠的厚度；

18、 d.d.顯影液的濃度；顯影液的濃度； e.e.顯影液的溫度；顯影液的溫度； f. f.顯影液的攪拌情況顯影液的攪拌情況v顯影之后的檢查顯影之后的檢查 掩膜版選用是否正確掩膜版選用是否正確 光刻膠的質(zhì)量是否滿足要求（污染、劃痕、氣泡光刻膠的質(zhì)量是否滿足要求（污染、劃痕、氣泡和條紋）和條紋） 圖形的質(zhì)量（有好的邊界，圖形尺寸和線寬滿足圖形的質(zhì)量（有好的邊界，圖形尺寸和線寬滿足要求）要求） 套準精度是否滿足要求套準精度是否滿足要求v 光刻是唯一可以返工的工藝步驟光刻是唯一可以返工的工藝步驟v堅膜堅膜 在光刻顯影后，再經(jīng)過一次烘烤，進一步將膠在光刻顯影后，再經(jīng)過一次烘烤，進一步將膠內(nèi)內(nèi)殘留的溶劑含量

19、由蒸發(fā)降到最低，使其硬化殘留的溶劑含量由蒸發(fā)降到最低，使其硬化 v堅膜的目的堅膜的目的 去除光刻膠中剩余的溶劑，去除光刻膠中剩余的溶劑，增強光刻膠對硅片表增強光刻膠對硅片表面的附著力面的附著力 提高光刻膠在刻蝕和離子注入過程中的提高光刻膠在刻蝕和離子注入過程中的抗蝕性和抗蝕性和保護能力保護能力6 6、去膠、去膠6 6、去膠、去膠v 經(jīng)過刻蝕或離子注入后，將光刻膠從表面除去經(jīng)過刻蝕或離子注入后，將光刻膠從表面除去v去膠方法去膠方法 濕法去膠濕法去膠 有機溶液去膠有機溶液去膠 不腐蝕金屬，去除不腐蝕金屬，去除AlAl上的光刻膠需用有機溶劑上的光刻膠需用有機溶劑 無機溶液去膠無機溶液去膠 干法去膠干

20、法去膠 等離子體將光刻膠剝除等離子體將光刻膠剝除 刻蝕效果好，但有反應(yīng)殘留物玷污問題，故與濕法腐蝕搭配使刻蝕效果好，但有反應(yīng)殘留物玷污問題，故與濕法腐蝕搭配使用用 lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻 潔凈室潔凈室 工藝流程工藝流程 光刻機光刻機 分辨率曝光光源分辨率曝光光源 套準套準 光刻膠光刻膠光刻機光刻機v 光刻機的性能可由下面三個參數(shù)來判別光刻機的性能可由下面三個參數(shù)來判別 分辨率分辨率v 光刻機的性能可由下面三個參數(shù)來判別光刻機的性能可由下面三個參數(shù)來判別 套準精度套準精度 產(chǎn)率產(chǎn)率對一給定的掩膜版，每小時能曝光完成

21、的晶對一給定的掩膜版，每小時能曝光完成的晶片數(shù)量片數(shù)量光刻機光刻機光刻機的種類光學(xué)接觸式非光學(xué)X線射電子束接近式投影式步進式v光刻機發(fā)展為兩大類型，即光學(xué)光刻機和非光光刻機發(fā)展為兩大類型，即光學(xué)光刻機和非光學(xué)光刻機，如圖所示。學(xué)光刻機，如圖所示。 光學(xué)光刻機采用紫光學(xué)光刻機采用紫 外線作為光源，而外線作為光源，而 非光學(xué)光刻機的非光學(xué)光刻機的 光源則來自電磁光源則來自電磁 光譜的其他成分。光譜的其他成分。 曝光光源曝光光源曝光光源曝光光源v普通光源普通光源 光的波長范圍大，圖形邊緣衍射現(xiàn)象嚴重，滿光的波長范圍大，圖形邊緣衍射現(xiàn)象嚴重，滿足不了特征尺寸的要求。足不了特征尺寸的要求。v晶圓生產(chǎn)用的

22、曝光光源晶圓生產(chǎn)用的曝光光源v晶圓生產(chǎn)用的曝光光源晶圓生產(chǎn)用的曝光光源 最廣泛使用的曝光光源是最廣泛使用的曝光光源是高壓汞燈高壓汞燈 產(chǎn)生的光為紫外光（產(chǎn)生的光為紫外光（UVUV） 三條發(fā)射線三條發(fā)射線 I I線線(365nm)(365nm) H H線線(405nm)(405nm) G G線線(436nm) (436nm) (0.35um(0.35um工藝工藝) )曝光光源曝光光源v晶圓生產(chǎn)用的曝光光源晶圓生產(chǎn)用的曝光光源 產(chǎn)生的光為深紫外光（產(chǎn)生的光為深紫外光（DUVDUV）氟化氪氟化氪 KrF KrF （248nm248nm）（0.35um,0.25um,0.18 CMOS0.35um,0

23、.25um,0.18 CMOS技術(shù)）技術(shù)）氟化氬氟化氬 ArF ArF （193nm193nm） (0.2um(0.2um以下工藝）以下工藝）曝光光源曝光光源曝光光源曝光光源v超細線條光刻技術(shù)超細線條光刻技術(shù) 甚遠紫外線甚遠紫外線(EUV) (EUV) （13.4nm)13.4nm) 電子束光刻電子束光刻 ( (波粒二相性，更多顯示粒子性）波粒二相性，更多顯示粒子性） 以上兩種曝光光源比較有前景，可以對亞以上兩種曝光光源比較有前景，可以對亞100nm100nm，亞，亞50nm50nm的特征尺寸進行光刻的特征尺寸進行光刻 X X射線射線 離子束光刻離子束光刻光學(xué)曝光方法光學(xué)曝光方法光學(xué)曝光方法光

24、學(xué)曝光方法v遮蔽式曝光遮蔽式曝光 接觸式曝光接觸式曝光 提供約提供約1um1um的分辨率的分辨率 對掩膜版造成損傷對掩膜版造成損傷 接近式曝光接近式曝光 可以減小掩膜版損傷可以減小掩膜版損傷 間隙會在掩膜版圖案邊緣造成光學(xué)衍射間隙會在掩膜版圖案邊緣造成光學(xué)衍射 分辨率降低至分辨率降低至2um2um5um5um光學(xué)曝光方法光學(xué)曝光方法光學(xué)曝光方法光學(xué)曝光方法v 投影式曝光投影式曝光 利用投影的方法，將掩膜版上圖案投影至相距好幾厘利用投影的方法，將掩膜版上圖案投影至相距好幾厘米的晶片上。米的晶片上。（a a）晶片整片掃描）晶片整片掃描（b b）1 1：1 1步進重復(fù)步進重復(fù)光學(xué)曝光方法光學(xué)曝光方法

25、lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻 潔凈室潔凈室 工藝流程工藝流程 光刻機光刻機 分辨率曝光光源分辨率曝光光源 套準套準 光刻膠光刻膠套準精度套準精度v對準對準 把所需圖形在晶園表面上定位或?qū)省０阉鑸D形在晶園表面上定位或?qū)?。v如果說光刻膠是光刻工藝的如果說光刻膠是光刻工藝的“材料材料”核心核心，那么對準和曝光則是該工藝的那么對準和曝光則是該工藝的“設(shè)備設(shè)備”核心核心。圖形的準確對準是保證器件和電路正常工作圖形的準確對準是保證器件和電路正常工作的決定性因素之一。的決定性因素之一。對準法則對準法則v第一次光刻第一次光刻只是

26、把掩膜版上的只是把掩膜版上的Y Y軸與晶園上的平邊成軸與晶園上的平邊成9090 ，如圖所示。，如圖所示。 接下來的掩膜版都用接下來的掩膜版都用對準對準 標記標記與上一層帶有圖形的與上一層帶有圖形的 掩膜對準。對準標記是一掩膜對準。對準標記是一 個特殊的圖形（見圖），個特殊的圖形（見圖）， 分布在每個芯片圖形的邊分布在每個芯片圖形的邊 緣。緣。經(jīng)過光刻工藝對準標經(jīng)過光刻工藝對準標 記就永遠留在芯片表面，同時作為下一次對準使用。記就永遠留在芯片表面，同時作為下一次對準使用。晶圓掩膜版平邊對準標記對準標記 未對準種類：未對準種類：(a) X方向方向 (b) 轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動 (c) 伸出伸出lithogra

27、phylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻 潔凈室潔凈室 工藝流程工藝流程 光刻機光刻機 光刻膠光刻膠 掩膜版掩膜版光刻膠的基本屬性光刻膠的基本屬性v主要有兩種光刻膠：主要有兩種光刻膠： 正膠正膠：曝光后顯影時曝光部分被溶解，而沒有：曝光后顯影時曝光部分被溶解，而沒有曝光的部分留下來曝光的部分留下來 鄰疊氮醌類鄰疊氮醌類 負膠負膠：曝光后顯影時沒有曝光部分被溶解，而：曝光后顯影時沒有曝光部分被溶解，而曝光的部分留下來曝光的部分留下來聚乙烯醇肉桂酸酯和聚聚乙烯醇肉桂酸酯和聚乙烯氧乙基肉桂酸酯乙烯氧乙基肉桂酸酯基本光刻技術(shù)基本光刻技術(shù)* *實際工藝中正

28、膠用的比較多，實際工藝中正膠用的比較多，why?why?va.a.分辨率高分辨率高vb.b.抗干法腐蝕的能力較強抗干法腐蝕的能力較強vc.c.抗熱處理的能力強抗熱處理的能力強vd.d.可用水溶液顯影，溶漲現(xiàn)象小可用水溶液顯影，溶漲現(xiàn)象小ve.e.可涂得較厚可涂得較厚(2-3um)(2-3um)不影響分辨率，有較好臺不影響分辨率，有較好臺階覆蓋性階覆蓋性vf. f.適合適合1 1：1 1及縮小的投影光刻及縮小的投影光刻v負膠也有一些優(yōu)點，如負膠也有一些優(yōu)點，如: : 粘附性好，抗?jié)穹ǜg粘附性好，抗?jié)穹ǜg能力強等能力強等v1.1.樹脂樹脂( (高分子聚合物高分子聚合物 ) ) 光照不發(fā)生反應(yīng)，

29、保證光刻膠薄膜的附著性和抗腐光照不發(fā)生反應(yīng)，保證光刻膠薄膜的附著性和抗腐蝕性，決定光刻膠薄膜的膜厚、彈性和熱穩(wěn)定性等蝕性，決定光刻膠薄膜的膜厚、彈性和熱穩(wěn)定性等 v 2.2.光敏劑（光敏劑（PACPAC） 受光輻照之后會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)受光輻照之后會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)v3.3.溶劑溶劑 使光刻膠在涂到硅片表面之前保持為液態(tài)使光刻膠在涂到硅片表面之前保持為液態(tài)光刻膠的基本屬性光刻膠的基本屬性v光學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì) 光敏度，折射率光敏度，折射率v力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)力學(xué)和化學(xué)性質(zhì) 固溶度、粘滯度、粘著度、抗腐蝕性、熱穩(wěn)定固溶度、粘滯度、粘著度、抗腐蝕性、熱穩(wěn)定性、流動性和對環(huán)境的敏感度性、流動性和對環(huán)境的敏感度v其它

30、特性其它特性 純度、金屬含量、可應(yīng)用的范圍、儲存的有效純度、金屬含量、可應(yīng)用的范圍、儲存的有效期和燃點期和燃點v對比度對比度 對比度會直接影響到曝光后光刻膠膜的傾角和對比度會直接影響到曝光后光刻膠膜的傾角和線寬。線寬。 光刻膠的對比度越高，光刻膠層的側(cè)面越陡，光刻膠的對比度越高，光刻膠層的側(cè)面越陡，線寬描述掩模尺寸的準確度就越高。且陡峭的線寬描述掩模尺寸的準確度就越高。且陡峭的光刻膠在干法刻蝕中可以減小刻蝕過程中的鉆光刻膠在干法刻蝕中可以減小刻蝕過程中的鉆蝕效應(yīng)，從而提高分辨率。蝕效應(yīng)，從而提高分辨率。v光刻膠的膨脹光刻膠的膨脹 在顯影過程中，若顯影液滲透到光刻膠中，在顯影過程中，若顯影液滲透

31、到光刻膠中，光刻膠光刻膠的體積就會膨脹的體積就會膨脹，這將導(dǎo)致圖形尺寸發(fā)生變化，這將導(dǎo)致圖形尺寸發(fā)生變化，影影響分辨率。響分辨率。 正膠不發(fā)生膨脹，負膠發(fā)生膨脹現(xiàn)象正膠不發(fā)生膨脹，負膠發(fā)生膨脹現(xiàn)象。故正膠分辨。故正膠分辨率高于負膠，負膠可通過減小厚度來提高分辨率率高于負膠，負膠可通過減小厚度來提高分辨率 在相同的分辨率下，與負膠相比可以使用較厚的正在相同的分辨率下，與負膠相比可以使用較厚的正膠膠，從而得到更好的平臺覆蓋并能降低缺陷的產(chǎn)生，從而得到更好的平臺覆蓋并能降低缺陷的產(chǎn)生，同時抗干法刻蝕的能力也更強。同時抗干法刻蝕的能力也更強。光刻膠的基本屬性光刻膠的基本屬性光刻膠的基本屬性光刻膠的基本

32、屬性v光敏度光敏度 指光刻膠完成所需圖形曝光的最小曝光劑量指光刻膠完成所需圖形曝光的最小曝光劑量曝光劑量（曝光劑量（mj/cmmj/cm2 2）光強（單位面積的功率）光強（單位面積的功率）曝光時間曝光時間 光敏度由曝光效率決定光敏度由曝光效率決定 曝光效率：參與光刻膠曝光的光子能量與進入光刻曝光效率：參與光刻膠曝光的光子能量與進入光刻膠中的光子能量的比值膠中的光子能量的比值 正膠比負膠有更高的曝光效率正膠比負膠有更高的曝光效率，故正膠的光敏度大，故正膠的光敏度大，光敏度大可減小曝光時間光敏度大可減小曝光時間光刻膠的基本屬性光刻膠的基本屬性v抗刻蝕能力抗刻蝕能力 圖形轉(zhuǎn)移時，光刻膠抵抗刻蝕的能力

33、。圖形轉(zhuǎn)移時，光刻膠抵抗刻蝕的能力。 光刻膠對濕法腐蝕有比較好的抗腐蝕能力，對大部光刻膠對濕法腐蝕有比較好的抗腐蝕能力，對大部分的干法刻蝕，光刻膠的抗刻蝕能力則比較差分的干法刻蝕，光刻膠的抗刻蝕能力則比較差v 熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性 通常干法刻蝕的工作溫度比濕法腐蝕要高，所通常干法刻蝕的工作溫度比濕法腐蝕要高，所以光刻膠應(yīng)能夠承受以光刻膠應(yīng)能夠承受200 200 以上的工作溫度以上的工作溫度光刻膠的基本屬性光刻膠的基本屬性v黏著力黏著力 在刻蝕過程中，如果光刻膠黏附不牢就會發(fā)生在刻蝕過程中，如果光刻膠黏附不牢就會發(fā)生鉆蝕和浮膠鉆蝕和浮膠，這將直接影響光刻的質(zhì)量，甚至，這將直接影響光刻的質(zhì)量，甚至使整

34、個圖形丟失。使整個圖形丟失。 增強黏附性的方法：增強黏附性的方法： 1.1.涂膠前脫水處理涂膠前脫水處理 2.2.使用增粘劑（使用增粘劑（HMDS) HMDS) 3.3.提高堅膜的循環(huán)溫度提高堅膜的循環(huán)溫度光刻膠的基本屬性光刻膠的基本屬性v光刻膠的溶解度光刻膠的溶解度 光刻膠是由溶劑溶解了固態(tài)物質(zhì)（如樹脂）光刻膠是由溶劑溶解了固態(tài)物質(zhì)（如樹脂）所形成的液體，其中溶解的固態(tài)物質(zhì)所占的所形成的液體，其中溶解的固態(tài)物質(zhì)所占的比重稱為溶解度比重稱為溶解度v 光刻膠的粘滯度光刻膠的粘滯度 影響甩膠后光刻膠膜厚影響甩膠后光刻膠膜厚光刻膠的基本屬性光刻膠的基本屬性v 微粒數(shù)量和金屬含量微粒數(shù)量和金屬含量 光

35、刻膠的純凈度光刻膠的純凈度與光刻膠中的微粒數(shù)量和金屬與光刻膠中的微粒數(shù)量和金屬含量有關(guān)。含量有關(guān)。 光刻膠的生產(chǎn)過程中需要經(jīng)過嚴格的過濾和包光刻膠的生產(chǎn)過程中需要經(jīng)過嚴格的過濾和包裝，且需要在使用前過濾。隨存儲時間的增加，裝，且需要在使用前過濾。隨存儲時間的增加，光刻膠中的微粒數(shù)量還會繼續(xù)增加。光刻膠中的微粒數(shù)量還會繼續(xù)增加。 光刻膠中的金屬含量主要指光刻膠中的金屬含量主要指鈉和鉀的含量鈉和鉀的含量，鈉，鈉和鉀會帶來污染，降低器件的性能。和鉀會帶來污染，降低器件的性能。v儲存壽命儲存壽命 光刻膠中的成分隨時間和溫度發(fā)生變化光刻膠中的成分隨時間和溫度發(fā)生變化 通常正膠的壽命高于負膠的通常正膠的壽

36、命高于負膠的 在存儲期間，由于交叉鏈接的作用，正膠中的在存儲期間，由于交叉鏈接的作用，正膠中的高分子成分會增加，感光劑不可溶，結(jié)晶成沉高分子成分會增加，感光劑不可溶，結(jié)晶成沉淀物淀物。光刻膠的基本屬性光刻膠的基本屬性lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻 潔凈室潔凈室 工藝流程工藝流程 光刻機光刻機 光刻膠光刻膠 掩膜版掩膜版掩膜版掩膜版v 掩膜版上的圖形代表掩膜版上的圖形代表一層一層ICIC設(shè)計，將綜合的設(shè)計，將綜合的布局圖按照布局圖按照ICIC工藝分成工藝分成各層掩膜版，如隔離區(qū)各層掩膜版，如隔離區(qū)為一層、柵極區(qū)為另一為一層

37、、柵極區(qū)為另一層等，這些掩膜版的組層等，這些掩膜版的組合就是一組合就是一組ICIC工藝流程。工藝流程。掩膜板的制造掩膜板的制造v傳統(tǒng)掩膜版是在石英板上淀積薄的鉻傳統(tǒng)掩膜版是在石英板上淀積薄的鉻(ge)(ge)層，層，在在鉻層上形成圖形鉻層上形成圖形。v掩膜版是由掩膜版是由電子束電子束或者或者激光束直接刻寫激光束直接刻寫在在鉻層上的。鉻層上的。v通常，制作一個完整的通常，制作一個完整的ULSIULSI芯片需要芯片需要2020到到2525塊不同的掩膜塊不同的掩膜。v掩膜版的構(gòu)成掩膜版的構(gòu)成 石英玻璃板石英玻璃板 鉻層鉻層 鉻的氮化物或氧化物鉻的氮化物或氧化物+ +鉻鉻+ +抗反射層抗反射層 掩膜版

38、的保護膜：密封掩膜版，防止空氣中的掩膜版的保護膜：密封掩膜版，防止空氣中的微粒以及其它形式的污染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板的制造掩膜板的制造v 掩膜版好壞的關(guān)鍵因素：缺陷密度掩膜版好壞的關(guān)鍵因素：缺陷密度v 缺陷的產(chǎn)生原因缺陷的產(chǎn)生原因 制造掩膜版時產(chǎn)生制造掩膜版時產(chǎn)生 圖形曝光時產(chǎn)生圖形曝光時產(chǎn)生v缺陷密度對缺陷密度對ICIC成品率的影響成品率的影響 其中：其中：D D為每單位面積致命缺陷的平均數(shù)，為每單位面積致命缺陷的平均數(shù)，A A為為ICIC芯片芯片的面積，的面積，N N為掩膜版的層數(shù)為掩膜版的層數(shù)DAeYNDAeY要提高要提高大面積芯片大面積芯片的成的成品率，

39、掩膜版的品率，掩膜版的檢查與檢查與清洗清洗是非常重要的。是非常重要的。分辨率增強技術(shù)移相掩膜分辨率增強技術(shù)移相掩膜v 移相掩膜（移相掩膜（phase-shifting mask, PSM)phase-shifting mask, PSM) 在在ICIC工藝中，工藝中，光學(xué)圖形曝光系統(tǒng)光學(xué)圖形曝光系統(tǒng)追求較佳的分追求較佳的分辨率、較深的聚焦深度與較廣的曝光寬容度辨率、較深的聚焦深度與較廣的曝光寬容度 基本原理是在掩膜版的某些透明圖形上增加或基本原理是在掩膜版的某些透明圖形上增加或減少一個透明的介質(zhì)層，稱為移相器，使光波減少一個透明的介質(zhì)層，稱為移相器，使光波通過這個介質(zhì)層后產(chǎn)生通過這個介質(zhì)層后產(chǎn)

40、生180180度的相位差，與鄰度的相位差，與鄰近透明區(qū)域透過的光波產(chǎn)生干涉，從而抵消圖近透明區(qū)域透過的光波產(chǎn)生干涉，從而抵消圖形邊緣的光衍射效應(yīng)，形邊緣的光衍射效應(yīng)，提高曝光的分辨率提高曝光的分辨率。lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻v刻蝕刻蝕 濕法刻蝕濕法刻蝕 干法刻蝕干法刻蝕什么叫刻蝕？什么叫刻蝕？v 刻蝕刻蝕把進行光刻前所沉積的薄膜中沒有被光刻膠覆蓋把進行光刻前所沉積的薄膜中沒有被光刻膠覆蓋及保護的部分，以化學(xué)反應(yīng)或是物理作用的方式加以去除，及保護的部分，以化學(xué)反應(yīng)或是物理作用的方式加以去除，以完成轉(zhuǎn)移掩膜圖案到薄膜上

41、面的目的。以完成轉(zhuǎn)移掩膜圖案到薄膜上面的目的。v 刻蝕分類刻蝕分類 濕法刻蝕（濕法刻蝕（ WET ETCHING WET ETCHING ） ：利用液態(tài)化學(xué)試劑利用液態(tài)化學(xué)試劑或溶液通過或溶液通過化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)進行刻蝕的方法進行刻蝕的方法 干法刻蝕（干法刻蝕（ DRY ETCHINGDRY ETCHING） ：主要指利用低壓放電主要指利用低壓放電產(chǎn)生的等離子體中的離子或游離基產(chǎn)生的等離子體中的離子或游離基( (處于激發(fā)態(tài)的分子、處于激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原子基團等原子及各種原子基團等) )與材料與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通過轟或通過轟擊等擊等物理作用物理作用而達到刻蝕的目的而達到刻蝕

42、的目的刻蝕術(shù)語刻蝕術(shù)語 v BIAS BIAS （偏差）（偏差）腐蝕后的圖形與版圖的水平偏差腐蝕后的圖形與版圖的水平偏差。v TOLERANCE TOLERANCE （容差）（容差）各批圖形間的偏差。各批圖形間的偏差。v ETCHING RATE ETCHING RATE （腐蝕速率均勻度）（腐蝕速率均勻度）= =（ 最高速率最高速率- -最低速率最低速率 ）/ /（最高速率（最高速率+ +最低速率最低速率 ）* *100%100%vOVER ETCHING OVER ETCHING （過腐蝕）（過腐蝕）v SELECTIVITY SELECTIVITY （選擇性）（選擇性）S SFSFS=

43、= 腐蝕腐蝕FILMFILM速率速率 / / 腐蝕腐蝕SUBSTRATESUBSTRATE速率速率會出現(xiàn)光刻膠的鉆蝕會出現(xiàn)光刻膠的鉆蝕-方向性方向性腐蝕劑會腐蝕襯底而改變襯底形貌腐蝕劑會腐蝕襯底而改變襯底形貌-選擇性選擇性lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻v刻蝕刻蝕 濕法刻蝕濕法刻蝕 干法刻蝕干法刻蝕刻蝕刻蝕v濕法腐蝕：濕法腐蝕： 濕法化學(xué)刻蝕在半導(dǎo)體工藝中有著廣泛應(yīng)用濕法化學(xué)刻蝕在半導(dǎo)體工藝中有著廣泛應(yīng)用 優(yōu)點是優(yōu)點是選擇性好選擇性好、重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高、設(shè)、重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高、設(shè)備簡單、成本低備簡單、成本低 缺點是鉆

44、蝕嚴重、缺點是鉆蝕嚴重、各向同性腐蝕各向同性腐蝕，對圖形的控，對圖形的控制性較差制性較差 在工業(yè)生產(chǎn)中一般以在工業(yè)生產(chǎn)中一般以3um3um線寬為界限，小于線寬為界限，小于3um3um普遍普遍應(yīng)用干法刻蝕技術(shù)。應(yīng)用干法刻蝕技術(shù)。各向同性和異性各向同性和異性 假設(shè)假設(shè)hfhf為下層材料的厚度，為下層材料的厚度，l l為抗為抗蝕劑底下的側(cè)面鉆蝕距離，可以定義蝕劑底下的側(cè)面鉆蝕距離，可以定義各向異性的比值各向異性的比值A(chǔ)fAf為：為：vlvlffRRtRtRhlA111其中：其中：t t為時間，而為時間，而RlRl和和RvRv則分別為水平方向與垂直方向則分別為水平方向與垂直方向腐蝕的速率；對各向同性腐

45、蝕而言，腐蝕的速率；對各向同性腐蝕而言，RlRlRvRv，AfAf0 0；對；對各向異性腐蝕的極限情況而言，各向異性腐蝕的極限情況而言，RlRl0 0，AfAf1 1；v Wet Etching Silicon Wet Etching Silicon （硅刻蝕）（硅刻蝕）腐蝕液成份：腐蝕液成份：HNOHNO3、HFHF、CHCH3COOHCOOH（水）（水） 醋酸比水好，可以抑制HNO3的分解反應(yīng)方程：反應(yīng)方程： Si+HNO3+6HF H2SiF6+HNO3+H2+H2O混合液成份不同腐蝕速率不同混合液成份不同腐蝕速率不同各向同性腐蝕各向同性腐蝕v Wet Etching Silicon D

46、ioxide Wet Etching Silicon Dioxide （二氧化硅刻蝕）（二氧化硅刻蝕）腐蝕液成份：腐蝕液成份：HFHF、氟化氨（、氟化氨（NHNH4 4F F）水溶液）水溶液反應(yīng)方程：反應(yīng)方程：SiO2+6HF H2+SiF6+2H2O腐蝕液中加入一定的氟化氨作為緩沖劑腐蝕液中加入一定的氟化氨作為緩沖劑 形成的腐蝕液稱為形成的腐蝕液稱為BHFBHF，又稱作緩沖氧化層腐蝕，又稱作緩沖氧化層腐蝕（buffered-oxide-buffered-oxide-etch,BOEetch,BOE) )v Wet Etching Si Wet Etching Si3 3N N4 4（氮化硅刻

47、蝕）（氮化硅刻蝕）腐蝕液成份：腐蝕液成份：180180濃度為濃度為8585的磷酸溶液的磷酸溶液v Wet Etching Al Wet Etching Al（鋁刻蝕）（鋁刻蝕）腐蝕液成份腐蝕液成份: :OHCOOHCHHNOPOH23343%5 .19%5 . 3%473lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻v刻蝕刻蝕 濕法腐蝕濕法腐蝕 干法刻蝕干法刻蝕v濺射與離子束銑（濺射與離子束銑（xixi）蝕：）蝕：通過高能惰性氣體離子的物通過高能惰性氣體離子的物理轟擊作用刻蝕，各向異性性好，但選擇性較差理轟擊作用刻蝕，各向異性性好，但選

48、擇性較差v等離子刻蝕等離子刻蝕(Plasma Etching)(Plasma Etching)：利用放電產(chǎn)生的游離基利用放電產(chǎn)生的游離基（游離態(tài)的原子、分子或原子團）與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，（游離態(tài)的原子、分子或原子團）與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)物，實現(xiàn)刻蝕。選擇性好、對襯底損傷較小，形成揮發(fā)物，實現(xiàn)刻蝕。選擇性好、對襯底損傷較小，但各向異性較差但各向異性較差v反應(yīng)離子刻蝕反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching(Reactive Ion Etching，簡稱為，簡稱為RIE)RIE)：通通過活性離子對襯底的物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)雙重作用刻蝕。過活性離子對襯底的物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)雙重作

49、用刻蝕。具有濺射刻蝕和等離子刻蝕兩者的優(yōu)點，同時兼有各向具有濺射刻蝕和等離子刻蝕兩者的優(yōu)點，同時兼有各向異性和選擇性好的優(yōu)點。目前，異性和選擇性好的優(yōu)點。目前，RIERIE已成為已成為VLSIVLSI工藝中工藝中應(yīng)用最廣泛的主流刻蝕技術(shù)應(yīng)用最廣泛的主流刻蝕技術(shù)DRY ETCHING DRY ETCHING 干法刻蝕干法刻蝕DRY ETCHING DRY ETCHING 干法刻蝕干法刻蝕v 干法刻蝕優(yōu)點：干法刻蝕優(yōu)點：分辨率高分辨率高各向異性腐蝕能力強各向異性腐蝕能力強某些情況下腐蝕選擇比大某些情況下腐蝕選擇比大均勻性、重復(fù)性好均勻性、重復(fù)性好便于連續(xù)自動操作便于連續(xù)自動操作v干法刻蝕的應(yīng)用干法刻蝕的應(yīng)用 SiSi，SiSi3 3N N4 4，SiOSiO2 2 Poly-Si, Poly-Si, 硅化物硅化物 A