第八章光刻與刻蝕工藝

1、集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)第八章第八章 光刻與刻蝕工藝光刻與刻蝕工藝西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院微電子學(xué)院戴顯英戴顯英2012013 3年年9 9月月主要內(nèi)容主要內(nèi)容n光刻的重要性光刻的重要性n光刻工藝流程光刻工藝流程n光源光源n光刻膠光刻膠n分辨率分辨率n濕法刻蝕濕法刻蝕n干法刻蝕干法刻蝕第八章第八章 光刻與刻蝕工藝光刻與刻蝕工藝nICIC制造中最重要的工藝：制造中最重要的工藝：決定著芯片的最小特征尺寸決定著芯片的最小特征尺寸占芯片制造時間的占芯片制造時間的40-50%40-50%占制造成本的占制造成本的30%30%n光刻：光刻：通過光化學(xué)反應(yīng)，將光刻版（通過光化學(xué)反應(yīng)，

2、將光刻版（maskmask）上的圖形轉(zhuǎn)）上的圖形轉(zhuǎn) 移到光刻膠上。移到光刻膠上。n刻蝕：刻蝕：通過腐蝕，將光刻膠上圖形完整地轉(zhuǎn)移到通過腐蝕，將光刻膠上圖形完整地轉(zhuǎn)移到SiSi片上片上n光刻三要素：光刻三要素：光刻機(jī)光刻版（掩膜版）光刻膠光刻機(jī)光刻版（掩膜版）光刻膠nULSIULSI對光刻的要求：對光刻的要求：高分辨率；高靈敏的光刻膠；高分辨率；高靈敏的光刻膠； 低缺陷；精密的套刻對準(zhǔn)；低缺陷；精密的套刻對準(zhǔn)；第八章第八章 光刻與刻蝕工藝光刻與刻蝕工藝n特征尺寸與柵長的摩爾定律特征尺寸與柵長的摩爾定律n與特征尺寸相應(yīng)的光源與特征尺寸相應(yīng)的光源第八章第八章 光刻與刻蝕工藝光刻與刻蝕工藝n接觸式與投

3、影式光刻機(jī)接觸式與投影式光刻機(jī)掩模版掩模版n掩膜版的質(zhì)量要求掩膜版的質(zhì)量要求若每塊掩膜版上圖形成品率若每塊掩膜版上圖形成品率9090，則，則6 6塊光刻版，其管芯圖形成品率（塊光刻版，其管芯圖形成品率（9090）6 65353；1010塊光刻版，其管芯圖形成品率（塊光刻版，其管芯圖形成品率（9090）10103535；1515塊光刻版，其管芯圖形成品率（塊光刻版，其管芯圖形成品率（9090）15152121；最后的管芯成品率當(dāng)然比其圖形成品率還要低。最后的管芯成品率當(dāng)然比其圖形成品率還要低。n掩膜版尺寸：掩膜版尺寸： 接觸式接近式和投影式曝光機(jī)：接觸式接近式和投影式曝光機(jī)：11 11 分步重復(fù)

4、投影光刻機(jī)（分步重復(fù)投影光刻機(jī)（StepperStepper）：）：4141；5151； 101 101Clean RoomClean Room凈化間凈化間n潔凈等級：潔凈等級：塵埃數(shù)塵埃數(shù)/m/m3 3； （塵埃尺寸為（塵埃尺寸為0.50.5mm） 1010萬級：萬級：350350萬，單晶制備；萬，單晶制備； 1 1萬級：萬級：3535萬，封裝、測試；萬，封裝、測試； 10001000級：級：3500035000，擴(kuò)散、，擴(kuò)散、CVDCVD； 100100級：級：35003500，光刻、制版；，光刻、制版；n深亞微米器件深亞微米器件（塵埃尺寸為（塵埃尺寸為0.10.1mm） 1010級：級：

5、350350，光刻、制版；，光刻、制版； 1 1級：級： 3535，光刻、制版；，光刻、制版；n光刻工藝的基本步驟光刻工藝的基本步驟 涂膠涂膠 Photoresist coatingPhotoresist coating 曝光曝光 ExposureExposure 顯影顯影 DevelopmentDevelopment8.1 8.1 光刻工藝光刻工藝Photolithography Processn光刻工藝的主要步驟光刻工藝的主要步驟涂膠涂膠 前烘前烘 曝光曝光后烘后烘顯影顯影堅(jiān)膜堅(jiān)膜 1)1)清洗硅片清洗硅片 Wafer CleanWafer Clean2)2)預(yù)烘和打底膠預(yù)烘和打底膠 Pr

6、e-bake and Primer VaporPre-bake and Primer Vapor3 3、涂膠、涂膠 Photoresist CoatingPhotoresist Coating4 4、前烘、前烘 Soft BakeSoft Bake8.1.1 8.1.1 光刻工藝流程光刻工藝流程5 5、對準(zhǔn)、對準(zhǔn) AlignmentAlignment6 6、曝光、曝光 ExposureExposure7 7、后烘、后烘 Post Exposure BakePost Exposure Bake8 8、顯影、顯影 DevelopmentDevelopment8.1.1 8.1.1 光刻工藝流程光刻

7、工藝流程9 9、堅(jiān)膜、堅(jiān)膜 Hard BakeHard Bake1010、圖形檢測、圖形檢測 Pattern InspectionPattern Inspection8.1.1 8.1.1 光刻工藝流程光刻工藝流程光刻光刻1 1清洗清洗光刻光刻2 2預(yù)烘和打底膜預(yù)烘和打底膜nSiOSiO2 2: :親水性；光刻膠：疏水性；親水性；光刻膠：疏水性；n預(yù)烘：去除預(yù)烘：去除SiSi片水汽，增強(qiáng)光刻片水汽，增強(qiáng)光刻膠與表面的黏附性；大約膠與表面的黏附性；大約1001000 0C C；n打底膜：涂打底膜：涂HMDSHMDS（六甲基乙硅氮（六甲基乙硅氮烷），去掉烷），去掉SiOSiO2 2表面的表面的-O

8、H-OH，增強(qiáng)，增強(qiáng)光刻膠與表面的黏附性。光刻膠與表面的黏附性。nRCARCA標(biāo)準(zhǔn)清洗標(biāo)準(zhǔn)清洗8.1.1 8.1.1 光刻工藝流程光刻工藝流程光刻光刻3 3涂膠涂膠 Spin CoatingSpin Coatingn圓片放置在涂膠機(jī)的真空卡盤上圓片放置在涂膠機(jī)的真空卡盤上n高速旋轉(zhuǎn)高速旋轉(zhuǎn)n液態(tài)光刻膠滴在圓片中心液態(tài)光刻膠滴在圓片中心n光刻膠以離心力向外擴(kuò)展光刻膠以離心力向外擴(kuò)展n均勻涂覆在圓片表面均勻涂覆在圓片表面EBR: Edge bead removal邊緣修復(fù)要求：粘附良好，均勻，薄厚適當(dāng)要求：粘附良好，均勻，薄厚適當(dāng)n膠膜太薄針孔多，抗蝕性差；膠膜太薄針孔多，抗蝕性差；n膠膜太厚分辨

9、率低（分辨率是膜厚膠膜太厚分辨率低（分辨率是膜厚的的5 58 8倍）倍）涂膠方法：浸涂，噴涂，涂膠方法：浸涂，噴涂，旋涂旋涂旋轉(zhuǎn)涂膠旋轉(zhuǎn)涂膠 Spin CoatingSpin Coating8.1.1 8.1.1 光刻工藝流程光刻工藝流程光刻膠厚度與旋轉(zhuǎn)速率和粘性的關(guān)系光刻膠厚度與旋轉(zhuǎn)速率和粘性的關(guān)系n與涂膠旋轉(zhuǎn)速率成反比與涂膠旋轉(zhuǎn)速率成反比n與光刻膠粘性成正比與光刻膠粘性成正比光刻光刻4 4前烘前烘Soft BakeSoft BakeBaking Systems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SiOSiO2 2 （AlA

10、l膜等）的粘附性及耐磨性。膜等）的粘附性及耐磨性。影響因素：溫度，時間。影響因素：溫度，時間。n烘焙不足（溫度太低或時間太短）顯影時易浮膠，圖形易變形。烘焙不足（溫度太低或時間太短）顯影時易浮膠，圖形易變形。n烘焙時間過長增感劑揮發(fā)，導(dǎo)致曝光時間增長，甚至顯不出圖形。烘焙時間過長增感劑揮發(fā)，導(dǎo)致曝光時間增長，甚至顯不出圖形。n烘焙溫度過高感光劑反應(yīng)（膠膜硬化），不易溶于顯影液，導(dǎo)致顯烘焙溫度過高感光劑反應(yīng)（膠膜硬化），不易溶于顯影液，導(dǎo)致顯影不干凈。影不干凈。8.1.1 8.1.1 光刻工藝流程光刻工藝流程5-65-6、對準(zhǔn)與曝光、對準(zhǔn)與曝光 Alignment and ExposureAli

11、gnment and ExposurenMost critical process for IC fabricationnMost expensive tool (stepper) in an IC fab.nDetermines the minimum feature sizenCurrently 45nm and pushing to 32 nmn接觸式曝光機(jī)接觸式曝光機(jī)n接近式曝光機(jī)接近式曝光機(jī)n投影式曝光機(jī)投影式曝光機(jī)n步進(jìn)式曝光機(jī)（步進(jìn)式曝光機(jī)（StepperStepper）1 1）對準(zhǔn)和曝光設(shè)備）對準(zhǔn)和曝光設(shè)備 -光刻機(jī)光刻機(jī)8.1.1 8.1.1 光刻工藝流程光刻工藝流程接觸式曝

12、光示意圖接觸式曝光示意圖步進(jìn)步進(jìn)- -重復(fù)（重復(fù)（StepperStepper）曝光示意圖曝光示意圖接近式曝光示意圖接近式曝光示意圖投影式曝光示意圖投影式曝光示意圖光學(xué)曝光、光學(xué)曝光、X X射線曝光、電子束曝光射線曝光、電子束曝光光學(xué)曝光光學(xué)曝光紫外，深紫外紫外，深紫外n高壓汞燈：紫外高壓汞燈：紫外(UV(UV），），300300450nm450nm； i i線線365nm365nm，h h線線405nm405nm，g g線線436nm436nm。n準(zhǔn)分子激光：準(zhǔn)分子激光：KrFKrF：= 248nm= 248nm； ArFArF：= 193nm= 193nm； nF F2 2激光器：激光器：

13、 = 157nm= 157nm。高壓汞燈紫外光譜高壓汞燈紫外光譜2 2）曝光光源：）曝光光源：8.1.1 8.1.1 光刻工藝流程光刻工藝流程電子束曝光：電子束曝光：幾十幾十-100-100；n優(yōu)點(diǎn)：分辨率高；不需光刻版優(yōu)點(diǎn)：分辨率高；不需光刻版（直寫式）；（直寫式）；n缺點(diǎn)：產(chǎn)量低（適于制備光刻缺點(diǎn)：產(chǎn)量低（適于制備光刻版）；版）；X X射線曝光：射線曝光：2-402-40 ，軟，軟X X射射線；線；nX X射線曝光的特點(diǎn)：分辨率高，射線曝光的特點(diǎn)：分辨率高，產(chǎn)量大。產(chǎn)量大。極短紫外光（極短紫外光（EUVEUV）：）：101014nm14nm下一代曝光方法下一代曝光方法8.1.1 8.1.1

14、 光刻工藝流程光刻工藝流程商用商用X-rayX-ray光刻機(jī)光刻機(jī)光刻光刻7 7曝光后烘焙（后烘，曝光后烘焙（后烘，PEBPEB）n烘焙溫度高于光刻膠玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（烘焙溫度高于光刻膠玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（TgTg）n光刻膠分子發(fā)生熱運(yùn)動光刻膠分子發(fā)生熱運(yùn)動n過曝光和欠曝光的光刻膠分子發(fā)生重分布過曝光和欠曝光的光刻膠分子發(fā)生重分布n平衡駐波效應(yīng)，平滑光刻膠側(cè)墻，平衡駐波效應(yīng)，平滑光刻膠側(cè)墻，n目的：提高分辨率目的：提高分辨率8.1.1 8.1.1 光刻工藝流程光刻工藝流程光刻膠中的駐波效應(yīng)光刻膠中的駐波效應(yīng)光刻光刻8 8顯影顯影( (Development)Development)n顯影液顯影液溶解

15、掉光刻膠中軟化部分溶解掉光刻膠中軟化部分（曝光的正膠或未曝光（曝光的正膠或未曝光的負(fù)膠）的負(fù)膠）n從掩膜版轉(zhuǎn)移圖形到光刻膠上從掩膜版轉(zhuǎn)移圖形到光刻膠上n三個基本步驟三個基本步驟: :顯影、漂洗、干燥顯影、漂洗、干燥8.1.1 8.1.1 光刻工藝流程光刻工藝流程顯影液：顯影液：專用專用n正膠顯影液：含水的堿性顯影液，如正膠顯影液：含水的堿性顯影液，如KOHKOH、 TMAH ( TMAH (四甲基氫氧化胺水溶液四甲基氫氧化胺水溶液) )，等。，等。n負(fù)膠顯影液：有機(jī)溶劑，如丙酮、甲苯等。負(fù)膠顯影液：有機(jī)溶劑，如丙酮、甲苯等。 例，例，KPRKPR（負(fù)膠）的顯影液：丁酮最理想；（負(fù)膠）的顯影液：

16、丁酮最理想； 甲苯圖形清晰度稍差；甲苯圖形清晰度稍差； 三氯乙烯毒性大。三氯乙烯毒性大。8.1.1 8.1.1 光刻工藝流程光刻工藝流程光刻光刻8 8顯影顯影( (Development)Development)影響顯影效果的主要因素：影響顯影效果的主要因素： ）曝光時間；）曝光時間； ）前烘的溫度與時間；）前烘的溫度與時間； ）膠膜的厚度；）膠膜的厚度； ）顯影液的濃度；）顯影液的濃度； ）顯影液的溫度；）顯影液的溫度； 顯影時間適當(dāng)顯影時間適當(dāng)nt t太短：可能留下光刻膠薄層太短：可能留下光刻膠薄層阻擋腐蝕阻擋腐蝕SiOSiO2 2( (金屬）金屬） 氧化層氧化層“小島小島”。nt t太長

17、：光刻膠軟化、膨脹、鉆溶、浮膠太長：光刻膠軟化、膨脹、鉆溶、浮膠 圖形邊緣破壞。圖形邊緣破壞。8.1.1 8.1.1 光刻工藝流程光刻工藝流程光刻光刻8 8顯影顯影( (Development)Development)正常顯影過顯影不完全顯影欠顯影顯影后剖面顯影后剖面光刻光刻8 8顯影顯影( (Development)Development)8.1.1 8.1.1 光刻工藝流程光刻工藝流程光刻光刻9 9堅(jiān)膜堅(jiān)膜（Hard BakeHard Bake）n蒸發(fā)蒸發(fā)PRPR中所有有機(jī)溶劑中所有有機(jī)溶劑n提高刻蝕和注入的抵抗力提高刻蝕和注入的抵抗力n提高光刻膠和表面的黏附性提高光刻膠和表面的黏附性n堅(jiān)

18、膜溫度堅(jiān)膜溫度: 100 : 100 到到1301300 0C Cn堅(jiān)膜時間：堅(jiān)膜時間：1 1 到到2 2 分鐘分鐘堅(jiān)膜工藝：堅(jiān)膜工藝：烘箱、紅外燈烘箱、紅外燈n堅(jiān)膜不足：光刻膠不能充分聚合，黏附性變差，顯影堅(jiān)膜不足：光刻膠不能充分聚合，黏附性變差，顯影時易浮膠、鉆蝕。時易浮膠、鉆蝕。n過堅(jiān)膜：光刻膠流動造成分辨率變差，易翹曲和剝落過堅(jiān)膜：光刻膠流動造成分辨率變差，易翹曲和剝落n若若T300T300：光刻膠分解，失去抗蝕能力。：光刻膠分解，失去抗蝕能力。堅(jiān)膜控制堅(jiān)膜控制正常堅(jiān)膜正常堅(jiān)膜過堅(jiān)膜過堅(jiān)膜8.1.1 8.1.1 光刻工藝流程光刻工藝流程光刻光刻1010圖形檢測（圖形檢測（Pattern

19、 InspectionPattern Inspection） 檢查發(fā)現(xiàn)問題，剝?nèi)ス饪棠z，重新開始檢查發(fā)現(xiàn)問題，剝?nèi)ス饪棠z，重新開始 光刻膠圖形是暫時的光刻膠圖形是暫時的 刻蝕和離子注入圖形是永久的刻蝕和離子注入圖形是永久的 光刻工藝是可以返工的，光刻工藝是可以返工的， 刻蝕和注入以后就不能再返工刻蝕和注入以后就不能再返工 檢測手段：檢測手段：SEMSEM（掃描電子顯微鏡）、光學(xué)顯微鏡（掃描電子顯微鏡）、光學(xué)顯微鏡n問題：能否用光學(xué)顯微鏡檢查0.25m尺寸的圖形? 不能。因?yàn)樘卣鞒叽绮荒?。因?yàn)樘卣鞒叽?(0.25 m mm = 250nm) 小于可見光小于可見光的波長，可見光波長為的波長，可見光

20、波長為390nm (紫光紫光) to 750nm (紅光紅光)。8.1.1 8.1.1 光刻工藝流程光刻工藝流程8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率n分辨率分辨率R R表征光刻精度，光刻時所能得到的光刻圖形表征光刻精度，光刻時所能得到的光刻圖形的最小尺寸。的最小尺寸。n表示方法：每表示方法：每mmmm最多可容納的線條數(shù)。若可分辨的最小線最多可容納的線條數(shù)。若可分辨的最小線 寬為寬為L L線條間隔也是線條間隔也是L L），則分辨率），則分辨率R R為為 R R1/(2L) (mm1/(2L) (mm-1-1) )1.1.影響影響R R的主要因素：的主要因素：曝光系統(tǒng)（光刻機(jī)）：如曝光系統(tǒng)（光刻機(jī)

21、）：如X X射線（電子束）的射線（電子束）的R R高于紫外光。高于紫外光。光刻膠：正膠的光刻膠：正膠的R R高于負(fù)膠；高于負(fù)膠；其他：掩模版、襯底、顯影、工藝、操作者等。其他：掩模版、襯底、顯影、工藝、操作者等。表表1 1 影響光刻工藝效果的一些參數(shù)影響光刻工藝效果的一些參數(shù)8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率2.2.衍射對衍射對R R的限制的限制n 設(shè)一任意粒子（光子、電子），根據(jù)不確定關(guān)系，有設(shè)一任意粒子（光子、電子），根據(jù)不確定關(guān)系，有 LpLphhn粒子束動量的最大變化為粒子束動量的最大變化為pp=2p=2p，相應(yīng)地，相應(yīng)地n若若LL為線寬，即為最細(xì)線寬，則為線寬，即為最細(xì)線寬，則n最

22、高分辨率最高分辨率phL2hpLR21max 8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率 對光子：對光子：p=h/p=h/，故，故 。n物理含義：光的衍射限制了線寬物理含義：光的衍射限制了線寬 /2/2。n最高分辨率最高分辨率限制限制：對電子、離子：具有波粒二象性（德布羅意波），則對電子、離子：具有波粒二象性（德布羅意波），則 ， n最細(xì)線寬：最細(xì)線寬： a. E a. E給定：給定：mmLLRR，即，即R R離子離子 R R電子電子 b b. m. m給定：給定：EELLRR2L)(11maxmmR221mVE mVp mEh2mEh2mEhL22hpLR21max8.1.2 8.1.2 分辨率分

23、辨率3.3.光衍射影響分辨率光衍射影響分辨率衍射光投射光強(qiáng)度偏離的折射光被凸鏡收集的衍射光波長越短，衍射越弱波長越短，衍射越弱光學(xué)凸鏡能夠收集衍射光學(xué)凸鏡能夠收集衍射光并增強(qiáng)圖像光并增強(qiáng)圖像8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率1 1）數(shù)值孔徑）數(shù)值孔徑NA NA （Numerical ApertureNumerical Aperture）nNANA：表示凸鏡收集衍射光的能力：表示凸鏡收集衍射光的能力nNA = 2 rNA = 2 r0 0 / D / D r r0 0 : : 凸鏡的半徑凸鏡的半徑 D D ： 目標(biāo)（掩膜）與凸鏡的距離目標(biāo)（掩膜）與凸鏡的距離 NA NA越大，凸鏡收集更多的衍射

24、光，產(chǎn)生更尖銳的圖形越大，凸鏡收集更多的衍射光，產(chǎn)生更尖銳的圖形n可產(chǎn)生、可重復(fù)的最小特征尺寸可產(chǎn)生、可重復(fù)的最小特征尺寸n由曝光系統(tǒng)的光波長和數(shù)值孔徑?jīng)Q定由曝光系統(tǒng)的光波長和數(shù)值孔徑?jīng)Q定n分辨率表達(dá)式：分辨率表達(dá)式：R=KR=K1 1/NANAnK K1 1 為系統(tǒng)常數(shù)為系統(tǒng)常數(shù), , 光波長光波長, , NA NA 數(shù)值孔徑。數(shù)值孔徑。2 2）分辨率）分辨率 R R Resolution Resolution8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率n提高提高NANA 更大的凸鏡更大的凸鏡, , 可能很昂貴而不實(shí)際可能很昂貴而不實(shí)際 減小減小DOFDOF（焦深），會引起制造困難（焦深），會引起制

25、造困難n減小光波長減小光波長 開發(fā)新光源開發(fā)新光源, PR, PR和設(shè)備和設(shè)備 波長減小的極限：波長減小的極限：UVUV到到DUV, DUV, 到到EUV, EUV, 到到X-RayX-Rayn減小減小K K1 1 相移掩膜相移掩膜（Phase shift maskPhase shift mask）3)3)提高分辨率的途徑提高分辨率的途徑1RKNA8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率8.1.3 8.1.3 光刻膠光刻膠-Photoresist(PR)-Photoresist(PR)n光敏性材料：光照時發(fā)生光敏性材料：光照時發(fā)生化學(xué)分解或聚合反應(yīng)化學(xué)分解或聚合反應(yīng)n臨時性地涂覆在硅片表面臨時性地

26、涂覆在硅片表面n通過曝光轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)圖形到通過曝光轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)圖形到光刻膠上光刻膠上n類似于照相機(jī)膠片上涂覆類似于照相機(jī)膠片上涂覆的光敏材料的光敏材料n正性膠和負(fù)性膠正性膠和負(fù)性膠Negative Negative PhotoresistPhotoresist負(fù)性光刻膠負(fù)性光刻膠負(fù)膠負(fù)膠Positive Positive PhotoresistPhotoresist正性光刻膠正性光刻膠正膠正膠曝光后曝光后不可溶解不可溶解曝光后曝光后可溶解可溶解顯影時未曝顯影時未曝光的被溶解光的被溶解顯影時曝光顯影時曝光的被溶解的被溶解便宜便宜高分辨率高分辨率負(fù)膠負(fù)膠Negative hotoresists：Compa

27、rison of Photoresists8.1.3 8.1.3 光刻膠光刻膠-Photoresist(PR)-Photoresist(PR)正膠正膠Positive Photoresists：n聚合反應(yīng)：顯影時光照部分不聚合反應(yīng)：顯影時光照部分不溶解留下，未光照部分溶解；溶解留下，未光照部分溶解；n分辨率低分辨率低n分解反應(yīng)：顯影時光照部分被分解反應(yīng)：顯影時光照部分被溶解，未光照部分留下溶解，未光照部分留下n分辨率高分辨率高n正膠（重氮萘醌）的光分解機(jī)理正膠（重氮萘醌）的光分解機(jī)理8.1.3 8.1.3 光刻膠光刻膠-Photoresist(PR)-Photoresist(PR)n負(fù)膠（聚乙

28、烯醇肉桂酸脂）的光聚合機(jī)理負(fù)膠（聚乙烯醇肉桂酸脂）的光聚合機(jī)理8.1.3 8.1.3 光刻膠光刻膠-Photoresist(PR)-Photoresist(PR)1)1)聚合物材料聚合物材料n固體有機(jī)材料固體有機(jī)材料n光照下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)光照下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)n作用：保證光刻膠薄膜的附著性和抗腐蝕性作用：保證光刻膠薄膜的附著性和抗腐蝕性2)2)感光材料感光材料n當(dāng)被曝光時發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而改變?nèi)芙庑援?dāng)被曝光時發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而改變?nèi)芙庑詎正性光刻膠：由不溶變?yōu)榭扇苷怨饪棠z：由不溶變?yōu)榭扇躰負(fù)性光刻膠：由可溶變?yōu)椴蝗茇?fù)性光刻膠：由可溶變?yōu)椴蝗芄饪棠z基本組成光刻膠基本組成8.1.3 8.1.3 光刻膠

29、光刻膠-Photoresist(PR)-Photoresist(PR)3)3)溶劑溶劑n使光刻膠在涂到硅片表面之前保持液態(tài)使光刻膠在涂到硅片表面之前保持液態(tài)n允許采用旋涂的方法獲得薄層光刻膠薄膜允許采用旋涂的方法獲得薄層光刻膠薄膜4)4)添加劑添加劑n不同的添加劑獲得不同的工藝結(jié)果不同的添加劑獲得不同的工藝結(jié)果n增感劑：增大曝光范圍；增感劑：增大曝光范圍；n染料：降低反射。染料：降低反射。 光刻膠基本組成光刻膠基本組成8.1.3 8.1.3 光刻膠光刻膠-Photoresist(PR)-Photoresist(PR)n完成所需圖形的最小曝光完成所需圖形的最小曝光量；量；n表征：表征：S=n/E

30、S=n/E， E- E-曝光量（曝光量（lxlxs s，勒克，勒克斯斯秒）；秒）；n-n-比例系數(shù)；比例系數(shù)；n光敏度光敏度S S是光刻膠對光的是光刻膠對光的敏感程度的表征；敏感程度的表征；n正膠的正膠的S S大于負(fù)膠大于負(fù)膠光刻膠光敏度光刻膠光敏度S S8.1.3 8.1.3 光刻膠光刻膠-Photoresist(PR)-Photoresist(PR)光刻膠抗蝕能力光刻膠抗蝕能力n表征光刻膠耐酸堿（或等離表征光刻膠耐酸堿（或等離子體）腐蝕的程度。子體）腐蝕的程度。n對濕法腐蝕：抗蝕能力較強(qiáng)；對濕法腐蝕：抗蝕能力較強(qiáng)； 干法腐蝕：抗蝕能力較差。干法腐蝕：抗蝕能力較差。n負(fù)膠抗蝕能力大于正膠；負(fù)

31、膠抗蝕能力大于正膠；n抗蝕性與分辨率的矛盾：分抗蝕性與分辨率的矛盾：分辨率越高，抗蝕性越差辨率越高，抗蝕性越差；1 1）紫外）紫外- -汞燈汞燈ng-lineg-line（436 nm436 nm），）， 常用在常用在 0.5 0.5 m m光刻光刻ni-linei-line（365 nm365 nm），）， 常用在常用在 0.35 0.35 m m光刻光刻8.1.4 8.1.4 光源光源nKrFKrF（248 nm248 nm），），0.25 0.25 m, 0.18 m, 0.18 m and m and 0.13 0.13 m mnArFArF（193 nm193 nm），）， 0.13

32、 0.13 m m（目前目前32nm32nm）nF F2 2（157 nm157 nm），），應(yīng)用應(yīng)用 0.10 33m m）。）。 接近式曝光接近式曝光8.1.5 8.1.5 曝光方式曝光方式n利用光學(xué)系統(tǒng)，將光刻版的圖形利用光學(xué)系統(tǒng)，將光刻版的圖形 投影在硅片上。投影在硅片上。投影式曝光投影式曝光n優(yōu)點(diǎn)：光刻版不受損傷，優(yōu)點(diǎn)：光刻版不受損傷， 對準(zhǔn)精度高。對準(zhǔn)精度高。n缺點(diǎn)：光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，缺點(diǎn)：光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜， 對物鏡成像要求高。對物鏡成像要求高。n應(yīng)用：應(yīng)用：3 3m m以下特征尺寸光刻。以下特征尺寸光刻。8.1.5 8.1.5 曝光方式曝光方式分步重復(fù)投影光刻機(jī)分步重復(fù)投影光刻機(jī)-Ste

33、pper-Steppern采用折射式光學(xué)系統(tǒng)和采用折射式光學(xué)系統(tǒng)和4X5X4X5X的縮小透鏡。的縮小透鏡。n光刻版：光刻版：4X4X、5X5X、10X10X；n曝光場：一次曝光只有硅片的一部分；曝光場：一次曝光只有硅片的一部分；n采用了分步對準(zhǔn)聚焦技術(shù)。采用了分步對準(zhǔn)聚焦技術(shù)。8.1.5 8.1.5 曝光方式曝光方式8.1.6 8.1.6 掩模版（光刻版）掩模版（光刻版）MaskMaskn玻璃、石英。玻璃、石英。要求：透光度高，熱膨脹系數(shù)與掩膜材料匹配。要求：透光度高，熱膨脹系數(shù)與掩膜材料匹配?；娌牧匣娌牧涎谀げ牧涎谀げ牧辖饘侔妫ń饘侔妫–rCr版）：版）：CrCr2 2O O3 3抗反射

34、層抗反射層/ /金屬金屬Cr / CrCr / Cr2 2O O3 3基層基層n特點(diǎn)：針孔少，強(qiáng)度高，分辨率高。特點(diǎn)：針孔少，強(qiáng)度高，分辨率高。 乳膠版鹵化銀乳膠乳膠版鹵化銀乳膠 n特點(diǎn)：分辨率低（特點(diǎn)：分辨率低（2-3 m2-3 m），易劃傷。），易劃傷。nPSMPSM：Phase-Shift MaskPhase-Shift Maskn作用：消除干涉，作用：消除干涉， 提高分辨率；提高分辨率；n原理：在原理：在MaskMask的透明圖的透明圖形上增加一個透明的介形上增加一個透明的介質(zhì)層質(zhì)層- -移相器，使光通過移相器，使光通過后產(chǎn)生后產(chǎn)生1801800 0的相位差。的相位差。移相掩模（移相掩

35、模（PSMPSM）8.1.6 8.1.6 掩模版（光刻版）掩模版（光刻版）MaskMask基本概念基本概念n刻蝕：從刻蝕：從SiSi片表面去除不需要的材料，如片表面去除不需要的材料，如SiSi、SiO2SiO2， 金屬、光刻膠等金屬、光刻膠等n化學(xué)、物理過程或兩者結(jié)合：濕法和干法化學(xué)、物理過程或兩者結(jié)合：濕法和干法n各向同性與各向異性：選擇性或覆蓋刻蝕各向同性與各向異性：選擇性或覆蓋刻蝕n選擇性刻蝕轉(zhuǎn)移光刻膠上的選擇性刻蝕轉(zhuǎn)移光刻膠上的ICIC設(shè)計(jì)圖形到晶圓表面設(shè)計(jì)圖形到晶圓表面n其它應(yīng)用其它應(yīng)用: : 制造掩膜制造掩膜, , 印制電路板印制電路板, , 藝術(shù)品藝術(shù)品, , 等等等等8.2 8

36、.2 刻蝕工藝刻蝕工藝EtchEtch1 1）柵掩膜對準(zhǔn)）柵掩膜對準(zhǔn) Gate Mask AlignmentGate Mask Alignment2 2）柵掩膜曝光）柵掩膜曝光 Gate Mask ExposureGate Mask Exposure3 3）顯影）顯影/ /堅(jiān)膜堅(jiān)膜/ /檢查檢查 Development/HardBake/InspectionDevelopment/HardBake/Inspection4 4）刻蝕多晶硅）刻蝕多晶硅 Etch PolysiliconEtch Polysilicon刻蝕工藝舉例刻蝕工藝舉例5 5）刻蝕多晶）刻蝕多晶 Etch Polysilico

37、nEtch Polysilicon6 6）光刻膠剝離）光刻膠剝離 Strip PhotoresistStrip Photoresist7 7）離子注入）離子注入 Ion ImplantationIon Implantation8 8）快速退火）快速退火 RTARTA刻蝕工藝舉例刻蝕工藝舉例8.2.1 8.2.1 濕法刻蝕濕法刻蝕n特點(diǎn)：特點(diǎn)：各相同性腐蝕各相同性腐蝕。n優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單， 腐蝕選擇性好。腐蝕選擇性好。n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：鉆蝕嚴(yán)重鉆蝕嚴(yán)重（各向異性差），（各向異性差）， 難于獲得精細(xì)圖形。難于獲得精細(xì)圖形。 （刻蝕（刻蝕3 3m m以上線條）以上線條）n刻蝕的材料：刻蝕的

38、材料：SiSi、SiOSiO2 2、SiSi3 3N N4 4及金屬；及金屬；n利用利用化學(xué)溶液化學(xué)溶液溶解硅表面的材料溶解硅表面的材料n三個基本過程：刻蝕、漂洗、干燥三個基本過程：刻蝕、漂洗、干燥SiSi的濕法刻蝕的濕法刻蝕n常用腐蝕劑常用腐蝕劑HNOHNO3 3-HF-H-HF-H2 2O(HAC)O(HAC)混合液混合液Si+HNOSi+HNO3 3+HF+HF H H2 2SiFSiF6 6+HNO+HNO2 2+H+H2 2O+HO+H2 2HNOHNO3 3：強(qiáng)氧化劑；：強(qiáng)氧化劑；HFHF：腐蝕：腐蝕SiOSiO2 2；HACHAC：抑制：抑制HNOHNO3 3的分解；的分解；KO

39、H-KOH-異丙醇異丙醇n常用配方：常用配方：HF:NHHF:NH4 4F: HF: H2 2O=3ml:6g:10mlO=3ml:6g:10ml (HF (HF溶液濃度為溶液濃度為4848) )nHF HF ：腐蝕劑，：腐蝕劑，SiOSiO2 2+HFH+HFH2 2SiFSiF6 6+H+H2 2O OnNHNH4 4F F ：緩沖劑，：緩沖劑，NHNH4 4FNHFNH3 3+HF+HF SiOSiO2 2的濕法刻蝕的濕法刻蝕8.2.1 8.2.1 濕法刻蝕濕法刻蝕SiSi3 3N N4 4的濕法腐蝕的濕法腐蝕n腐蝕液：熱腐蝕液：熱H H3 3POPO4 4，180180；被刻蝕材料被刻

40、蝕材料SiSi3 3N N4 4SiOSiO2 2SiSi刻蝕速率刻蝕速率（nm/minnm/min）10101 10.50.5熱熱H H3 3POPO4 4刻蝕速率對比刻蝕速率對比8.2.1 8.2.1 濕法刻蝕濕法刻蝕n干法刻蝕：等離子體氣體刻蝕（干法刻蝕：等離子體氣體刻蝕（Plasma EtchPlasma Etch） n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：各向異性腐蝕強(qiáng)；各向異性腐蝕強(qiáng)；分辨率高；分辨率高；刻蝕刻蝕3 3m m以下線條。以下線條。n類型：類型：等離子體刻蝕：化學(xué)性刻蝕；等離子體刻蝕：化學(xué)性刻蝕；濺射刻蝕：純物理刻蝕；濺射刻蝕：純物理刻蝕；反應(yīng)離子刻蝕（反應(yīng)離子刻蝕（RIERIE）：結(jié)合）：結(jié)合

41、 、；、；8.2.2 8.2.2 干法刻蝕干法刻蝕n刻蝕原理刻蝕原理a.a.產(chǎn)生等離子體產(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性的離子及游離基-等離子體。等離子體。 CF CF4 4 RFRF CF CF3 3* *、CFCF2 2* * 、CFCF* * 、F F* * BCl BCl3 3 RF RF BClBCl3 3* * 、BClBCl2 2* * 、ClCl* *b.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)。等離子體活性基團(tuán)與被刻蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。n特點(diǎn)：選擇性好；各向異性差。特點(diǎn)：選擇性好；各向異性

42、差。n刻蝕氣體：刻蝕氣體： CFCF4 4 、BClBCl3 3、CClCCl4 4、CHClCHCl3 3、SFSF6 6等。等。等離子體刻蝕等離子體刻蝕8.2.2 8.2.2 干法刻蝕干法刻蝕n刻蝕原理刻蝕原理a.a.形成能量很高的等離子體；形成能量很高的等離子體；b.b.等離子體轟擊被刻蝕的材料，使其被撞原子飛濺出來，等離子體轟擊被刻蝕的材料，使其被撞原子飛濺出來，形成刻蝕。形成刻蝕。n特點(diǎn)：各向異性好；選擇性差。特點(diǎn)：各向異性好；選擇性差。n刻蝕氣體：惰性氣體，刻蝕氣體：惰性氣體，ArAr氣；氣；濺射刻蝕原理濺射刻蝕原理8.2.2 8.2.2 干法刻蝕干法刻蝕n原理：同時利用了等離子刻

43、蝕和濺射刻蝕機(jī)制原理：同時利用了等離子刻蝕和濺射刻蝕機(jī)制( (化學(xué)刻蝕和化學(xué)刻蝕和物理刻蝕的結(jié)合物理刻蝕的結(jié)合) ) n刻蝕氣體：活性等離子（化學(xué)反應(yīng)）惰性等離子（轟擊）刻蝕氣體：活性等離子（化學(xué)反應(yīng)）惰性等離子（轟擊）n特點(diǎn)：刻蝕速率高且可控；刻蝕剖面各向異性且可控；特點(diǎn)：刻蝕速率高且可控；刻蝕剖面各向異性且可控； 選擇性好且可控選擇性好且可控n目前目前8-128-12英寸制造中所有圖形都是由英寸制造中所有圖形都是由RIERIE刻蝕的刻蝕的反應(yīng)離子刻蝕反應(yīng)離子刻蝕8.2.2 8.2.2 干法刻蝕干法刻蝕RIERIE試驗(yàn)試驗(yàn)8.2.2 8.2.2 干法刻蝕干法刻蝕SiOSiO2 2和和SiSi

44、的干法刻蝕的干法刻蝕n刻蝕劑：刻蝕劑：CFCF4 4、CHFCHF3 3、C C2 2F F6 6、SFSF6 6、C C3 3F F8 8 ； n等離子體：等離子體： CFCF4 4 CFCF3 3* *、CFCF2 2* * 、CFCF* * 、F F* *n化學(xué)反應(yīng)刻蝕：化學(xué)反應(yīng)刻蝕：F F* *+SiSiF+SiSiF4 4 F F* *+SiO+SiO2 2 SiF SiF4 4+O+O2 2 CF CF3 3* *+SiO+SiO2 2 SiF SiF4 4+CO+CO+CO+CO2 2 8.2.2 8.2.2 干法刻蝕干法刻蝕n實(shí)際工藝：實(shí)際工藝：CFCF4 4中加入中加入O O

45、2 2：調(diào)整選擇比；：調(diào)整選擇比； 機(jī)理：機(jī)理： CFCF4 4+O+O2 2FF* *+O+O* *+COF+COF* *+COF+COF2 2+CO+CO+CO+CO2 2 （初期：（初期： F F* *比例增加；后期：比例增加；后期：O O2 2比比例增加）例增加） O O2 2吸附在吸附在SiSi表面，影響表面，影響SiSi刻蝕；刻蝕；SiOSiO2 2和和SiSi的干法刻蝕的干法刻蝕8.2.2 8.2.2 干法刻蝕干法刻蝕nCFCF4 4中加中加H H2 2n作用：調(diào)整選擇比；作用：調(diào)整選擇比；n機(jī)理：機(jī)理： F F* *+H+H* *(H(H2 2)HF)HF CF CFX X* *(x3)+SiSiF(x3)+SiSiF4 4+C(+C(吸吸附在附在SiSi表面）表面） CF CFX X* *(x3)+SiO(x3)+SiO2 2 SiF SiF4 4+CO+CO+CO+CO2 2+COF+COF2 2SiOSiO2 2和和SiSi的干法刻蝕的干法刻蝕8.2.2 8.2.2 干法刻蝕干法刻蝕SiSi3 3N N4 4的干法刻蝕的干法刻蝕 n刻蝕劑：與