硅集成電路工藝-光刻與刻蝕(2)課件

1、Chap.8 光刻與刻蝕工藝光刻的重要性及要求1光刻工藝流程23濕法刻蝕與干法刻蝕技術(shù)45曝光光源、曝光方式以及掩膜版光刻工藝的分辨率及光刻膠天津工業(yè)大學(xué)光刻與刻蝕的定義光刻工藝的重要性：IC設(shè)計(jì)流程圖，光刻圖案用來(lái)定義IC中各種不同的區(qū)域，如：離子注入?yún)^(qū)、接觸窗、有源區(qū)、柵極、壓焊點(diǎn)、引線(xiàn)孔等主流微電子制造過(guò)程中，光刻是最復(fù)雜，昂貴和關(guān)鍵的工藝，占總成本的1/3，一個(gè)典型的硅工藝需要15-20塊掩膜，光刻工藝決定著整個(gè)IC工藝的特征尺寸，代表著工藝技術(shù)發(fā)展水平。圖形加工圖形曝光（光刻，Photolithography）圖形轉(zhuǎn)移（刻蝕，Etching）天津工業(yè)大學(xué)光刻技術(shù)在IC流程中的重要性天

2、津工業(yè)大學(xué) 半導(dǎo)體工業(yè)中的潔凈度概念塵埃粒子的影響：粒子1：在下面器件層產(chǎn)生針孔粒子2：妨礙金屬導(dǎo)線(xiàn)上電流的流動(dòng)粒子3：導(dǎo)致兩金屬區(qū)域短路，使電路失效天津工業(yè)大學(xué) 潔凈度等級(jí)：英制：每立方英尺中直徑大于或等于0.5m的塵埃粒子總數(shù)不超過(guò)設(shè)計(jì)等級(jí)（如英制等級(jí)100）公制：每立方米中直徑大于或等于0.5m的塵埃粒子總數(shù)不超過(guò)設(shè)計(jì)等級(jí)（以指數(shù)計(jì)算，如等級(jí)M3.5，則粒子總數(shù)不超過(guò)103.5個(gè)）天津工業(yè)大學(xué)8.1 光刻工藝流程涂膠 前烘 曝光 顯影 后烘 刻蝕 去膠天津工業(yè)大學(xué)硅片清洗天津工業(yè)大學(xué)涂膠天津工業(yè)大學(xué)掩模版對(duì)準(zhǔn)天津工業(yè)大學(xué)曝光后烘培天津工業(yè)大學(xué)顯影天津工業(yè)大學(xué)后烘及圖形檢測(cè)天津工業(yè)大學(xué)刻蝕

3、天津工業(yè)大學(xué)刻蝕完成天津工業(yè)大學(xué)離子注入天津工業(yè)大學(xué)快速熱處理及合金天津工業(yè)大學(xué)涂膠（旋涂法）目的：形成厚度均勻、附著力強(qiáng)、沒(méi)有缺陷的光刻膠薄膜方法：旋涂法天津工業(yè)大學(xué)旋涂天津工業(yè)大學(xué)旋涂天津工業(yè)大學(xué)旋涂天津工業(yè)大學(xué)邊沿清除天津工業(yè)大學(xué)光刻膠膜的質(zhì)量質(zhì)量指標(biāo)：膜厚（光刻膠本身的黏性、甩膠時(shí)間、速度）膜厚均勻性（甩膠速度、轉(zhuǎn)速提升速度）氣泡，灰塵等粘污情況（超凈工作臺(tái)，紅、黃光照明）天津工業(yè)大學(xué)前烘目的：使膠膜內(nèi)溶劑充分揮發(fā)，干燥，降低灰塵污染增加膠膜與下層膜的黏附性及耐磨性區(qū)分曝光區(qū)和未曝光區(qū)的溶解速度方法：干燥循環(huán)熱風(fēng)紅外線(xiàn)輻射熱平板傳導(dǎo)（100左右）天津工業(yè)大學(xué)前烘方法天津工業(yè)大學(xué)顯影目的

4、：顯現(xiàn)出曝光后在光刻膠層中形成的潛在圖形 正膠：感光區(qū)域顯影溶解，所形成的是掩膜板圖形的正映像 負(fù)膠：反之方法：噴灑顯影液 靜止顯影 漂洗、旋干天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)正膠和負(fù)膠天津工業(yè)大學(xué)顯影中可能存在的問(wèn)題天津工業(yè)大學(xué)顯影設(shè)備天津工業(yè)大學(xué)噴灑顯影液天津工業(yè)大學(xué)靜止顯影天津工業(yè)大學(xué)去除顯影液天津工業(yè)大學(xué)去離子水清洗天津工業(yè)大學(xué)顯影全過(guò)程天津工業(yè)大學(xué)曝光后烘培目的：降低駐波效應(yīng)，形成均勻曝光天津工業(yè)大學(xué)曝光后烘培天津工業(yè)大學(xué)后烘（堅(jiān)膜）目的：除去光刻膠中剩余的溶劑，增強(qiáng)光刻膠對(duì)硅片的附著力提高光刻膠在刻蝕和離子注入過(guò)程中的抗蝕性和保護(hù)能力減少光刻膠層中的缺陷（如針孔），修正圖形邊緣輪廓方法：高

5、溫處理（150左右） 光學(xué)穩(wěn)定（UV照射)天津工業(yè)大學(xué)刻蝕目的：選擇性地將未被光刻膠掩蔽的區(qū)域去除方法：干法刻蝕 濕法刻蝕質(zhì)量指標(biāo)：分辨率 ； 選擇性天津工業(yè)大學(xué)去膠目的：將經(jīng)過(guò)刻蝕的硅片表面留下的光刻膠去除方法：干法去膠 （等離子體去膠、紫外光分解去膠） 濕法去膠 （無(wú)機(jī)溶液去膠、有機(jī)溶液去膠）天津工業(yè)大學(xué)8.2 分辨率(Resolution)定義：分辨率R表示每mm內(nèi)能刻蝕出可分辨的最多線(xiàn)條數(shù)，即每mm內(nèi)包含有多少可分辨的線(xiàn)對(duì)數(shù)天津工業(yè)大學(xué)物理學(xué)意義：限制因素是衍射 光子： 粒子： 所以：能量一定，則粒子質(zhì)量越大，分辨率越高 質(zhì)量一定，則動(dòng)能越高，分辨率越高天津工業(yè)大學(xué)光刻參數(shù)對(duì)工藝效果的

6、影響分辨率對(duì)準(zhǔn)片間控制批間控制產(chǎn)量曝光系統(tǒng)XXXXXXXXX襯底XXXXXX掩膜XXXX光刻膠XXXXXXXXX顯影劑XXXXXX潤(rùn)濕劑XXX工藝XXXXXXXX操作員XXXXXXXX天津工業(yè)大學(xué)8.3 光刻膠的基本屬性正膠與負(fù)膠：天津工業(yè)大學(xué)光刻膠的組成聚合物材料（樹(shù)脂）：保證光刻膠的附著性和抗腐蝕性及其他特性，光化學(xué)反應(yīng)改變?nèi)芙庑愿泄獠牧希≒AC）：控制或調(diào)整光化學(xué)反應(yīng)，決定著曝光時(shí)間和劑量溶劑：將樹(shù)脂溶解為液體，使之易于涂覆添加劑：染色劑等天津工業(yè)大學(xué)正膠與負(fù)膠天津工業(yè)大學(xué)正膠與負(fù)膠負(fù)膠的缺點(diǎn)： 樹(shù)脂的溶漲降低分辨率 溶劑（二甲苯）造成環(huán)境污染天津工業(yè)大學(xué) 對(duì)比度光刻膠膜厚曝光劑量響應(yīng)曲

7、線(xiàn)對(duì)比度： 正膠： 負(fù)膠：對(duì)比度越高，側(cè)面越陡，線(xiàn)寬更準(zhǔn)確對(duì)比度高，減少刻蝕過(guò)程中的鉆蝕效應(yīng)，提高分辨率天津工業(yè)大學(xué)其他特性光敏度膨脹性抗刻蝕能力和熱穩(wěn)定性黏著力溶解度和黏滯度微粒含量和金屬含量?jī)?chǔ)存壽命 理想曝光圖形與實(shí)際圖形的差別天津工業(yè)大學(xué)8.4 曝光系統(tǒng)曝光系統(tǒng)光學(xué)曝光系統(tǒng)非光學(xué)曝光系統(tǒng)紫外（UV）深紫外（DUV）電子束曝光系統(tǒng)X射線(xiàn)曝光系統(tǒng)離子束曝光系統(tǒng)天津工業(yè)大學(xué)紫外（UV）光源 水銀弧光燈光源 i線(xiàn)（365nm） h線(xiàn)（405nm） g線(xiàn)（436nm） 缺點(diǎn)：能量利用率低（2） 準(zhǔn)直性差天津工業(yè)大學(xué)深紫外（ DUV ）光源 KrF、ArF、F2準(zhǔn)分子激光器 優(yōu)點(diǎn)：更高有效能量，各向

8、異性，準(zhǔn)直，波長(zhǎng)更小，空間相干低，分辨率高 缺點(diǎn)：帶寬寬，脈沖式發(fā)射，能量峰值大，損傷天津工業(yè)大學(xué)曝光方式（Exposure）曝光方式遮蔽式Shade system投影式projection system接觸式Contact printer接近式proximity printer天津工業(yè)大學(xué)接觸式曝光(contact printer) 接觸式曝光 S=0，分辨率得到提高（13um) 塵埃粒子的產(chǎn)生，導(dǎo)致掩膜版的損壞，降低成品率天津工業(yè)大學(xué)接近式曝光（proximity printer） 接近式曝光（3um） 最小線(xiàn)寬LCD=1.4(S)1/2 減少了掩膜版的損壞，但分辨率受到限制天津工業(yè)大學(xué)

9、投影式曝光(projection system)最小尺寸：Lmin0.61/NA（亞微米級(jí)工藝）優(yōu)點(diǎn)：樣品與掩膜版不接觸，避免缺陷產(chǎn)生 掩膜板不易損壞，可仔細(xì)修整缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝要求高，產(chǎn)率低掃描方式：1：1步進(jìn)重復(fù)M：1縮小的步進(jìn)重復(fù)天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)M:1縮小的步進(jìn)重復(fù)曝光天津工業(yè)大學(xué)數(shù)值孔徑（NA）NA表示透鏡收集發(fā)散光的能力，NA越大，則能得到更銳利的圖形，從而得到更小的特征尺寸及更大的分辨率。天津工業(yè)大學(xué)提高分辨率的方法離軸照明 提高分辨率 優(yōu)化焦深擴(kuò)大調(diào)焦范圍曝光 曝光接觸孔和通孔，需要更深聚焦深度化學(xué)增強(qiáng)的深紫外光刻膠 常規(guī)基體：PAG，保護(hù)劑，改良劑（易污染，更深UV

10、難應(yīng)用） 深紫外基體：PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，抗蝕力不強(qiáng)，短儲(chǔ)存時(shí)間）天津工業(yè)大學(xué)8.5 掩膜版的制造石英板 熱擴(kuò)散系數(shù)小，刻寫(xiě)過(guò)程中受T影響小 對(duì)248，193nm波長(zhǎng)通透性好鉻層 刻蝕和淀積相對(duì)容易 對(duì)光線(xiàn)完全不透明掩膜版保護(hù)膜天津工業(yè)大學(xué)移相掩模（PSM）天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)未來(lái)趨勢(shì)（future Trends）天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)X射線(xiàn)曝光類(lèi)似接近式曝光更大的粒子質(zhì)量，更高的分辨率純的X射線(xiàn)源難以得到掩模版的制備存在挑戰(zhàn)在實(shí)際生產(chǎn)中難以應(yīng)用天津工業(yè)大學(xué)電子束直寫(xiě)式曝光主要用于掩模版的制備能達(dá)到最小的幾何尺寸: 0.014 um能夠直寫(xiě)，無(wú)需掩模版鄰近效應(yīng)導(dǎo)致分辨率下降產(chǎn)率低

11、天津工業(yè)大學(xué)8.6 ULSI對(duì)圖形轉(zhuǎn)移的要求圖形轉(zhuǎn)移的保真度 各向異性度：A=1-(Vl/Vv)選擇比 不同材料在腐蝕過(guò)程中被腐蝕的速率比均勻性 不同位置在腐蝕過(guò)程中被腐蝕的速率比刻蝕的清潔天津工業(yè)大學(xué)8.7 濕法刻蝕 （Etching） 濕法刻蝕：液態(tài)溶液，化學(xué)反應(yīng)優(yōu)點(diǎn):工藝簡(jiǎn)單；選擇性好；操作方便缺點(diǎn)：各向同性，精細(xì)線(xiàn)條難以刻蝕；大量的顆粒污染，化學(xué)廢液 干法刻蝕：等離子體，化學(xué)反應(yīng)物理濺射優(yōu)點(diǎn)：較高的各向異性，能形成更小的特征尺寸；等離子體可以容易的開(kāi)始和結(jié)束，溫度不敏感，工藝重復(fù)性好；更少的顆粒玷污，很少的化學(xué)廢液缺點(diǎn)：選擇性比較差，設(shè)備復(fù)雜天津工業(yè)大學(xué)濕法刻蝕優(yōu)缺點(diǎn)各向同性選擇性好天

12、津工業(yè)大學(xué)典型薄膜的濕法刻蝕Si的濕法刻蝕常規(guī)腐蝕：硝酸氫氟酸水定向腐蝕：KOH水溶液異丙醇天津工業(yè)大學(xué)SiO2的濕法腐蝕 氫氟酸氟化氨緩沖溶液Si3N4的濕法腐蝕 熱磷酸天津工業(yè)大學(xué)8.8 干法刻蝕干法刻蝕等離子刻蝕：化學(xué)反應(yīng)，高速率，高選擇比，低缺陷，但各向同性濺射刻蝕（粒子銑）：物理濺射，各向異性，低選擇比，高缺陷反應(yīng)粒子刻蝕：化學(xué)和物理雙重作用，各性能介于二者之間利用等離子激活的化學(xué)反應(yīng)或者利用高能離子束轟擊完成去除物質(zhì)的方法天津工業(yè)大學(xué)等離子刻蝕的工藝過(guò)程天津工業(yè)大學(xué)共同點(diǎn)：都是利用低壓狀態(tài)下氣體放電來(lái)形成等離子體作為刻蝕基礎(chǔ)不同點(diǎn)：刻蝕系統(tǒng)壓力：等反濺；溫度：等反濺；功率：反之；氣

13、流等相關(guān)可控參數(shù)?？涛g機(jī)制：等離子刻蝕:（化學(xué)反應(yīng)）產(chǎn)生擴(kuò)散吸附反應(yīng)解吸濺射刻蝕:（物理濺射）產(chǎn)生加速轟擊濺射排除天津工業(yè)大學(xué)二氧化硅和硅的干法刻蝕高壓等離子刻蝕 CF4+e CF3+F（自由基）+e SiO2+4F SiF4（氣）+O2 Si+4F SiF4 （氣）加入氧氣對(duì)刻蝕的影響：刻蝕Si和SiO2的速度都加快，且Si刻蝕速度增加更快，降低SiO2/Si刻蝕的選擇性加入氫氣對(duì)刻蝕的影響：對(duì)SiO2的刻蝕影響不大，但可減小對(duì)Si的刻蝕速度，增加SiO2/Si刻蝕的選擇性天津工業(yè)大學(xué)增加氫增加氧天津工業(yè)大學(xué)聚合物的形成和側(cè)壁保護(hù)天津工業(yè)大學(xué)8.9 刻蝕速率離子能量和入射角氣體成分氣體流速溫度壓力、功率密度負(fù)載效應(yīng)離子加速反