光刻與刻蝕工藝流程

光刻與刻蝕工藝流程第1頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻概述Photolithography臨時性地涂覆光刻膠到硅片上把設(shè)計圖形最終轉(zhuǎn)移到硅片上IC制造中最重要的工藝占用40to50%芯片制造時間決定著芯片的最小特征尺寸第2頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻需要高分辨率HighResolution光刻膠高光敏性HighPRSensitivity精確對準(zhǔn)PrecisionAlignment第3頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日Photoresist(PR)－光刻膠光敏性材料臨時性地涂覆在硅片表面通過曝光轉(zhuǎn)移設(shè)計圖形到光刻膠上類似于照相機(jī)膠片上涂覆的光敏材料第4頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日PhotoresistNegativePhotoresist負(fù)性光刻膠－負(fù)膠PositivePhotoresist正性光刻膠－正膠曝光后不可溶解曝光后可溶解顯影時未曝光的被溶解顯影時曝光的被溶解便宜高分辨率第5頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日負(fù)膠的缺點(diǎn)聚合物吸收顯影液中的溶劑由于光刻膠膨脹而使分辨率降低其主溶劑，如二甲苯等會引起環(huán)境和安全問題第6頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日正膠PositivePhotoresist曝光部分可以溶解在顯影液中正影（光刻膠圖形與掩膜圖形相同）更高分辨率（無膨脹現(xiàn)象）在IC制造應(yīng)用更為普遍第7頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日對光刻膠的要求高分辨率

–ThinnerPRfilmhashighertheresolution–ThinnerPRfilm,thelowertheetchingandionimplantationresistance高抗蝕性好黏附性第8頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻工藝PhotolithographyProcess光刻基本步驟?涂膠Photoresistcoating?對準(zhǔn)和曝光Alignmentandexposure?顯影Development第9頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻工序第10頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日1、清洗硅片WaferClean第11頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日2、預(yù)烘和底膜涂覆Pre-bakeandPrimerVapor第12頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日3、光刻膠涂覆PhotoresistCoating第13頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日4、前烘SoftBake第14頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日5、對準(zhǔn)Alignment第15頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日6、曝光Exposure第16頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日7、后烘PostExposureBake第17頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日8、顯影Development第18頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日9、堅膜HardBake第19頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日10、圖形檢測PatternInspection第20頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻1－硅片清洗目的

--去除污染物、顆粒

--減少針孔和其它缺陷

--提高光刻膠黏附性基本步驟

–化學(xué)清洗

–漂洗

–烘干第21頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻2－預(yù)烘脫水烘焙--去除圓片表面的潮氣增強(qiáng)光刻膠與表面的黏附性通常大約100°C與底膠涂覆合并進(jìn)行底膠廣泛使用:Hexamethyldisilazane(HMDS，六甲基乙硅氮烷)HMDS的作用：去除SiO2表面的-OH基。第22頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻3－涂膠SpinCoating硅圓片放置在真空卡盤上高速旋轉(zhuǎn)液態(tài)光刻膠滴在圓片中心光刻膠以離心力向外擴(kuò)展均勻涂覆在圓片表面設(shè)備--光刻膠旋涂機(jī)第23頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻膠厚度與旋轉(zhuǎn)速率和粘性的關(guān)系第24頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日滴膠第25頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻膠吸回第26頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日PhotoresistSpinCoating第27頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日PhotoresistSpinCoating第28頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻4－前烘①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。②影響因素：溫度，時間。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。第29頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日5&6、AlignmentandExposureMostcriticalprocessforICfabricationMostexpensivetool(stepper)inanICfab.MostchallengingtechnologyDeterminestheminimumfeaturesizeCurrently0.13μmandpushingto0.09or0.065μm第30頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日對準(zhǔn)和曝光設(shè)備接觸式曝光機(jī)接近式曝光機(jī)投影式曝光機(jī)步進(jìn)式曝光機(jī)（Stepper）第31頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日接觸式曝光機(jī)設(shè)備簡單分辨率：可達(dá)亞微米掩膜與圓片直接接觸，掩膜壽命有限微粒污染第32頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日接觸式曝光機(jī)第33頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日接觸式曝光第34頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日接近式曝光機(jī)掩膜與圓片表面有5－50μm間距優(yōu)點(diǎn)：較長的掩膜壽命缺點(diǎn)：分辨率低（線寬>3um）第35頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日接近式曝光機(jī)第36頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日接近式曝光第37頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日投影式曝光機(jī)類似于投影儀掩膜與晶圓圖形1:1分辨率：～1um第38頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日投影系統(tǒng)第39頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日步進(jìn)式曝光機(jī)現(xiàn)代IC制造中最常用的曝光工具通過曝光縮小掩膜圖形以提高分辨率分辨率：0.25μm或更小設(shè)備很昂貴第40頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日步進(jìn)-&-重復(fù)對準(zhǔn)/曝光第41頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日曝光光源短波長高亮度（高光強(qiáng)）穩(wěn)定高壓汞燈受激準(zhǔn)分子激光器第42頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日駐波效應(yīng)入射光與反射光干涉周期性過曝光和欠曝光影響光刻分辨率第43頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻膠中的駐波效應(yīng)第44頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻7－曝光后烘焙（后烘，PEB）機(jī)理：光刻膠分子發(fā)生熱運(yùn)動，過曝光和欠曝光的光刻膠分子發(fā)生重分布；作用：平衡駐波效應(yīng)，提高分辨率。第45頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日PEB減小駐波效應(yīng)第46頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻8－顯影(Development)顯影液溶劑溶解掉光刻膠中軟化部分從掩膜版轉(zhuǎn)移圖形到光刻膠上三個基本步驟:–顯影

–漂洗

–干燥第47頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日顯影第48頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日顯影后剖面正常顯影過顯影不完全顯影欠顯影第49頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻9－堅膜（HardBake）蒸發(fā)PR中所有有機(jī)溶劑提高刻蝕和注入的抵抗力提高光刻膠和表面的黏附性聚合和使得PR更加穩(wěn)定PR流動填充針孔第50頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻膠熱流動填充針孔第51頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日堅膜（HardBake）熱板最為常用檢測后可在烘箱中堅膜堅膜溫度:100到130°C堅膜時間：1到2分鐘堅膜溫度通常高于前烘溫度第52頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日堅膜的控制堅膜不足－光刻膠不能充分聚合－造成較高的光刻膠刻蝕速率－黏附性變差過堅膜－光刻膠流動造成分辨率變差第53頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻膠流動過堅膜會引起太多的光刻膠流動，影響光刻的分辨率正常堅膜過堅膜第54頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻10－圖形檢測（PatternInspection）?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–刻蝕和離子注入圖形是永久的?光刻工藝是可以返工的，刻蝕和注入以后就不能再返工?檢測手段：SEM（掃描電子顯微鏡）、光學(xué)顯微鏡第55頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日圖形檢測未對準(zhǔn)問題：重疊和錯位

-Run-out,Run-in,掩膜旋轉(zhuǎn)，晶圓旋轉(zhuǎn)，X方向錯位，Y方向錯位臨界尺寸Criticaldimension(CD)（條寬）表面不規(guī)則：劃痕、針孔、瑕疵和污染物第56頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日未對準(zhǔn)問題第57頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日圖形檢測通過圖形檢測，即可進(jìn)入下一步工藝刻蝕或離子注入第58頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻間全部流程第59頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日未來趨勢FutureTrends更小特征尺寸Smallerfeaturesize更高分辨率Higherresolution減小波長Reducingwavelength采用相移掩膜Phase-shiftmask第60頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光衍射光衍射影響分辨率衍射光投射光強(qiáng)度第61頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日衍射光的減小波長越短，衍射越弱光學(xué)凸鏡能夠收集衍射光并增強(qiáng)圖像偏離的折射光被凸鏡收集的衍射光第62頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日數(shù)值孔徑（NumericalAperture：NA）NA：表示凸鏡收集衍射光的能力NA=2r0/D–r0

:凸鏡的半徑

–D：目標(biāo)（掩膜）與凸鏡的距離

NA越大，凸鏡收集更多的衍射光，產(chǎn)生更尖銳的圖形第63頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日分辨率Resolution表征光刻精度；定義－光刻時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R＝1/(2L)(mm-1)R由曝光系統(tǒng)的光波長λ和數(shù)值孔徑NA決定，R=K1λ/NA注：這里的R就是最小線寬L。K1為系統(tǒng)常數(shù),λ光波長,NA=2r0/D；NA:凸鏡收集衍射光的能力第64頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日提高分辨率提高NA–更大的凸鏡,可能很昂貴而不實(shí)際

–減小DOF（焦深），會引起制造困難減小光波長

–開發(fā)新光源,PR和設(shè)備

–波長減小的極限：UV到DUV,到EUV,到X-Ray減小K1–相移掩膜（Phaseshiftmask）第65頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日下一代光刻N(yùn)extGenerationLithography(NGL)超紫外ExtremeUV(EUV)lithographyX射線X-Raylithography電子束Electronbeam(E-beam)lithography第66頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日EUV超紫外l=10到14nm更高分辨率預(yù)期應(yīng)用~2010年0.1mm和以下第67頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日X射線光刻（X-raylithography）

λ＝2-40?，軟X射線；類似于接近式曝光機(jī)很難找到純的X-ray源掩膜制造存在挑戰(zhàn)不大可能在生產(chǎn)中使用第68頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日電子束曝光E-Beamλ＝幾十－100?；可獲得最小尺寸:14nm用于制造掩膜和刻線可以直寫,不需要掩膜–效率很低第69頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日光刻總結(jié)光刻：臨時的圖形轉(zhuǎn)移過程IC生長中最關(guān)鍵的工藝需要：高分辨率、低缺陷密度光刻膠：正和負(fù)工藝過程：預(yù)烘、底膠旋涂、PR旋涂、前烘、對準(zhǔn)、曝光、后烘PEB、顯影、堅膜、檢測分辨率R與λ、NA的關(guān)系下一代光刻技術(shù)：EUV和電子束光刻第70頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日刻蝕定義從晶圓表面去除一定材料化學(xué)、物理過程或兩者結(jié)合選擇性或覆蓋刻蝕選擇性刻蝕轉(zhuǎn)移光刻膠上的IC設(shè)計圖形到晶圓表面其它應(yīng)用:制造掩膜,印制電路板,藝術(shù)品,等等第71頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日柵掩膜對準(zhǔn)GateMaskAlignment第72頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日柵掩膜曝光GateMaskExposure第73頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日Development/HardBake/Inspection第74頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日EtchPolysilicon刻蝕多晶硅第75頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日EtchPolysilicon繼續(xù)第76頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日StripPhotoresist光刻膠剝離第77頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日離子注入IonImplantation第78頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日快速熱退火RapidThermalAnnealing第79頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日刻蝕術(shù)語刻蝕速率選擇比刻蝕均勻性刻蝕剖面濕法刻蝕干法刻蝕RIE：反應(yīng)離子刻蝕第80頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日刻蝕速率Δd=d0-d1

(?)厚度變化量；t刻蝕時間(min)PE-TEOSPSG薄膜,1min在6:1BOEat22°C,刻蝕前,t=1.7mm,濕法刻蝕后,t=1.1mm第81頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日刻蝕均勻性圓片上和圓片間的重復(fù)性StandardDeviationNon-uniformity標(biāo)準(zhǔn)偏差不均勻性

NpointsmeasurementsMax-MinUniformity最大最小均勻性第82頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日刻蝕選擇比選擇性是指不同材料刻蝕速率之比對底層的選擇性，對光刻膠的選擇性第83頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日刻蝕剖面各向異性各向同性各向異性，錐形各向異性，內(nèi)切第84頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日刻蝕剖面各向異性，腳印各向異性，反腳印各向異性，反錐形各向異性，內(nèi)切第85頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日濕法刻蝕利用化學(xué)溶液溶解硅表面的材料副產(chǎn)物是氣體、液體或可溶于刻蝕溶液的固體三個基本過程：刻蝕、漂洗、干燥第86頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日濕法刻蝕純化學(xué)腐蝕過程特點(diǎn)：各向同性剖面優(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)圖形在尺寸大于3um的IC制造中廣泛使用在現(xiàn)代IC制造仍然使用

–硅片清洗

–薄膜覆蓋剝離

–測試晶圓薄膜剝離和清洗第87頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日濕法刻蝕剖面WetEtchProfiles不能用于特征尺寸小于3mm，由等離子體刻蝕替代第88頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日濕法刻蝕SiO2氫氟酸溶液（HFSolution）常用配方(KPR膠）：HF:NH4F:H2O=3ml:6g:10ml(HF溶液濃度為48％)HF：腐蝕劑，SiO2+HF→H2[SiF6]+H2ONH4F：緩沖劑，NH4F→NH3↑+HF

SiO2+6HF?H2SiF6+2H2O廣泛用于CVD薄膜質(zhì)量控制第89頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日濕法刻蝕Si、Poly-SiHNO3-HF-H2O(HAC)混合液：

HNO3：強(qiáng)氧化劑；HF：腐蝕SiO2；

HAC：抑制HNO3的分解；水或乙酸可以用于稀釋蝕刻劑，降低刻蝕速率第90頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日濕法刻蝕SiliconNitride熱(150to200°C)磷酸H3PO4

溶液對siliconoxide有高選擇性用于LOCOSandSTI氮化硅剝離第91頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日濕法刻蝕Aluminum溶液成分（示例）:80%磷酸,5%乙酸,5%硝酸,和10%水；加熱42to450C硝酸氧化Al，同時磷酸去除氧化鋁。乙酸降低刻蝕速率和硝酸的氧化速率第92頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日濕法刻蝕Titanium

(H2O2)：(H2SO4)=1:1H2O2

氧化Ti形成TiO2H2SO4

與TiO2

反應(yīng)，同時去除H2O2氧化Si和硅化物形成SiO2H2SO4

不與SiO2反應(yīng)第93頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日影響刻蝕速率的因素溫度Temperature化學(xué)溶液濃度Chemicalconcentration刻蝕薄膜的組成Compositionoffilmtobeetched第94頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日濕法刻蝕的危險性HFH3PO3HNO4腐蝕性Corrosive氧化劑Oxidizer特殊危險Specialhazard第95頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日濕法刻蝕的優(yōu)點(diǎn)高選擇性設(shè)備成本較低批處理,高產(chǎn)量第96頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日濕法刻蝕的缺點(diǎn)各向同性不能刻蝕3mm以下圖形化學(xué)品使用量高化學(xué)品危險

–液體腐蝕

–煙熏

–爆炸危險第97頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日干法刻蝕優(yōu)點(diǎn)：各向異性腐蝕強(qiáng)；分辨率高；刻蝕3μm以下線條。類型：①等離子體刻蝕：化學(xué)性刻蝕；②濺射刻蝕：純物理刻蝕；③反應(yīng)離子刻蝕（RIE）：結(jié)合①、②；PlasmaEtch等離子體刻蝕第98頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日干法刻蝕和濕法刻蝕的比較第99頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日等離子體（Plasma）刻蝕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。

CF4RFCF3*、CF2*

、CF*

、F*BCl3

RFBCl3*、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?？涛g氣體：CF4、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。第100頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日濺射刻蝕a.形成能量很高的等離子體；

b.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。特點(diǎn)：各向異性好；選擇性差。刻蝕氣體：惰性氣體；第101頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日反應(yīng)離子刻蝕ReactiveIonEtch(RIE)同時利用了等離子刻蝕和濺射刻蝕機(jī)制(化學(xué)刻蝕和物理刻蝕的結(jié)合)活性離子反應(yīng)＋離子轟擊刻蝕氣體：與等離子體刻蝕相同特點(diǎn)：刻蝕速率高且可控；刻蝕剖面各向異性且可控；選擇性好且可控目前8英寸制造中所有圖形都是由RIE刻蝕的第102頁，共109頁，2023年，2月20日，星期日DielectricEtchEtchoxide–Dopedandundopedsilicateglass–Contact(PSGorBPSG)