半導(dǎo)體器件與工藝光刻

關(guān)于半導(dǎo)體器件與工藝光刻

光刻工藝是半導(dǎo)體工藝過程中非常重要的一道工序，它是用來在晶圓表面建立圖形的工藝過程。這個工藝過程的目標(biāo)有兩個。首先是在晶圓表面建立盡可能接近設(shè)計規(guī)則中所要求尺寸的圖形；第二個目標(biāo)是在晶圓表面正確定位圖形。整個電路圖形必須被正確地定位于晶圓表面，電路圖形上單獨的每一部分之間的相對位置也必須是正確的。最終的圖形是用多個掩膜版按照特定的順序在晶圓表面一層一層疊加建立起來的。因為在光刻工藝過程中的每一步都會有變化，所以對特征圖形尺寸和缺陷水平的控制是很難的。光刻操作步驟的數(shù)目之多和光刻工藝層的數(shù)量之大，可看出光刻工藝在半導(dǎo)體工藝過程中是一個主要的缺陷來源。

引言第2頁,共86頁，2024年2月25日，星期天引言第3頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

光刻工藝是一種多步驟的圖形轉(zhuǎn)移過程。首先是在掩膜版上形成所需要的圖形，之后通過光刻工藝把所需要的圖形轉(zhuǎn)移到晶圓表面的每一層。圖形轉(zhuǎn)移是通過兩步來完成的。首先，圖形被轉(zhuǎn)移到光刻膠層。光刻膠是一種感光物質(zhì)。曝光后會導(dǎo)致它自身性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的變化。光刻膠被曝光的部分由可溶性物質(zhì)變成了非溶性物質(zhì)。這種光刻膠類型被稱為負(fù)膠，這種化學(xué)變化稱為聚合。通過化學(xué)溶劑（顯影劑）把可以溶解的部分去掉，在光刻膠層就會留下一個孔，這個孔就是和掩膜版不透光的部分相對應(yīng)的。

光刻工藝概述

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第二次圖形轉(zhuǎn)移是從光刻膠層到晶圓層。當(dāng)刻蝕劑把晶圓表面沒有被光刻膠蓋住的部分去掉的時候，圖形轉(zhuǎn)移就發(fā)生了。光刻蝕工藝概述

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對光有負(fù)效應(yīng)的光刻膠，稱為負(fù)膠。同樣還有對光有正效應(yīng)的光刻膠，稱為正膠。光可以改變正膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)從不可溶到可溶。

光刻蝕工藝概述

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對準(zhǔn)容差、晶圓表面情況和光刻層數(shù)都會影響到特定光刻工藝的難易程度和每一步驟的工藝。許多光刻工藝都被定制成特定的工藝條件。然而，大部分都是基本光刻10步法的變化。我們所舉例的這個工藝過程是一個亮場掩膜版和負(fù)膠相作用的過程。

光刻10步法

第7頁,共86頁，2024年2月25日，星期天基本的光刻膠化學(xué)

光刻膠的組成

光刻膠會根據(jù)不同的光的波長和不同的曝光源而進行調(diào)試。光刻膠具有特定的熱流程特點，用特定的方法配制而成，與特定的表面結(jié)合。在光刻膠里面有4種基本的成分：聚合物、溶劑、感光劑和添加劑。

第8頁,共86頁，2024年2月25日，星期天基本的光刻膠化學(xué)

■光敏性和對能量敏感的聚合物對光刻膠光敏性有影響的成分是一些對光和能量敏感的特殊聚合物。普通應(yīng)用的光刻膠被設(shè)計成與紫外線和激光反應(yīng),稱為光學(xué)光刻膠。還有其他光刻膠可以與X射線或者電子束反應(yīng)。當(dāng)負(fù)膠被正常光照射也會發(fā)生聚合反應(yīng)。為了防止意外曝光，負(fù)膠的生產(chǎn)是在黃光的條件下進行的。在正膠中，聚合物是相對不可溶的。在用適當(dāng)?shù)墓饽芰科毓夂螅饪棠z轉(zhuǎn)變成可溶狀態(tài)。這種反應(yīng)稱為光溶解反應(yīng)。光刻膠中光溶解部分會在顯影工藝中用溶劑去掉。

第9頁,共86頁，2024年2月25日，星期天基本的光刻膠化學(xué)

■溶劑

光刻膠中容量最大的成分是溶劑。溶劑使光刻膠處于液態(tài)，并且使光刻膠能夠通過旋轉(zhuǎn)的方法涂在晶圓表面?！龉饷魟┗瘜W(xué)光敏劑被添加到光刻膠中用來產(chǎn)生或者控制聚合物的特定反應(yīng)。光敏劑被加到光刻膠中用來限制反應(yīng)光的波譜范圍或者把反應(yīng)光限制到某一特定波長的光?！鎏砑觿?/p>

不同類型的添加劑和光刻膠混合在一起來達到特定的結(jié)果。一些負(fù)膠包含有染色劑，它在光刻膠薄膜中用來吸收和控制光線。正膠可能會有化學(xué)的抗溶解系統(tǒng)。這些添加劑可以阻止光刻膠沒有被曝光的部分在顯影過程被溶解。

第10頁,共86頁，2024年2月25日，星期天基本的光刻膠化學(xué)

光刻膠的表現(xiàn)要素

光刻膠的選擇是一個復(fù)雜的程序。主要的決定因素是晶圓表面對尺寸的要求。光刻膠首先必須具有產(chǎn)生所要求尺寸的能力，必須有在刻蝕過程中阻隔刻蝕的功能。在阻隔刻蝕的作用中，保持有特定厚度的光刻膠層中一定不能存在針孔。另外，光刻膠必須能和晶圓表面很好地黏結(jié)，否則刻蝕后的圖形就會發(fā)生扭曲。以上連同階梯覆蓋度，都是光刻膠的表現(xiàn)要素。第11頁,共86頁，2024年2月25日，星期天正膠和負(fù)膠的比較

用掩膜版和兩種不同光刻膠結(jié)合而在晶圓表面光刻得到的尺寸是不一樣的。由于光在圖形周圍會有衍射，用負(fù)膠和亮場掩膜版組合在光刻膠層上得到的圖形尺寸要比掩膜版上的圖形尺寸小。用正膠和暗場掩膜版組合會使光刻膠層上的圖形尺寸變大。這些變化必須在掩膜版的制作和光刻工藝的設(shè)計過程中考慮到。換句話說，光刻膠類型的轉(zhuǎn)變需要一個全新的光刻工藝。

第12頁,共86頁，2024年2月25日，星期天正膠和負(fù)膠的比較

負(fù)膠的另一個問題是氧化。這是光刻膠和空氣中氧氣的反應(yīng)，它能使光刻膠膜厚變薄20％。而正膠沒有這種屬性。正膠比負(fù)膠的成本要高，但這種高成本可以通過高良品率來抵消。

兩種類型的光刻膠的顯影屬性也是不同的。負(fù)膠所用的顯影劑非常容易得到，聚合和非聚合區(qū)域的可溶性有很大的不同。在顯影過程中，圖形尺寸相對保持恒定。相對于正膠來講，聚合區(qū)域和非聚合區(qū)域的可溶性區(qū)別較小，它需要用仔細(xì)準(zhǔn)備過的顯影劑來顯影，并且在顯影過程中要進行溫度控制。第13頁,共86頁，2024年2月25日，星期天光刻工藝

一、表面準(zhǔn)備為確保光刻膠能和晶圓表面很好粘貼，必須要進行表面準(zhǔn)備。這一步驟是由三個階段來完成的：微粒清除、脫水和涂底膠。

■微粒清除

晶圓幾乎總是從一個清潔的區(qū)域來到光刻蝕區(qū)域的，例如氧化、摻雜、化學(xué)氣相淀積。然而，晶圓在存儲，裝載和卸載到片匣過程中，可能會吸附到一些顆粒狀污染物，而這些污染物是必須要清除掉。根據(jù)污染的等級和工藝的需要，可以用幾種不同的微粒清除方法。

第14頁,共86頁，2024年2月25日，星期天光刻工藝

■脫水烘焙

干燥的表面稱做憎水性表面，在憎水性表面上液體會形成小滴。憎水性表面有益于光刻膠的粘貼。有兩個重要的方法來保持憎水性表面。一是把室內(nèi)濕度保持在50％以下，并且在晶圓完成前一步工藝之后盡可能快地對晶圓進行涂膠。另一種方法是把晶圓存儲在干燥器中。在大多數(shù)光刻蝕工藝中，只用低溫烘焙。通過熱板，箱式對流傳導(dǎo)或者真空烤箱很容易完成。■晶圓涂底膠除了脫水烘焙外，晶圓還可以通過涂底膠步驟來保證它能和光刻膠粘貼得很好。在半導(dǎo)體光刻蝕工藝中，底膠的作用是從化學(xué)上把晶圓表面的水分子系在一起，因此增加了表面的附著能力。第15頁,共86頁，2024年2月25日，星期天光刻工藝

二、涂光刻膠涂膠工藝的目的就是在晶圓表面建立薄的、均勻的、并且沒有缺陷的光刻膠膜。一般來說，光刻膠膜厚從0.5微米到1.5微米不等，而且它的均勻性必須要達到只有正負(fù)0.01微米的誤差。也就是說，對于1.0微米厚的光刻膠膜只有1％的變化。涂膠工藝需防止或是降低晶圓外邊緣部分光刻膠的堆起，這種堆起會在曝光和刻蝕過程中造成圖形的變形。第16頁,共86頁，2024年2月25日，星期天光刻工藝

■靜態(tài)涂膠工藝晶圓在涂完底膠之后會停在針孔吸盤上面，光刻膠被堆積在晶圓的中心。所涂光刻膠總量的大小是非常關(guān)鍵的，它是由晶圓的大小和所用光刻膠的類型決定的。如果量少了會導(dǎo)致晶圓表面涂膠不均，如果量大了會導(dǎo)致晶圓邊緣光刻膠的堆積或光刻膠流到晶圓背面。當(dāng)膠液達到規(guī)定的直徑，吸盤會很快地加速到一個事先設(shè)定好的速度。在加速過程中，離心力會使光刻膠向晶圓邊緣部擴散并且甩走多余的光刻膠，只把平整均勻的光刻膠薄膜留在晶圓表面。在光刻膠被分散開之后，高速旋轉(zhuǎn)還會維持一段時間以便使光刻膠干燥。第17頁,共86頁，2024年2月25日，星期天光刻工藝

第18頁,共86頁，2024年2月25日，星期天光刻工藝

■動態(tài)噴灑大直徑晶圓對均勻膠膜的需求促成了動態(tài)旋轉(zhuǎn)噴灑技術(shù)的研發(fā)。對于這種技術(shù)，晶圓在以500rpm低速旋轉(zhuǎn)的時候，光刻膠被噴灑在晶圓表面。低速旋轉(zhuǎn)的作用是幫助光刻膠最初的擴散。用這種方法我們可以用較少量的光刻膠而達到更均勻的光刻膠膜。光刻膠擴展開之后，旋轉(zhuǎn)器加速至高速來完成最終的光刻膠擴展并得到薄而且均勻的光刻膠膜。

第19頁,共86頁，2024年2月25日，星期天光刻工藝

■背面涂膠在某些器件的工藝中，需要在光刻過程中保持晶圓背面氧化物的存在。一種方法是通過在晶圓背面涂光刻膠來完成的。這種背面涂膠的要求僅僅是一個足夠厚的光刻膠膜來阻隔刻蝕。通常晶圓是在正面涂膠完成之后通過一個滾動機在晶圓背面進行涂膠的。另外還有一種背面刻蝕保護系統(tǒng)，它是通過在晶圓背面附加上一種塑料薄片來達到的。

第20頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

軟烘焙是一種以蒸發(fā)掉光刻膠中一部分溶劑為目的的加熱過程。軟烘焙完成之后，光刻膠還保持一定軟度。蒸發(fā)溶劑有兩個原因。溶劑的主要作用是能夠讓光刻膠在晶圓表面涂一薄層，在這個作用完成以后，溶劑的存在干擾余下的工藝過程。第一個干擾是在曝光的過程中發(fā)生的。光刻膠里面的溶劑會吸收光，進而干擾光敏感聚合物中正常的化學(xué)變化。第二個問題是和光刻膠黏結(jié)有聯(lián)系的。軟烘焙

第21頁,共86頁，2024年2月25日，星期天軟烘焙

在光刻過程中，兩大主要目標(biāo)是正確的圖形定義和在刻蝕過程中光刻膠和晶圓表面良好的黏結(jié)。這兩個目標(biāo)都會受軟烘溫度的影響。不完全烘焙會在曝光過程中造成圖像成形不完整和在刻蝕過程中造成多余的光刻膠漂移。過分烘焙會造成光刻膠中的聚合物產(chǎn)生聚合反應(yīng)，并且不與曝光射線反應(yīng)。光刻膠供應(yīng)商會提供軟烘溫度和時間的范圍，之后光刻工藝師再把這些參數(shù)優(yōu)化。負(fù)膠必須要在氮氣中進行烘焙，而正膠可以在空氣中烘焙。第22頁,共86頁，2024年2月25日，星期天軟烘焙

■對流烘箱

對流烘箱是非自動化生產(chǎn)線的主要烘焙設(shè)備。它是一個在隔熱封閉環(huán)境中的不銹鋼反應(yīng)室。環(huán)繞反應(yīng)室的管道提供氮氣或空氣，氣體在被導(dǎo)入反應(yīng)室前先經(jīng)過一個加熱器加熱。反應(yīng)室內(nèi)配有放置晶圓承片器的擱架。承片器要在烘箱中停留預(yù)先設(shè)定的一段時間，這時加熱氣體會把它們的溫度升高。第23頁,共86頁，2024年2月25日，星期天軟烘焙

■移動帶式熱板

在集成系統(tǒng)中，使用單片晶圓熱板在生產(chǎn)率上的局限在于回轉(zhuǎn)工步的總體時間。典型的回轉(zhuǎn)時間為20－40秒，這就意味著要想使晶圓連續(xù)不停地“流動”，軟烘焙就必須在這個時間范圍內(nèi)完成。這個時間長度對某些光刻膠和某些工藝來說太短了。把晶圓放到加熱過的移動帶上，設(shè)定溫度和鋼帶速度以滿足軟烘焙的要求。這樣就可以使晶圓連續(xù)不斷地“流動”。

第24頁,共86頁，2024年2月25日，星期天軟烘焙

■移動帶式紅外烘箱

對快速、均勻和不結(jié)殼的軟烘焙方法的渴望，使得紅外輻射源得以發(fā)展。紅外烘焙比傳導(dǎo)式烘焙要快得多，而且是“由內(nèi)至外”加熱的。紅外波穿過光刻膠涂層，但并不將其加熱。晶圓吸收了能量，變熱，繼而從底部加熱光刻膠涂層。第25頁,共86頁，2024年2月25日，星期天對準(zhǔn)和曝光

對準(zhǔn)和曝光的第一步是把所需圖形在晶圓表面上定位或?qū)?zhǔn)。第二步是通過曝光燈或其他輻射源將圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠涂層上。光刻膠是此工藝的“材料”核心，而對準(zhǔn)和曝光則是該工藝的“設(shè)備”核心。圖形的準(zhǔn)確對準(zhǔn)，以及光刻膠上精確的圖形尺寸的形成是器件和電路正常工作的決定性因素。此外，晶圓加工時間的60％都在光刻區(qū)域中。第26頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■對準(zhǔn)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)一個對準(zhǔn)系統(tǒng)包括兩個主要的子系統(tǒng)。一個子系統(tǒng)是要把圖形在晶圓表面上準(zhǔn)確定位。另一個是曝光子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)包括一個曝光光源和一個將輻射光線導(dǎo)向到晶圓表面上的機械裝置。最重要的參數(shù)要算分辨力（機器產(chǎn)生特定尺寸圖形的能力）。除所需圖形尺寸的分辨率以外，對準(zhǔn)機還必須具有將圖形準(zhǔn)確定位的能力。這一性能參數(shù)叫做對準(zhǔn)機的套準(zhǔn)能力。這兩項指標(biāo)都必須在整個晶圓上體現(xiàn)，這就是尺寸控制。對準(zhǔn)和曝光

第27頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■對準(zhǔn)與曝光系統(tǒng)直到20世紀(jì)70年代中期，可供選擇的光刻和曝光設(shè)備只有兩種：接觸式光刻機和接近式光刻機。而今，光刻機已發(fā)展到包括光學(xué)和非光學(xué)兩種類型。光學(xué)光刻機采用紫外光作為光源，而非光學(xué)光刻機的光源則來自電磁光譜的其他部分。為滿足減小特征圖形尺寸，增加電路密度，以及ULSI時代對產(chǎn)品缺陷的要求，光刻設(shè)備不斷得以發(fā)展。對準(zhǔn)和曝光

第28頁,共86頁，2024年2月25日，星期天光刻設(shè)備■接觸式光刻機接觸式光刻機的掩膜版包括了要復(fù)制到硅片表面的所有芯片陣列圖形。硅片被涂上光刻膠，并被裝到一個由手動按鈕控制左右和旋轉(zhuǎn)的臺子上（臺子有X、Y方向和旋轉(zhuǎn)的定位功能）。掩膜版和硅片通過分立視場顯微鏡同時觀察。于是操作者用手動控制臺子定位就把掩膜版圖形和硅片上的圖形對準(zhǔn)了。一旦掩膜版和硅片對準(zhǔn)，掩膜版就開始和硅片表面的光刻膠涂層直接接觸，這就是稱這種設(shè)備為接觸式光刻機的原因。此時硅片和掩膜版經(jīng)紫外（UV）光曝光。紫外光通過掩膜版透明部分，掩膜版的圖形就被轉(zhuǎn)移到光刻膠上。第29頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

接觸式光刻系統(tǒng)依賴人操作，并且容易被沾污，因為掩膜版和光刻膠是直接接觸的。顆粒沾污損壞了光刻膠層、掩膜版或兩者都損壞了，每5次到25次操作就需更換掩膜版。顆粒周圍的區(qū)域都存在分辨率問題。由于接觸式光刻中一塊掩膜版在整個硅片上形成圖形，對準(zhǔn)時整個硅片的偏差又必須在所需容差之內(nèi)，因此當(dāng)硅片尺寸增加就有套準(zhǔn)精度問題。接觸光刻確實能夠在硅片表面形成高分辨率的圖形，因為掩膜版圖形和硅片非常接近。這種接近減少了圖像失真。然而，接觸光刻非常依賴于操作者，這就引人了重復(fù)性和控制問題。

光刻機的分類第30頁,共86頁，2024年2月25日，星期天光刻機的分類■接近式光刻機在接近式光刻中，連續(xù)復(fù)制整個硅片圖形，掩膜版不與光刻膠直接接觸。它與光刻膠表面接近，在掩膜版和硅片表面光刻膠之間有大致2.5到25微米的間距。光源產(chǎn)生的光是被準(zhǔn)直的，這意味著光束彼此平行。接近式光刻企圖緩解接觸式光刻機的沾污問題，它是通過在光刻膠表面和掩膜版之間形成可以避免顆粒的間隙實現(xiàn)的。盡管間距大小被控制，接近光刻機的工作能力還是被減小了，因為當(dāng)紫外光線通過掩膜版透明區(qū)域和空氣時就會發(fā)散。這種情況減小了系統(tǒng)的分辨能力，減小線寬關(guān)鍵尺寸就成了主要問題。第31頁,共86頁，2024年2月25日，星期天光刻機的分類■掃描投影光刻機掃描投影光刻機的概念是利用反射鏡系統(tǒng)把有1:1圖像的整個掩膜圖形投影到硅片表面。由于掩膜版是1倍的，圖像就沒有放大和縮小，并且掩膜版圖形和硅片上的圖形尺寸相同。紫外光線通過一個狹縫聚焦在硅片上，能夠獲得均勻的光源。掩膜版和帶膠硅片被放置在掃描架上，并且一致地通過窄紫外光束對硅片上的光刻膠曝光。由于發(fā)生掃描運動，掩膜版圖像最終被光刻在硅片表面。掃描投影光刻機的一個主要挑戰(zhàn)是制造良好的包括硅片上所有芯片的1倍掩膜版。如果芯片中有亞微米特征尺寸，那么掩膜版上也有亞微米尺寸。由于亞微米特征尺寸的引入，這種光刻方法很困難，因為掩膜不能做到無缺陷。第32頁,共86頁，2024年2月25日，星期天光刻機的分類■分步重復(fù)光刻機

這種設(shè)備只投影一個曝光場（這可能是硅片上的一個或多個芯片），然后步進到硅片上另一個位置重復(fù)曝光。步進光刻機使用投影掩膜版，上面包含了一個曝光場內(nèi)對應(yīng)一個或多個芯片的圖形。光學(xué)步進光刻機的一大優(yōu)勢在于它具有使用縮小透鏡的能力。步進光刻機的投影掩膜版圖形尺寸是實際像的4倍、5倍或10倍。這個縮小的比例使得制造投影掩膜版更容易，因為投影掩膜版上的特征圖形是硅片上最終圖形的幾倍。不縮小的投影光刻機的好處是成本低并可用于非關(guān)鍵層圖形制造。

第33頁,共86頁，2024年2月25日，星期天光刻機的分類

步進光刻機都會把投影掩膜版通過投影透鏡聚焦到硅片表面，使硅片和掩膜版對準(zhǔn)。穿過投影掩膜版上透明區(qū)域的紫外光對光刻膠曝光，然后步進到硅片下一個位置重復(fù)全部過程。通過繼續(xù)這個過程，步進光刻機最終會通過連續(xù)的曝光步驟把所有芯片陣列復(fù)制到硅片表面。由于步進光刻機一次只曝光硅片的一小部分，所以對硅片平整度和幾何形狀變化的補償變得容易。

第34頁,共86頁，2024年2月25日，星期天光刻機的分類■步進掃描光刻機步進掃描光學(xué)光刻系統(tǒng)是一種混合設(shè)備，融合了掃描投影光刻機和分步重復(fù)光刻機技術(shù)，是通過使用縮小透鏡掃描一個大曝光場圖像到硅片上一部分實現(xiàn)的。一束聚焦的狹長光帶同時掃過掩膜版和硅片。一旦掃描和圖形轉(zhuǎn)印過程結(jié)束，硅片就會步進到下一個曝光區(qū)域重復(fù)這個過程。使用步進掃描光刻機曝光硅片的優(yōu)點是增大了曝光場，可以獲得較大的芯片尺寸。大視場的主要優(yōu)點是有機會在投影掩膜版上多放幾個圖形，因而一次可以多曝光些芯片。步進掃描光刻機的另一個重要優(yōu)點是具有在整個掃描過程調(diào)節(jié)聚焦的能力，使透鏡缺陷和硅片平整度變化能夠得到補償。這種掃描過程中改進的聚焦控制產(chǎn)生了整個曝光場內(nèi)改善的CD均勻性控制。第35頁,共86頁，2024年2月25日，星期天光刻機的分類■X射線光刻機

X射線系統(tǒng)與UV和DUV系統(tǒng)在功能上相似，但它的曝光光源是X射線。這種高能光束的波長小，能夠形成很小的圖形。它的一個缺點是，為擋住高能光線，掩膜版必須用黃金或其他材料制造。另外，開發(fā)適合X射線的高性能光刻膠的過程相當(dāng)緩慢。挑戰(zhàn)在于如何平衡X射線的高靈敏度的同時保持很好的刻蝕阻擋。

第36頁,共86頁，2024年2月25日，星期天光刻機的分類■電子束光刻機所需圖形從計算機中生成，因此沒有掩膜版。束流通過偏轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對準(zhǔn)表面特定位置，然后在將要曝光的光刻膠上開啟電子束。較大的襯底被放置在X-Y承片臺上，并在電子束下移動，從而得到整個表面的曝光。這種對準(zhǔn)和曝光的技術(shù)叫做直寫技術(shù)。

第37頁,共86頁，2024年2月25日，星期天對準(zhǔn)

套準(zhǔn)精度（也稱做套準(zhǔn)）是測量對準(zhǔn)系統(tǒng)把版圖套準(zhǔn)到硅片上圖形的能力。套準(zhǔn)容差描述要形成的圖形層和前層的最大相對位移。一般而言，套準(zhǔn)容差大約是關(guān)鍵尺寸的三分之一。對于0.15微米的設(shè)計規(guī)則，套準(zhǔn)容差預(yù)計為50納米。步進光刻機和步進掃描光刻機都有一個精密復(fù)雜的自動對準(zhǔn)系統(tǒng)，它測定硅片和投影掩膜版的位置和方向，然后在曝光前把硅片和投影掩膜版對準(zhǔn)。設(shè)備對準(zhǔn)系統(tǒng)很快確定不同對準(zhǔn)標(biāo)記在曝光設(shè)備坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置。設(shè)備程序控制中的對準(zhǔn)軟件用來計算偏差量和承片臺需要移動的方向，以便把硅片送到設(shè)備規(guī)定的套準(zhǔn)容差內(nèi)。第38頁,共86頁，2024年2月25日，星期天對準(zhǔn)

對準(zhǔn)標(biāo)記是置于投影掩膜版和硅片上用來確定它們的位置和方向的可見圖形。

第39頁,共86頁，2024年2月25日，星期天偏差

光刻偏差是掩膜版上的特征尺寸與復(fù)印在硅片上的尺寸的差距。對于不同尺寸的結(jié)構(gòu)，復(fù)制偏差量是不同的。一個光刻偏差的例子是方形接觸孔的尺寸接近光學(xué)系統(tǒng)的分辨率就會光刻出圓形的角。解決這個問題可能通過在版圖結(jié)構(gòu)上加上襯線，這在光刻硅片時能夠幫助保持如接觸孔正方形的特征。第40頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

為得到所需的圖像，使用狹波或單一波長曝光光源，準(zhǔn)直平行光，以及對上述距離嚴(yán)格控制的方法都被運用到光刻機中。使用最廣泛的曝光光源是高壓汞燈，它所產(chǎn)生的光為紫外光（UV〕。為減小特征圖形尺寸，起初使用的燈泡和光刻膠不斷地發(fā)展和改進。為獲得更高的清晰度，光刻膠被設(shè)計成只與汞燈光譜中很窄一段波長的光反應(yīng)。這種需求使得在光譜更短波長中使用的燈泡和光刻膠得以發(fā)展。光譜中的這一部分稱為深紫外區(qū)或DUV。其他可以提供波長較短，曝光能量較高的光源還有：準(zhǔn)分子激光器，X射線以及電子束。

曝光光源第41頁,共86頁，2024年2月25日，星期天曝光光源第42頁,共86頁，2024年2月25日，星期天掩膜版

在硅片制造中經(jīng)常使用兩個術(shù)語：投影掩膜版和掩膜版。投影掩膜版只包括硅片上一部分圖形（例如4個芯片）。這個圖形必須通過分步重復(fù)來覆蓋整個襯底。在硅片制造中投影掩膜版用于分步重復(fù)光刻機和步進掃描光刻機、光掩膜版或掩膜版包含了整個硅片的芯片陣列并且通過單一曝光轉(zhuǎn)印圖形(1:1圖像轉(zhuǎn)印、掩膜版用于較老的接近式光刻和掃描對準(zhǔn)投影機中)。

掩膜版必須制造得非常完美。所有硅片上的電路元件都來自版圖，因此投影掩膜版的質(zhì)量在亞微米光刻獲得高質(zhì)量圖形中扮演著關(guān)鍵角色。如果版圖缺陷（如變形和不正確圖形位置）沒有被發(fā)現(xiàn)，它們就會被復(fù)制到硅片表面的光刻膠上。投影掩膜版在它們剛制造完畢，就要進行大量的自動測試來檢查缺陷和顆粒。

第43頁,共86頁，2024年2月25日，星期天顯影

晶圓完成定位和曝光后，器件或電路的圖案被以曝光和未曝光區(qū)域的形式記錄在光刻膠上。通過對未聚合光刻膠的化學(xué)分解來使圖案顯影。顯影技術(shù)被設(shè)計成使之把完全一樣的掩膜版圖案復(fù)制到光刻膠上。不良的顯影工藝造成的問題是不完全顯影，它會導(dǎo)致開孔的不正確尺寸，或使開孔的側(cè)面內(nèi)凹。在某些情況下，顯影不夠深而在開孔內(nèi)留下一層光刻膠。第三個問題是過顯影會過多地從圖形邊緣或表面上去除光刻膠。

第44頁,共86頁，2024年2月25日，星期天顯影■負(fù)光刻膠顯影在光刻膠上成功地使圖案顯影要依靠光刻膠的曝光機理。負(fù)光刻膠暴露在光線下，會有一個聚合的過程，它會導(dǎo)致光刻膠聚合。在兩個區(qū)域間有足夠高的分解率以使聚合的區(qū)域只失去很小部分光刻膠。顯影完成后還要進行沖洗，沖洗的作用是雙重的。第一，快速地稀釋顯影液。雖然聚合的光刻膠不會被顯影液分解，但在曝光的邊緣總會有一個過渡區(qū)，其中包含部分聚合的分子。如果顯影液留在表面上便會溶解這部分區(qū)域而改變圖案尺寸。第二，沖洗可去除在開孔區(qū)少量部分聚合的光刻膠。第45頁,共86頁，2024年2月25日，星期天顯影■正光刻膠顯影正光刻膠有不同的顯影條件。兩個區(qū)域（聚合的和未聚合的區(qū)域）有不同的溶解率，約為1:4。這意味著在顯影中總會從聚合的區(qū)域失去一些光刻膠。使用過度的顯影液或顯影時間過長可以導(dǎo)致光刻膠太薄而不能使用。結(jié)果有可能導(dǎo)致在刻蝕中翹起或斷裂。大多數(shù)用正光刻膠的制造廠使用四甲基氫氧化氨溶液（TMAH）。有時要添加表面活性劑來去除表面張力使溶液更易親合晶圓表面。正光刻膠的性質(zhì)使它們在環(huán)保上比有機溶液的負(fù)光刻膠更具吸引力。正光刻膠的顯影工藝比負(fù)光刻膠更為敏感。

第46頁,共86頁，2024年2月25日，星期天濕法顯影

■沉浸沉浸是在耐化學(xué)腐蝕的傳輸器中的晶圓被放進盛有顯影液的池中放置一定的時間然后再被放入加有化學(xué)沖洗液的池中進行沖洗?！鰢娚滹@影噴射工藝可在單一或批量系統(tǒng)中完成。在單一晶圓配置中，晶圓被真空吸在吸盤上并旋轉(zhuǎn)，同時顯影液和沖洗液依次噴射到晶圓表面。沖洗之后晶圓吸盤高速旋轉(zhuǎn)使晶圓被甩干。在外觀和設(shè)計上，單晶圓噴射系統(tǒng)和點膠機一樣只是通入不同的化學(xué)品。單晶圓噴射系統(tǒng)具有可集成顯影和硬烘焙工藝而實現(xiàn)自動化的優(yōu)點。這個工藝的一個主要優(yōu)點是均勻性的提高。

第47頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■混凝顯影混凝顯影是用以獲得正光刻膠噴射顯影工藝優(yōu)點的一種工藝。工藝開始時，在靜止的晶圓表面上覆蓋一層顯影液。表面張力使顯影液在晶圓表面上不會流散到晶圓外。要求顯影液在晶圓表面上停留一定的時間，通常是以吸盤加熱的晶圓，這時絕大部分的顯影會發(fā)生。混凝顯影實際上是單晶圓且只有晶圓單面沉浸的工藝。在要求的時間過后，更多的顯影液被噴到晶圓表面上并沖洗、干燥，然后送下一道工序。

■等離子體去除浮渣不完全顯影會造成浮渣，浮渣可以是留在晶圓表面上的未溶解的光刻膠塊或是干燥后的顯影液。在微米和微米以下的ULSI生產(chǎn)線中，在化學(xué)顯影后用氧等離子體來去除浮渣。

濕法顯影

第48頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

干法等離子體刻蝕對于刻蝕晶圓表面層已經(jīng)是完善的工藝了。在等離子體刻蝕中，離子由等離子體場得到能量，以化學(xué)形式分解暴露的晶圓表面層。干法光刻膠顯影要求光刻膠化學(xué)物的曝光或未曝光的部分易于被氧等離子體去除，即圖案的部分從晶圓表面上氧化掉。干法（等離子）顯影

第49頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

硬烘焙通過溶液的蒸發(fā)來固化光刻膠，使光刻膠和晶圓表面有良好的粘貼。硬烘焙的時間和溫度的決定與在軟烘焙工藝是一樣的。起始點是由光刻膠制造商推薦的工藝。之后，工藝被精確調(diào)整，以達到粘貼和尺寸控制的要求。硬烘焙是立即在顯影后或是馬上在開始刻蝕前來進行的。熱烘焙增強粘貼的機理是脫水和聚合。加熱使水份脫離光刻膠，同時使之進一步聚合，從而增強了其耐刻蝕性。硬烘焙溫度的上限以光刻膠流動點而定。當(dāng)光刻膠流動時，圖案尺寸便會改變。硬烘焙

第50頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

在顯影和烘焙之后就是要完成光刻掩膜工藝的第一次質(zhì)檢。檢驗的目的是區(qū)分那些有很低可能性通過最終掩膜檢驗的晶圓，提供工藝性能和工藝控制數(shù)據(jù)；以及分揀出需要重做的晶圓。

顯影檢驗

第51頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■人工檢驗直觀檢驗晶圓表面。檢驗可在正常的室內(nèi)光線下進行，但是更多時候晶圓要在直射的白光或高密度紫外光下進行。檢驗時晶圓與光線成一定的角度。用這種方法可以非常有效地檢查出膜厚的不規(guī)則、粗顯影問題、劃傷及污染，特別是污點。

顯影檢驗的方法

第52頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

隨著芯片密度的增大每個芯片上的器件也在減小。這就要用倍數(shù)更大的顯微鏡來檢查。放大倍數(shù)的增加會使視景減小，這又會造成操作員用更多的時間來檢查晶圓。通常的規(guī)程是選擇一些具體的區(qū)域來檢查。在每個掩膜級別，有一些圖案的尺寸對于整個電路是非常關(guān)鍵的。對每個級別有一個代表性的圖案被選出來作為關(guān)鍵尺寸（CriticalDimension，CD）?！鲎詣訖z驗隨著芯片尺寸增大和元件尺寸的減小，工藝變得更加繁多并精細(xì)，人工檢驗的效力也到了極限。自動檢驗系統(tǒng)提供了更多數(shù)據(jù)。顯影檢驗的方法

第53頁,共86頁，2024年2月25日，星期天刻蝕

在完成顯影檢驗步驟后，掩膜版的圖案就被固定在光刻膠膜上并準(zhǔn)備刻蝕。在刻蝕后圖案就會被永久地轉(zhuǎn)移到晶圓的表層?？涛g就是通過光刻膠暴露區(qū)域來去掉晶圓最表層的工藝。刻蝕工藝主要有兩大類：濕法和干法刻蝕。兩種方法的主要目標(biāo)是將光刻掩膜版上的圖案精確地轉(zhuǎn)移到晶圓的表面。第54頁,共86頁，2024年2月25日，星期天刻蝕參數(shù)

■刻蝕速率在刻蝕過程中去除硅片表面材料的速度，通常用?/min表示?？涛g窗口的深度稱為臺階高度。

第55頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■刻蝕剖面

指的是被刻蝕圖形的側(cè)壁形狀。有兩種基本的刻蝕剖面:各向同性和各向異性刻蝕剖面。對于亞微米尺寸的圖形來說，希望刻蝕剖面是各向異性的，即刻蝕只在垂直于硅片表面的方向進行，只有很少的橫向刻蝕。這種垂直的側(cè)壁使得在芯片上可制作高密度的刻蝕圖形各向異性刻蝕對于小線寬圖形亞微米器件的制作來說非常關(guān)鍵。先進集成電路應(yīng)用上通常需要88到89垂直度的側(cè)壁。各向異性刻蝕大部分是通過干法等離子體刻蝕來實現(xiàn)的。

刻蝕參數(shù)

第56頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■刻蝕偏差指刻蝕以后線寬或關(guān)鍵尺寸間距的變化。它通常是由于橫向鉆蝕引起的，但也能由刻蝕剖面引起。當(dāng)刻蝕中要去除掩膜下過量的材料時，會引起被刻蝕材料的上表面向光刻膠邊緣凹進去，這樣就會產(chǎn)生橫向鉆蝕。

刻蝕參數(shù)

第57頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■選擇比定義為被刻蝕材料的刻蝕速率與另一種材料的刻蝕速率的比。高選擇比意味著只刻除想要刻去的那一層材料。一個高選擇比的刻蝕工藝不刻蝕下面一層材料（刻蝕到恰當(dāng)?shù)纳疃葧r停止）并且保護的光刻膠也未被刻蝕。干法刻蝕通常不能提供對下一層材料足夠高的刻蝕選擇比。在這種情況下，一個等離子體刻蝕機應(yīng)裝上一個終點檢測系統(tǒng)，使得在造成最小的過刻蝕時停止刻蝕過程。當(dāng)下一層材料正好露出來時，終點檢測器會觸發(fā)刻蝕機控制器而停止刻蝕。

刻蝕參數(shù)

第58頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■均勻性刻蝕均勻性是一種衡量刻蝕工藝在整個硅片上，或整個一批，或批與批之間刻蝕能力的參數(shù)。均勻性與選擇比有密切的關(guān)系，因為非均勻性刻蝕會產(chǎn)生額外的過刻蝕。均勻性的一些問題是因為刻蝕速率和刻蝕剖面與圖形尺寸和密度有關(guān)而產(chǎn)生的?？涛g速率在小窗口圖形中較慢，甚至在具有高深寬比的小尺寸圖形上刻蝕會停止。具有高深寬比硅槽的刻蝕速率要比具有低深寬比硅槽的刻蝕速率慢。這一現(xiàn)象被稱為深寬比相關(guān)刻蝕（ARDE），也被稱為微負(fù)載效應(yīng)。

刻蝕參數(shù)

第59頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■殘留物刻蝕殘留物是刻蝕以后留在硅片表面不想要的材料。它常常覆蓋在腔體內(nèi)壁或被刻蝕圖形的底部?？涛g殘留物是IC制造過程中的硅片污染源，并能在去除光刻膠過程中帶來一些問題。為了去除刻蝕殘留物，有時在刻蝕完成后會進行過刻蝕。在一些情況下，刻蝕殘留物可以在去除光刻膠的過程中或用濕法化學(xué)腐蝕去掉。

■聚合物聚合物的形成有時是有意的，是為了在刻蝕圖形的側(cè)壁上形成抗腐蝕膜從而防止橫向刻蝕，這樣做能形成高的各向異性圖形，因為聚合物能阻擋對側(cè)壁的刻蝕，增強刻蝕的方向性，從而實現(xiàn)對圖形關(guān)鍵尺寸的良好控制。然而，這些聚合物又必須在刻蝕完成以后去除，否則器件的成品率和可靠性都會受到影響。

刻蝕參數(shù)

第60頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■

二氧化硅濕法刻蝕基本的刻蝕劑是氫氟酸（HF），它有刻蝕二氧化硅而不傷及硅的優(yōu)點。然而，飽和濃度的氫氟酸在室溫下的刻蝕速率約為300?/s。在實際中，氫氟酸（49％）與水或氟化胺與水混合。以氟化胺來緩沖會加速刻蝕速率的氫離子的產(chǎn)生。這種刻蝕溶液稱為緩沖氧化物刻蝕（bufferedoxideetcher）或BOE。它們以不同的濃度混合來達到合理的刻蝕時間。一些BOE包括表面活化劑用以減小刻蝕表面的張力，以使其均勻地進入小開孔區(qū)。

濕法刻蝕

第61頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■

鋁膜濕法刻蝕對于鋁和鋁合金有選擇性的刻蝕溶液是基于磷酸的。鋁與磷酸反應(yīng)的副產(chǎn)物是微小的氫氣泡，結(jié)果既可產(chǎn)生導(dǎo)致相鄰引線短路的鋁橋接又可在表面形成不希望出現(xiàn)稱為雪球的鋁點。特殊配方鋁刻蝕溶液的使用緩和了這個問題（含有磷酸、硝酸、醋酸和水）。典型的刻蝕工藝還會包含以攪拌或上下移動晶圓料盒的攪動。有時超聲波或磁聲波也用來去除汽泡。

濕法刻蝕

第62頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■

淀積氧化物濕法刻蝕晶圓上的最終膜層之一是一層在鋁膜上的二氧化硅鈍化膜。它要求不同的刻蝕溶液。不同之處是所要求的刻蝕劑的選擇性不同。通?？涛g二氧化硅的刻蝕劑是BOE溶液。但是BOE會腐蝕下層的鋁引腳，導(dǎo)致在封裝工藝中產(chǎn)生壓焊問題。受青睞的刻蝕劑是氟化胺和醋酸1:2的混合水溶液?！龅铦穹涛g對于鈍化層，另外一種受青睞的化合物是氮化硅?？梢杂靡后w化學(xué)的方法來刻蝕使用的化學(xué)品是熱磷酸（180℃）。因酸液在此溫度下會迅速蒸發(fā)，所以刻蝕要在一個有冷卻蓋的密封回流容器中進行。主要問題是光刻膠經(jīng)不起刻蝕劑的溫度和高刻蝕速率。因此，需要一層二氧化硅或其他材料來阻擋刻蝕劑。這兩個因素已導(dǎo)致對于氮化硅使用干法刻蝕技術(shù)。

濕法刻蝕

第63頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■

濕法噴射刻蝕濕法噴射刻蝕相對沉浸刻蝕有兒個優(yōu)點。其主要優(yōu)點是噴射的機械壓力而增加的精確度。濕法噴射刻蝕最低程度地減小了從刻蝕劑來的污染。從工藝控制的現(xiàn)點來看，噴射刻蝕因刻蝕劑可被水沖洗及時地從表面去掉而更加可控。噴射刻蝕系統(tǒng)通常是封閉的，這增加了操作人員的安全性?！稣魵饪涛g

一種正在出現(xiàn)的技術(shù)是把晶圓暴露于刻蝕劑蒸氣中。HF是最常用到的。其優(yōu)點是有持續(xù)新鮮的刻蝕劑補充到晶圓表面并且可及時停止刻蝕。出于安全考慮，有毒蒸氣需要密封在系統(tǒng)內(nèi)。

濕法刻蝕

第64頁,共86頁，2024年2月25日，星期天干法刻蝕

對于濕法刻蝕的局限包括：1.濕法刻蝕局限于3微米以上的圖案尺寸2.濕法刻蝕為各向同性刻蝕導(dǎo)致邊側(cè)形成斜坡3.濕法刻蝕工藝要求沖洗和干燥步驟4.液體化學(xué)品有毒害5.濕法工藝有潛在的污染6.光刻膠粘結(jié)力的失效導(dǎo)致底切基于這些方面的考慮，干法刻蝕被用于先進電路的小尺寸精細(xì)刻蝕中。干法刻蝕（dryetching）是指以氣體為主要媒體的刻蝕技術(shù)，晶圓不需要液體化學(xué)品或沖洗。晶圓在干燥的狀態(tài)進出系統(tǒng)。有三種干法刻蝕技術(shù)：等離子體刻蝕、離子束打磨（刻蝕）和反應(yīng)離子刻蝕（RIE）。

第65頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■等離子體刻蝕等離子體刻蝕是使用氣體和等離子體能量來進行化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)工藝。等離子體刻蝕機由一個反應(yīng)室、真空系統(tǒng)、氣體供應(yīng)和電源供應(yīng)組成。晶圓被送入反應(yīng)室并且由真空系統(tǒng)把內(nèi)部壓力降低。在真空建立起來后，將反應(yīng)室內(nèi)充入反應(yīng)氣體。對于二氧化硅刻蝕，氣體一般使用CF4和氧的混合劑。電源能量供應(yīng)通過在反應(yīng)室中的電極創(chuàng)造了一個高頻電場。能量場將混合氣體激發(fā)成為等離子體狀態(tài)。在激發(fā)狀態(tài)，氟刻蝕二氧化硅并將其轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性成分由真空系統(tǒng)排出。

干法刻蝕

第66頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■平面等離子體刻蝕對于更精確的刻蝕，有極性的等離子體系統(tǒng)受到青睞。這種系統(tǒng)是將晶圓被放置在一個有接地的、在射頻電極下的盤上。刻蝕實際上發(fā)生在等離子體中?？涛g離子相比在桶形系統(tǒng)中是有方向性的，將導(dǎo)致更加各向異性刻蝕。用等離子體刻蝕可得到幾乎垂直的側(cè)邊。在該系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)晶圓盤可增加刻蝕均勻性。

干法刻蝕

第67頁,共86頁，2024年2月25日，星期天干法刻蝕

第68頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■離子束刻蝕（離子銑）離子束刻蝕是一個物理工藝。晶圓在真空反應(yīng)室內(nèi)被置于固定器上，并且向反應(yīng)室導(dǎo)入氬氣流。當(dāng)進入反應(yīng)室，氬氣便受到從一對陰陽極來的高能電子束流的影響。電子將氬原子離子化成為帶正電荷的高能狀態(tài)。由于晶圓位于接負(fù)極的固定器上，從而氫離子便被吸向固定器。當(dāng)氬原子向晶圓固定器移動時，它們會加速，提高能量。在晶圓表面，它們轟擊進入暴露的晶圓層并從晶圓表面刻掉一部分。離子束刻蝕也叫做噴濺刻蝕（sputteretching）或離子打磨（ionmilling）。材料的去除（刻蝕）非常有方向性（各向異性），導(dǎo)致良好的開口區(qū)域精密度。因為是物理工藝，離子打磨的選擇性很差。

干法刻蝕

第69頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■反應(yīng)離子刻蝕反應(yīng)離子刻蝕（RIE）系統(tǒng)結(jié)合等離子體刻蝕和離子束刻蝕原理。系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上與等離子體刻蝕系統(tǒng)相似，但具有離子打磨的能力。RIE系統(tǒng)一個主要優(yōu)勢是在刻蝕硅層上的二氧化硅層。它們的結(jié)合使得選擇提高到35:1，而在只有等離子體刻蝕時為10:1。RIE系統(tǒng)已成為用于最先進生產(chǎn)線中的刻蝕系統(tǒng)。

干法刻蝕

第70頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■高密度等離子體刻蝕

在先進的集成電路制造技術(shù)中用于刻蝕關(guān)鍵層最主要的刻蝕方法是單片處理的高密度等離子體刻蝕技術(shù)。對于0.25微米級以下尺寸的幾何圖形，標(biāo)準(zhǔn)等離子體刻蝕系統(tǒng)難以使刻蝕基進入高深寬比圖形并使刻蝕生成物從高深寬比圖形中出來。刻蝕反應(yīng)速率降低并實際停止于圖形的底部和低端。解決方法是降低系統(tǒng)的工作壓力，以增加氣體分子和離子的平均自由程，這能有效減少影響圖形剖面控制的碰撞。然而，由于壓力的減小而減少了離子密度，從而降低了刻蝕速率。這需要高密度等離子體以產(chǎn)生足夠的離子，從而在低壓下獲得可接受的刻蝕速率。這種技術(shù)產(chǎn)生高方向性的離子，在高深寬比圖形中獲得各向異性刻蝕。

干法刻蝕

第71頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■終點檢測

干法刻蝕不同于濕法腐蝕之處在于它對下面的材料沒有好的選擇比。需要終點檢測來監(jiān)測刻蝕工藝并停止刻蝕以減小對下面材料的過度刻蝕。終點檢測系統(tǒng)測量一些不同的參數(shù)，如刻蝕速率的變化、在刻蝕中被去除的腐蝕產(chǎn)物的類型或在氣體放電中活性反應(yīng)劑的變化。用于終點檢測的一種方法是光發(fā)射譜。這一測量方法集成在刻蝕腔體中以便進行實時監(jiān)測。

干法刻蝕

第72頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■多晶硅刻蝕多晶硅刻蝕氣體傳統(tǒng)上是氟基氣體，包括CF4、CF4/O2、SF6、C2F6/O2和NF3。在刻蝕硅的過程中氟原子起作用，然而，這種化學(xué)氣體產(chǎn)生的刻蝕是各向同性的。這可以通過減少氟原子數(shù)量和增加離子能量來改善，但也降低了多晶硅對二氧化硅的選擇比。為了避免濺射掉柵氧化層，轟擊離子的能量必須足夠低。為了解決這些問題，多晶硅等離子體刻蝕氣體常常包含氯和溴。氯產(chǎn)生各項異性的多晶硅刻蝕并對氧化硅有好的選擇比。溴對氧化硅的選擇比比氯還要高。對應(yīng)于氟、氯、溴化學(xué)氣體的揮發(fā)性刻蝕生成物是SiF4、SiCl4和SiBr4，所有這些生成物都在刻蝕以后從腔體中抽走。干法刻蝕

第73頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■單晶硅刻蝕在集成電路中硅槽的刻蝕要求對每一個溝槽都進行精確的控制。通過在氣體中加入碳來對側(cè)壁進行鈍化，防止側(cè)壁被橫向侵蝕。側(cè)壁的形狀與硅片的溫度有關(guān)，增加溫度則側(cè)壁鈍化較少，橫向刻蝕增加。對于淺槽的等離子體干法刻蝕，有時使用氟氣，因為它的刻蝕速率高并對起掩蔽作用的光刻膠有足夠的選擇比。對深槽而言，常使用的是氯基或溴基氣體，這些氣體有高的硅刻蝕速率和對于氧化硅的高選擇比。在高密度等離子體刻蝕中，溴氣越來越常用，因為溴氣是一種不需要廣泛使用碳來對側(cè)壁進行鈍化的刻蝕劑（減少污染）。

干法刻蝕

第74頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■鋁和金屬復(fù)合層

通常用氯基氣體來刻蝕鋁，純氯刻蝕鋁是各向同性的。為了獲得各向異性的刻蝕工藝，必須在刻蝕氣體中加入聚合物來對側(cè)壁進行鈍化。在鋁的刻蝕中也用到BCl3，它具有用于物理刻蝕的大分子量并能很好地控制側(cè)壁剖面。為了減少微負(fù)載效應(yīng)并有助于側(cè)壁鈍化，通常也加入少量的N2。用氟基氣體來刻蝕鋁是不可行的，因為它的生成物是低蒸氣壓非揮發(fā)性的產(chǎn)物AlF3，這就意味著它的刻蝕速率很有限。

干法刻蝕

第75頁,共86頁，2024年2月25日，星期天■鎢

鎢是在多層金屬結(jié)構(gòu)中常用的一種用于通孔填充的重要金屬。氯基氣體（如Cl2或CCl4）能用來刻蝕鎢并改善各向異性特性和選擇比.

■接觸金屬刻蝕

在MOS器件制造中，接觸金屬的刻蝕是很關(guān)鍵的，因為尺寸的控制會影響到器件的溝道長度。接觸金屬等離子體刻蝕可以采用氟基或氯基氣體。氟基氣體由于在增大的刻蝕速率的情況下所具有的良好尺寸控制特性而被使用。

干法刻蝕

第76頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

刻蝕之后，圖案成為晶圓最表層永久的一部分。作為刻蝕阻擋層的光刻膠層不再需要了，而要從表面去掉。傳統(tǒng)的方法是用濕法化學(xué)工藝將其去除。濕法化學(xué)液在前端工藝中是較受歡迎的方法，因為表面和MOS柵極暴露易于受到等離子體損傷。氧氣等離子體去除光刻膠層的使用正在增