光刻与刻蚀工艺课件

lithographyvIntroductionv光刻光刻洁净室室工工艺流程流程光刻机光刻机光刻胶光刻胶掩膜版掩膜版lithographyIntroduction图形曝光与刻蚀图形曝光与刻蚀v 图形曝光（图形曝光（lithographylithography，又译光刻术），又译光刻术）利用利用掩膜版（掩膜版（maskmask）上的几何图形）上的几何图形，通过，通过光化学光化学反应反应，将图案转移到覆盖在，将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光半导体晶片上的感光薄膜层上薄膜层上（称为光致抗蚀剂、光刻胶或光阻，（称为光致抗蚀剂、光刻胶或光阻，resistresist，简称抗蚀剂）的一种工艺步骤，简称抗蚀剂）的一种工艺步骤 这些图案可用来这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域定义集成电路中各种不同区域，如离子注入、接触窗（如离子注入、接触窗（contact windowcontact window）与压焊）与压焊（bondingbondingpadpad）区。）区。图形曝光与刻蚀 图形曝光（lithography，又译光刻术v 刻蚀刻蚀由图形曝光所形成的抗蚀剂图案，并不是电路由图形曝光所形成的抗蚀剂图案，并不是电路器件的最终部分，而只是电路图形的印模。为器件的最终部分，而只是电路图形的印模。为了产生电路图形，这些了产生电路图形，这些抗蚀剂图案抗蚀剂图案必须必须再次转再次转移移至至下层的器件层上下层的器件层上。这种图案转移（这种图案转移（pattern transferpattern transfer）是利用）是利用腐腐蚀（蚀（etchingetching）工艺）工艺，选择性地将未被抗蚀剂，选择性地将未被抗蚀剂掩蔽的区域去除。掩蔽的区域去除。图形曝光与刻蚀图形曝光与刻蚀 刻蚀图形曝光与刻蚀ULSIULSI对光刻有哪些基本要求？对光刻有哪些基本要求？v高分辨率高分辨率在集成电路工艺中，通常把在集成电路工艺中，通常把线宽线宽作为光刻水平作为光刻水平的标志，一般也可以用的标志，一般也可以用加工图形线宽的能力加工图形线宽的能力来来代表集成电路的工艺水平。代表集成电路的工艺水平。v高灵敏度的光刻胶高灵敏度的光刻胶光刻胶的灵敏度是指光刻胶的感光速度。光刻胶的灵敏度是指光刻胶的感光速度。产品的产量产品的产量 曝光时间曝光时间确保光刻胶各项属性均为优异的前提下，提高确保光刻胶各项属性均为优异的前提下，提高光刻胶的灵敏度光刻胶的灵敏度ULSI对光刻有哪些基本要求？高分辨率ULSIULSI对光刻有哪些基本要求？对光刻有哪些基本要求？v 低缺陷低缺陷 缺陷关系成品率缺陷关系成品率v 精密的套刻对准精密的套刻对准集成电路芯片的制作需要经过多次光刻，在各次曝光集成电路芯片的制作需要经过多次光刻，在各次曝光图形之间要相互套准。图形之间要相互套准。ULSIULSI的图形线宽在的图形线宽在1um1um以下，通常采用自对准技术。以下，通常采用自对准技术。v大尺寸硅片上的加工大尺寸硅片上的加工 ULSIULSI的芯片尺寸为的芯片尺寸为1 12cm2cm2 2提高经济效益和硅片利用率提高经济效益和硅片利用率ULSI对光刻有哪些基本要求？低缺陷 洁净室（1）洁净室（1）洁净室（2）v 洁净室的等级定义方式：洁净室的等级定义方式：（1 1）英制系统：）英制系统：每立方英尺中直径大于或等于每立方英尺中直径大于或等于0.5um0.5um的尘埃粒子总数的尘埃粒子总数不准超过设计等级数值。不准超过设计等级数值。（2 2）公制系统）公制系统每立方米中直径大于或等于每立方米中直径大于或等于0.5um0.5um的尘埃粒子总数不的尘埃粒子总数不准超过设计等级数值（以指数计算，底数为准超过设计等级数值（以指数计算，底数为1010）。）。洁净室（2）洁净室的等级定义方式：洁净室（3）v 例子：例子：（1 1）等级为）等级为100100的洁净室（英制），直径大于的洁净室（英制），直径大于或等于或等于0.5um0.5um的尘埃粒子总数不超过的尘埃粒子总数不超过100100个个/ft/ft3 3（2 2）等级为）等级为M3.5M3.5的洁净室（公制），直径大于的洁净室（公制），直径大于或等于或等于0.5um0.5um的尘埃粒子总数不超过的尘埃粒子总数不超过10103.53.5（约（约35003500个个/m/m3 3)v 100 100个个/ft/ft3 3=3500=3500个个/m/m3 3一个英制等级一个英制等级100100的洁净室相当于公制等级的洁净室相当于公制等级M3.5M3.5的洁净室。的洁净室。洁净室（3）例子：洁净室（洁净室（4 4）v 对一般的对一般的ICIC制造制造区域，需要区域，需要等级等级100100的洁净室，约比一般的洁净室，约比一般室内空气低室内空气低4 4个数量个数量级。级。v 在图形曝光的工在图形曝光的工作区域，则需要作区域，则需要等级等级1010或或1 1的洁净室。的洁净室。洁净室（4）对一般的IC制造区域，需要等级100的洁净室，lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻洁净室洁净室工艺流程工艺流程光刻机光刻机光刻胶光刻胶掩膜版掩膜版lithographyIntroduction光刻原理（光刻原理（1 1）v 掩膜版图形掩膜版图形转移到转移到光刻胶光刻胶在光刻过程中，光刻胶受到光辐射之后发生光在光刻过程中，光刻胶受到光辐射之后发生光化学反应，其内部分子结构发生变化，化学反应，其内部分子结构发生变化，在显影在显影液中光刻胶感光部分与未感光部分的溶解速度液中光刻胶感光部分与未感光部分的溶解速度相差非常大。相差非常大。利用光刻胶的这种特性，就可以在硅片的表面利用光刻胶的这种特性，就可以在硅片的表面涂上光刻胶薄层，通过掩膜版对光刻胶辐照，涂上光刻胶薄层，通过掩膜版对光刻胶辐照，从而使某些区域的光刻胶感光之后，再从而使某些区域的光刻胶感光之后，再经过显经过显影就可以在光刻胶上留下掩膜版的图形。影就可以在光刻胶上留下掩膜版的图形。光刻原理（1）掩膜版图形转移到光刻胶v光刻胶图形光刻胶图形转移到转移到硅表面的薄膜硅表面的薄膜在集成电路制作中，利用这层剩余的光刻胶图在集成电路制作中，利用这层剩余的光刻胶图形作为保护膜，可以对硅表面没有被光刻胶覆形作为保护膜，可以对硅表面没有被光刻胶覆盖的区域进行刻蚀，或者对这些区域进行离子盖的区域进行刻蚀，或者对这些区域进行离子注入，从而把注入，从而把光刻胶上的图形转移到硅表面的光刻胶上的图形转移到硅表面的薄膜上去，由此形成各种器件和电路的结构，薄膜上去，由此形成各种器件和电路的结构，或者对未保护区进行掺杂。或者对未保护区进行掺杂。光刻原理（2）光刻胶图形转移到硅表面的薄膜光刻原理（2）光刻原理（3）v光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机光光刻刻胶胶又又叫叫光光致致抗抗蚀蚀剂剂，它它是是由由光光敏敏化化合合物物、基体树脂和有机溶剂基体树脂和有机溶剂等混合而成的等混合而成的胶状液体胶状液体光光刻刻胶胶受受到到特特定定波波长长光光线线的的作作用用后后，导导致致其其化化学学结结构构发发生生变变化化，使使光光刻刻胶胶在在某某种种特特定定溶溶液液中中的溶解特性改变的溶解特性改变v光刻过程的主要步骤：光刻过程的主要步骤：曝光、显影、刻蚀曝光、显影、刻蚀 光刻原理（3）光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机Resist coat(wafer track)etch(ion implantation)Develop(wafer track)Expose(illumination tool)resist strip positive tonenegative tonemaskresistsubstrateProcess flow optical lithoProcess flow optical lithoResist coatetch DevelopExposer光刻工艺过程光刻工艺过程v涂胶涂胶 coatingcoatingv前烘前烘 prebakingprebakingv曝光曝光 exposureexposurev显影显影 developmentdevelopmentv坚膜坚膜 postbakepostbakev刻蚀刻蚀 etchetchv去胶去胶 stripstripv检验检验 inspection inspection 光刻工艺过程涂胶 coating1 1、涂胶、涂胶1、涂胶1 1、涂胶、涂胶v涂胶目的涂胶目的在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没有缺陷的光刻胶薄膜。有缺陷的光刻胶薄膜。v怎样才能让光刻胶粘的牢一些？怎样才能让光刻胶粘的牢一些？1、涂胶涂胶目的可以开始涂胶了可以开始涂胶了v 怎么涂？怎么涂？旋转涂胶法：把胶滴在硅片，然后使硅片高速旋转，旋转涂胶法：把胶滴在硅片，然后使硅片高速旋转，液态胶在旋转中因离心力作用由轴心沿径向（移动）液态胶在旋转中因离心力作用由轴心沿径向（移动）飞溅出去，但粘附在硅表面的胶受粘附力的作用而留飞溅出去，但粘附在硅表面的胶受粘附力的作用而留下。在旋转过程中胶所含的溶剂不断挥发，故可得到下。在旋转过程中胶所含的溶剂不断挥发，故可得到一层均匀的胶膜一层均匀的胶膜 v 怎样才算涂的好？怎样才算涂的好？膜厚均匀，正胶膜厚均匀，正胶2%2%，负胶，负胶5%5%可以开始涂胶了 怎么涂？涂胶涂胶-转速转速VsVs膜厚膜厚v 转速转速VsVs膜厚膜厚其中：其中：T T表示膜厚，表示膜厚，S S表示转速；从上式可以看出，表示转速；从上式可以看出，光刻胶的膜厚与旋转速度的平方根成反比。光刻胶的膜厚与旋转速度的平方根成反比。涂胶-转速Vs膜厚 转速Vs膜厚2 2、前烘（、前烘（softbakesoftbake）再次改善光刻胶粘附性再次改善光刻胶粘附性v 目的目的去去除胶内的溶剂，提高胶的粘附力除胶内的溶剂，提高胶的粘附力提高胶的抗机械摩擦的能力提高胶的抗机械摩擦的能力减小高速旋转形成的薄膜应力减小高速旋转形成的薄膜应力v 条件条件:温度温度 ：90 to 120 90 to 120 时间：时间：60s to 120s60s to 120s2、前烘（softbake）再次改善光刻胶粘附性 目的2 2、前烘（、前烘（softbakesoftbake）再次改善光刻胶粘附性）再次改善光刻胶粘附性v前烘不足前烘不足光刻胶与硅片黏附性变差光刻胶与硅片黏附性变差因光刻胶中溶剂含量过高致使曝光的精确度下降因光刻胶中溶剂含量过高致使曝光的精确度下降v前烘过量前烘过量延长时间，产量降低延长时间，产量降低过高的温度使光刻胶层的粘附性会因光刻胶变脆而降过高的温度使光刻胶层的粘附性会因光刻胶变脆而降低低过高的温度会使光刻胶中的感光剂发生反应，使光刻过高的温度会使光刻胶中的感光剂发生反应，使光刻胶在曝光时的敏感度变差胶在曝光时的敏感度变差2、前烘（softbake）再次改善光刻胶粘附性前烘不足3 3、曝光（、曝光（ExposureExposure）3、曝光（Exposure）3 3、曝光（、曝光（ExposureExposure）v 曝光曝光光通过光通过掩模版掩模版照射，使照射到的光刻胶起光化学反应照射，使照射到的光刻胶起光化学反应感光与未感光的光刻胶对碱性溶液的溶解度不同感光与未感光的光刻胶对碱性溶液的溶解度不同掩模版上的图案，完整地传递掩模版上的图案，完整地传递(Transfer)(Transfer)到晶片表面到晶片表面的光阻上的光阻上v目的：目的：确定图案的精确形状和尺寸确定图案的精确形状和尺寸完成顺序两次光刻图案的准确套制完成顺序两次光刻图案的准确套制3、曝光（Exposure）曝光曝光后烘焙（曝光后烘焙（PEBPEB）v 驻波效应驻波效应定义：入射光与反射光间的相长和相消干涉造定义：入射光与反射光间的相长和相消干涉造成的效应成的效应影响：曝光过程中，在曝光区与非曝光区边界影响：曝光过程中，在曝光区与非曝光区边界将会出现驻波效应，影响显影后所形成的图形将会出现驻波效应，影响显影后所形成的图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：曝光后烘焙曝光后烘焙（PEB）驻波效应4 4、显影（、显影（DevelopmentDevelopment）4、显影（Development）4 4、显影（、显影（DevelopmentDevelopment）v 原理原理显影时曝光区与非曝光区的光刻胶显影时曝光区与非曝光区的光刻胶不同程度不同程度的溶解的溶解v 显影过程显影过程把已曝光的硅晶片浸入显影液中，通过溶解把已曝光的硅晶片浸入显影液中，通过溶解部分光刻胶的方法使部分光刻胶的方法使胶膜中的潜影胶膜中的潜影显现出来显现出来的过程的过程v 显影留下的光刻胶图形将在后续的刻蚀显影留下的光刻胶图形将在后续的刻蚀和离子注入工艺中和离子注入工艺中作为掩膜作为掩膜4、显影（Development）原理4、显影（Development）v显影方式：显影方式：浸渍显影；浸渍显影；旋转喷雾显影旋转喷雾显影v影响显影效果的因素影响显影效果的因素 ：a.a.曝光时间；曝光时间；b.b.前烘的温度和时间；前烘的温度和时间；c.c.光刻胶的厚度；光刻胶的厚度；d.d.显影液的浓度；显影液的浓度；e.e.显影液的温度；显影液的温度；f.f.显影液的搅拌情况显影液的搅拌情况4、显影（Development）显影方式：4、显影（Development）4、显影（Development）4、显影（Development）v显影之后的检查显影之后的检查 掩膜版选用是否正确掩膜版选用是否正确光刻胶的质量是否满足要求（污染、划痕、气泡光刻胶的质量是否满足要求（污染、划痕、气泡和条纹）和条纹）图形的质量（有好的边界，图形尺寸和线宽满足图形的质量（有好的边界，图形尺寸和线宽满足要求）要求）套准精度是否满足要求套准精度是否满足要求v光刻是唯一可以返工的工艺步骤光刻是唯一可以返工的工艺步骤4、显影（Development）显影之后的检查5、坚膜 显影后必须进一步增强光刻胶粘附力显影后必须进一步增强光刻胶粘附力v坚膜坚膜在在光光刻刻显显影影后后，再再经经过过一一次次烘烘烤烤，进进一一步步将将胶胶内内残留的溶剂含量由蒸发降到最低，使其硬化残留的溶剂含量由蒸发降到最低，使其硬化 v坚膜的目的坚膜的目的去去除除光光刻刻胶胶中中剩剩余余的的溶溶剂剂，增增强强光光刻刻胶胶对对硅硅片片表表面的附着力面的附着力提提高高光光刻刻胶胶在在刻刻蚀蚀和和离离子子注注入入过过程程中中的的抗抗蚀蚀性性和和保护能力保护能力5、坚膜 显影后必须进一步增强光刻胶粘附力坚膜5、坚膜 显影后必须进一步增强光刻胶粘附力显影后必须进一步增强光刻胶粘附力5、坚膜 显影后必须进一步增强光刻胶粘附力光刻与刻蚀工艺课件6 6、去胶、去胶6、去胶6 6、去胶、去胶v 经过刻蚀或离子注入后，将光刻胶从表面除去经过刻蚀或离子注入后，将光刻胶从表面除去v去胶方法去胶方法湿法去胶湿法去胶有机溶液去胶有机溶液去胶 不腐蚀金属，去除不腐蚀金属，去除AlAl上的光刻胶需用有机溶剂上的光刻胶需用有机溶剂无机溶液去胶无机溶液去胶 干法去胶干法去胶等离子体将光刻胶剥除等离子体将光刻胶剥除刻蚀效果好，但有反应残留物玷污问题，故与湿法腐蚀搭配使刻蚀效果好，但有反应残留物玷污问题，故与湿法腐蚀搭配使用用6、去胶 经过刻蚀或离子注入后，将光刻胶从表面除去 lithography lithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻洁净室洁净室工艺流程工艺流程光刻机光刻机分辨率曝光光源分辨率曝光光源套准套准光刻胶光刻胶 lithographyIntroduction光刻机光刻机v 光刻机的性能可由下面三个参数来判别光刻机的性能可由下面三个参数来判别分辨率分辨率光刻机 光刻机的性能可由下面三个参数来判别v 光刻机的性能可由下面三个参数来判别光刻机的性能可由下面三个参数来判别套准精度套准精度产率产率对一给定的掩膜版，每小时能曝光完成的晶对一给定的掩膜版，每小时能曝光完成的晶片数量片数量光刻机光刻机 光刻机的性能可由下面三个参数来判别光刻机v光刻机发展为两大类型，即光学光刻机和非光光刻机发展为两大类型，即光学光刻机和非光学光刻机，如图所示。学光刻机，如图所示。光学光刻机采用紫光学光刻机采用紫 外线作为光源，而外线作为光源，而 非光学光刻机的非光学光刻机的 光源则来自电磁光源则来自电磁 光谱的其他成分。光谱的其他成分。曝光光源曝光光源光刻机发展为两大类型，即光学光刻机和非光学光刻机，如图所示。曝光光源曝光光源v普通光源普通光源光的波长范围大，图形边缘衍射现象严重，满光的波长范围大，图形边缘衍射现象严重，满足不了特征尺寸的要求。足不了特征尺寸的要求。v晶圆生产用的曝光光源晶圆生产用的曝光光源曝光光源普通光源v晶圆生产用的曝光光源晶圆生产用的曝光光源最广泛使用的曝光光源是最广泛使用的曝光光源是高压汞灯高压汞灯产生的光为紫外光（产生的光为紫外光（UVUV）三条发射线三条发射线I I线线(365nm)(365nm)H H线线(405nm)(405nm)G G线线(436nm)(436nm)(0.35um(0.35um工艺工艺)曝光光源曝光光源晶圆生产用的曝光光源曝光光源v晶圆生产用的曝光光源晶圆生产用的曝光光源产生的光为深紫外光（产生的光为深紫外光（DUVDUV）氟化氪氟化氪 KrF KrF （248nm248nm）（0.35um,0.25um,0.18 CMOS0.35um,0.25um,0.18 CMOS技术）技术）氟化氩氟化氩 ArF ArF （193nm193nm）(0.2um(0.2um以下工艺）以下工艺）曝光光源曝光光源晶圆生产用的曝光光源曝光光源曝光光源曝光光源v超细线条光刻技术超细线条光刻技术甚远紫外线甚远紫外线(EUV)(EUV)（13.4nm)13.4nm)电子束光刻电子束光刻 (波粒二相性，更多显示粒子性）波粒二相性，更多显示粒子性）以上两种曝光光源比较有前景，可以对亚以上两种曝光光源比较有前景，可以对亚100nm100nm，亚，亚50nm50nm的特征尺寸进行光刻的特征尺寸进行光刻X X射线射线离子束光刻离子束光刻曝光光源超细线条光刻技术光学曝光方法光学曝光方法光学曝光方法光学曝光方法光学曝光方法v遮蔽式曝光遮蔽式曝光接触式曝光接触式曝光提供约提供约1um1um的分辨率的分辨率对掩膜版造成损伤对掩膜版造成损伤 接近式曝光接近式曝光可以减小掩膜版损伤可以减小掩膜版损伤间隙会在掩膜版图案边缘造成光学衍射间隙会在掩膜版图案边缘造成光学衍射分辨率降低至分辨率降低至2um2um5um5um光学曝光方法遮蔽式曝光光学曝光方法光学曝光方法光学曝光方法光学曝光方法光学曝光方法v 投影式曝光投影式曝光利用投影的方法，将掩膜版上图案投影至相距好几厘利用投影的方法，将掩膜版上图案投影至相距好几厘米的晶片上。米的晶片上。（a a）晶片整片扫描）晶片整片扫描（b b）1 1：1 1步进重复步进重复光学曝光方法 投影式曝光（a）晶片整片扫描（b）1：1步进重光学曝光方法光学曝光方法光学曝光方法光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻洁净室洁净室工艺流程工艺流程光刻机光刻机分辨率曝光光源分辨率曝光光源套准套准光刻胶光刻胶lithographyIntroduction套准精度套准精度v对准对准把所需图形在晶园表面上定位或对准。把所需图形在晶园表面上定位或对准。v如果说光刻胶是光刻工艺的如果说光刻胶是光刻工艺的“材料材料”核心核心，那么对准和曝光则是该工艺的那么对准和曝光则是该工艺的“设备设备”核心核心。图形的准确对准是保证器件和电路正常工作图形的准确对准是保证器件和电路正常工作的决定性因素之一。的决定性因素之一。套准精度对准对准法则对准法则v第一次光刻第一次光刻只是把掩膜版上的只是把掩膜版上的Y Y轴与晶园上的平边成轴与晶园上的平边成9090，如图所示。，如图所示。接下来的掩膜版都用接下来的掩膜版都用对准对准 标记标记与上一层带有图形的与上一层带有图形的 掩膜对准。对准标记是一掩膜对准。对准标记是一 个特殊的图形（见图），个特殊的图形（见图），分布在每个芯片图形的边分布在每个芯片图形的边 缘。缘。经过光刻工艺对准标经过光刻工艺对准标 记就永远留在芯片表面，同时作为下一次对准使用。记就永远留在芯片表面，同时作为下一次对准使用。对准法则第一次光刻只是把掩膜版上的Y轴与晶园上的平边成90对准标记对准标记光刻与刻蚀工艺课件 未对准种类：未对准种类：(a)X(a)X方向方向 (b)(b)转动转动 (c)(c)伸出伸出 未对准种类：(a)X方向 (b)转动 (c)lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻洁净室洁净室工艺流程工艺流程光刻机光刻机光刻胶光刻胶掩膜版掩膜版lithographyIntroduction光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v主要有两种光刻胶：主要有两种光刻胶：正胶正胶：曝光后显影时曝光部分被溶解，而没有：曝光后显影时曝光部分被溶解，而没有曝光的部分留下来曝光的部分留下来 邻叠氮醌类邻叠氮醌类 负胶负胶：曝光后显影时没有曝光部分被溶解，而：曝光后显影时没有曝光部分被溶解，而曝光的部分留下来曝光的部分留下来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光刻胶的基本属性主要有两种光刻胶：基本光刻技术基本光刻技术基本光刻技术光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件61可编辑61可编辑*实际工艺中正胶用的比较多，实际工艺中正胶用的比较多，why?why?va.a.分辨率高分辨率高vb.b.抗干法腐蚀的能力较强抗干法腐蚀的能力较强vc.c.抗热处理的能力强抗热处理的能力强vd.d.可用水溶液显影，溶涨现象小可用水溶液显影，溶涨现象小ve.e.可涂得较厚可涂得较厚(2-3um)(2-3um)不影响分辨率，有较好台阶不影响分辨率，有较好台阶覆盖性覆盖性vf.f.适合适合1 1：1 1及缩小的投影光刻及缩小的投影光刻v负胶也有一些优点，如负胶也有一些优点，如:粘附性好，抗湿法腐蚀粘附性好，抗湿法腐蚀能力强等能力强等*实际工艺中正胶用的比较多，why?a.分辨率高光刻胶的主要成分v1.1.树脂树脂(高分子聚合物高分子聚合物 )光照不发生反应，保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐光照不发生反应，保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性，决定光刻胶薄膜的膜厚、弹性和热稳定性等蚀性，决定光刻胶薄膜的膜厚、弹性和热稳定性等 光刻胶的主要成分1.树脂(高分子聚合物)光刻胶的主要成分v 2.2.光敏剂（光敏剂（PACPAC）受光辐照之后会发生化学反应受光辐照之后会发生化学反应光刻胶的主要成分 2.光敏剂（PAC）光刻胶的主要成分v3.3.溶剂溶剂 使光刻胶在涂到硅片表面之前保持为液态使光刻胶在涂到硅片表面之前保持为液态光刻胶的主要成分3.溶剂 光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v光学性质光学性质光敏度，折射率光敏度，折射率v力学和化学性质力学和化学性质固溶度、粘滞度、粘着度、抗腐蚀性、热稳定固溶度、粘滞度、粘着度、抗腐蚀性、热稳定性、流动性和对环境的敏感度性、流动性和对环境的敏感度v其它特性其它特性纯度、金属含量、可应用的范围、储存的有效纯度、金属含量、可应用的范围、储存的有效期和燃点期和燃点光刻胶的基本属性光学性质v对比度对比度对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的倾角和对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的倾角和线宽。线宽。光刻胶的对比度越高，光刻胶层的侧面越陡，光刻胶的对比度越高，光刻胶层的侧面越陡，线宽描述掩模尺寸的准确度就越高。且陡峭的线宽描述掩模尺寸的准确度就越高。且陡峭的光刻胶在干法刻蚀中可以减小刻蚀过程中的钻光刻胶在干法刻蚀中可以减小刻蚀过程中的钻蚀效应，从而提高分辨率。蚀效应，从而提高分辨率。光刻胶的基本属性对比度光刻胶的基本属性v光刻胶的膨胀光刻胶的膨胀在显影过程中，若显影液渗透到光刻胶中，在显影过程中，若显影液渗透到光刻胶中，光刻胶光刻胶的体积就会膨胀的体积就会膨胀，这将导致图形尺寸发生变化，这将导致图形尺寸发生变化，影影响分辨率。响分辨率。正胶不发生膨胀，负胶发生膨胀现象正胶不发生膨胀，负胶发生膨胀现象。故正胶分辨。故正胶分辨率高于负胶，负胶可通过减小厚度来提高分辨率率高于负胶，负胶可通过减小厚度来提高分辨率在相同的分辨率下，与负胶相比可以使用较厚的正在相同的分辨率下，与负胶相比可以使用较厚的正胶胶，从而得到更好的平台覆盖并能降低缺陷的产生，从而得到更好的平台覆盖并能降低缺陷的产生，同时抗干法刻蚀的能力也更强。同时抗干法刻蚀的能力也更强。光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性光刻胶的膨胀光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v光敏度光敏度指光刻胶完成所需图形曝光的最小曝光剂量指光刻胶完成所需图形曝光的最小曝光剂量曝光剂量（曝光剂量（mj/cmmj/cm2 2）光强（单位面积的功率）光强（单位面积的功率）曝光时间曝光时间光敏度由曝光效率决定光敏度由曝光效率决定曝光效率：参与光刻胶曝光的光子能量与进入光刻曝光效率：参与光刻胶曝光的光子能量与进入光刻胶中的光子能量的比值胶中的光子能量的比值 正胶比负胶有更高的曝光效率正胶比负胶有更高的曝光效率，故正胶的光敏度大，故正胶的光敏度大，光敏度大可减小曝光时间光敏度大可减小曝光时间光刻胶的基本属性光敏度光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v抗刻蚀能力抗刻蚀能力图形转移时，光刻胶抵抗刻蚀的能力。图形转移时，光刻胶抵抗刻蚀的能力。光刻胶对湿法腐蚀有比较好的抗腐蚀能力，对大部光刻胶对湿法腐蚀有比较好的抗腐蚀能力，对大部分的干法刻蚀，光刻胶的抗刻蚀能力则比较差分的干法刻蚀，光刻胶的抗刻蚀能力则比较差v 热稳定性热稳定性通常干法刻蚀的工作温度比湿法腐蚀要高，所通常干法刻蚀的工作温度比湿法腐蚀要高，所以光刻胶应能够承受以光刻胶应能够承受200 200 以上的工作温度以上的工作温度光刻胶的基本属性抗刻蚀能力光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v黏着力黏着力在刻蚀过程中，如果光刻胶黏附不牢就会发生在刻蚀过程中，如果光刻胶黏附不牢就会发生钻蚀和浮胶钻蚀和浮胶，这将直接影响光刻的质量，甚至，这将直接影响光刻的质量，甚至使整个图形丢失。使整个图形丢失。增强黏附性的方法：增强黏附性的方法：1.1.涂胶前脱水处理涂胶前脱水处理 2.2.使用增粘剂（使用增粘剂（HMDS)HMDS)3.3.提高坚膜的循环温度提高坚膜的循环温度光刻胶的基本属性黏着力光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v光刻胶的溶解度光刻胶的溶解度光刻胶是由溶剂溶解了固态物质（如树脂）光刻胶是由溶剂溶解了固态物质（如树脂）所形成的液体，其中溶解的固态物质所占的所形成的液体，其中溶解的固态物质所占的比重称为溶解度比重称为溶解度v 光刻胶的粘滞度光刻胶的粘滞度影响甩胶后光刻胶膜厚影响甩胶后光刻胶膜厚光刻胶的基本属性光刻胶的溶解度光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v 微粒数量和金属含量微粒数量和金属含量光刻胶的纯净度光刻胶的纯净度与光刻胶中的微粒数量和金属与光刻胶中的微粒数量和金属含量有关。含量有关。光刻胶的生产过程中需要经过严格的过滤和包光刻胶的生产过程中需要经过严格的过滤和包装，且需要在使用前过滤。随存储时间的增加，装，且需要在使用前过滤。随存储时间的增加，光刻胶中的微粒数量还会继续增加。光刻胶中的微粒数量还会继续增加。光刻胶中的金属含量主要指光刻胶中的金属含量主要指钠和钾的含量钠和钾的含量，钠，钠和钾会带来污染，降低器件的性能。和钾会带来污染，降低器件的性能。光刻胶的基本属性 微粒数量和金属含量v储存寿命储存寿命光刻胶中的成分随时间和温度发生变化光刻胶中的成分随时间和温度发生变化通常正胶的寿命高于负胶的通常正胶的寿命高于负胶的在存储期间，由于交叉链接的作用，正胶中的在存储期间，由于交叉链接的作用，正胶中的高分子成分会增加，感光剂不可溶，结晶成沉高分子成分会增加，感光剂不可溶，结晶成沉淀物淀物。光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性储存寿命光刻胶的基本属性lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻洁净室洁净室工艺流程工艺流程光刻机光刻机光刻胶光刻胶掩膜版掩膜版lithographyIntroduction掩膜版掩膜版v 掩膜版上的图形代表掩膜版上的图形代表一层一层ICIC设计，将综合的设计，将综合的布局图按照布局图按照ICIC工艺分成工艺分成各层掩膜版，如隔离区各层掩膜版，如隔离区为一层、栅极区为另一为一层、栅极区为另一层等，这些掩膜版的组层等，这些掩膜版的组合就是一组合就是一组ICIC工艺流程。工艺流程。掩膜版 掩膜版上的图形代表掩膜板的制造掩膜板的制造v传统掩膜版是在石英板上淀积薄的铬传统掩膜版是在石英板上淀积薄的铬(ge)(ge)层，在层，在铬层上形成图形铬层上形成图形。v掩膜版是由掩膜版是由电子束电子束或者或者激光束直接刻写激光束直接刻写在在铬层上的。铬层上的。v通常，制作一个完整的通常，制作一个完整的ULSIULSI芯片需要芯片需要2020到到2525块不同的掩膜块不同的掩膜。掩膜板的制造传统掩膜版是在石英板上淀积薄的铬(ge)层，在铬v掩膜版的构成掩膜版的构成石英玻璃板石英玻璃板铬层铬层 铬的氮化物或氧化物铬的氮化物或氧化物+铬铬+抗反射层抗反射层掩膜版的保护膜：密封掩膜版，防止空气中的掩膜版的保护膜：密封掩膜版，防止空气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版的构成掩膜板的制造掩膜板的制造掩膜板的制造v 掩膜版好坏的关键因素：缺陷密度掩膜版好坏的关键因素：缺陷密度v 缺陷的产生原因缺陷的产生原因制造掩膜版时产生制造掩膜版时产生图形曝光时产生图形曝光时产生v缺陷密度对缺陷密度对ICIC成品率的影响成品率的影响其中：其中：D D为每单位面积致命缺陷的平均数，为每单位面积致命缺陷的平均数，A A为为ICIC芯片芯片的面积，的面积，N N为掩膜版的层数为掩膜版的层数掩膜板的制造 掩膜版好坏的关键因素：缺陷密度要提高要提高大面积芯片大面积芯片的成的成品率，掩膜版的品率，掩膜版的检查与检查与清洗清洗是非常重要的。是非常重要的。要提高大面积芯片的成分辨率增强技术移相掩膜分辨率增强技术移相掩膜v 移相掩膜（移相掩膜（phase-shifting mask,PSM)phase-shifting mask,PSM)在在ICIC工艺中，工艺中，光学图形曝光系统光学图形曝光系统追求较佳的分追求较佳的分辨率、较深的聚焦深度与较广的曝光宽容度辨率、较深的聚焦深度与较广的曝光宽容度基本原理是在掩膜版的某些透明图形上增加或基本原理是在掩膜版的某些透明图形上增加或减少一个透明的介质层，称为移相器，使光波减少一个透明的介质层，称为移相器，使光波通过这个介质层后产生通过这个介质层后产生180180度的相位差，与邻近度的相位差，与邻近透明区域透过的光波产生干涉，从而抵消图形透明区域透过的光波产生干涉，从而抵消图形边缘的光衍射效应，边缘的光衍射效应，提高曝光的分辨率提高曝光的分辨率。分辨率增强技术移相掩膜 移相掩膜（phase-shifti光刻与刻蚀工艺课件lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻v刻蚀刻蚀湿法刻蚀湿法刻蚀干法刻蚀干法刻蚀lithographyIntroduction什么叫刻蚀？什么叫刻蚀？v刻蚀刻蚀把进行光刻前所沉积的薄膜中没有被光刻胶覆盖把进行光刻前所沉积的薄膜中没有被光刻胶覆盖及保护的部分，以化学反应或是物理作用的方式加以去除，及保护的部分，以化学反应或是物理作用的方式加以去除，以完成转移掩膜图案到薄膜上面的目的。以完成转移掩膜图案到薄膜上面的目的。v刻蚀分类刻蚀分类湿湿法法刻刻蚀蚀（WET WET ETCHING ETCHING）：利利用用液液态态化化学学试试剂剂或或溶液通过溶液通过化学反应化学反应进行刻蚀的方法进行刻蚀的方法干干法法刻刻蚀蚀（DRY DRY ETCHINGETCHING）：主主要要指指利利用用低低压压放放电电产产生生的的等等离离子子体体中中的的离离子子或或游游离离基基(处处于于激激发发态态的的分分子子、原原子子及及各各种种原原子子基基团团等等)与与材材料料发发生生化化学学反反应应或或通通过过轰轰击等击等物理作用物理作用而达到刻蚀的目的而达到刻蚀的目的什么叫刻蚀？刻蚀把进行光刻前所沉积的薄膜中没有被光刻胶覆刻蚀术语刻蚀术语 v BIAS BIAS（偏差）（偏差）腐蚀后的图形与版图的水平偏差腐蚀后的图形与版图的水平偏差。v TOLERANCE TOLERANCE（容差）（容差）各批图形间的偏差。各批图形间的偏差。v ETCHING RATE ETCHING RATE（腐蚀速率均匀度）（腐蚀速率均匀度）=（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%刻蚀术语 BIAS（偏差）vOVER ETCHING OVER ETCHING（过腐蚀）（过腐蚀）v SELECTIVITY SELECTIVITY（选择性）（选择性）S SFSFS=腐蚀腐蚀FILMFILM速率速率 /腐蚀腐蚀SUBSTRATESUBSTRATE速率速率OVER ETCHING（过腐蚀）光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件会出现光刻胶的钻蚀会出现光刻胶的钻蚀-方向性方向性腐蚀剂会腐蚀衬底而改变衬底形貌腐蚀剂会腐蚀衬底而改变衬底形貌-选择性选择性会出现光刻胶的钻蚀-方向性腐蚀剂会腐蚀衬底而改变衬底形貌光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件光刻与刻蚀工艺课件lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻v刻蚀刻蚀湿法刻蚀湿法刻蚀干法刻蚀干法刻蚀lithographyIntroduction刻蚀刻蚀v湿法腐蚀：湿法腐蚀：湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用优点是优点是选择性好选择性好、重复性好、生产效率高、设、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低备简单、成本低缺点是钻蚀严重、缺点是钻蚀严重、各向同性腐蚀各向同性腐蚀，对图形的控，对图形的控制性较差制性较差在工业生产中一般以在工业生产中一般以3um3um线宽为界限，小于线宽为界限，小于3um3um普遍应普遍应用干法刻蚀技术。用干法刻蚀技术。刻蚀湿法腐蚀：各向同性和异性各向同性和异性 假设假设hfhf为下层材料的厚度，为下层材料的厚度，l l为抗为抗蚀剂底下的侧面钻蚀距离，可以定义蚀剂底下的侧面钻蚀距离，可以定义各向异性的比值各向异性的比值AfAf为：为：其中：其中：t t为时间，而为时间，而RlRl和和RvRv则分别为水平方向与垂直方向则分别为水平方向与垂直方向腐蚀的速率；对各向同性腐蚀而言，腐蚀的速率；对各向同性腐蚀而言，RlRlRvRv，AfAf0 0；对；对各向异性腐蚀的极限情况而言，各向异性腐蚀的极限情况而言，RlRl0 0，AfAf1 1；各向同性和异性 假设hf为下层材料的厚度，l为抗蚀剂底下光刻与刻蚀工艺课件 湿法刻蚀技术（1）v Wet Etching Silicon Wet Etching Silicon（硅刻蚀）（硅刻蚀）腐蚀液成份：腐蚀液成份：HNOHNO3、HFHF、CHCH3COOHCOOH（水）（水）醋酸比水好，可以抑制HNO3的分解反应方程：反应方程：Si+HNO3+6HF H2SiF6+HNO3+H2+H2O混合液成份不同腐蚀速率不同混合液成份不同腐蚀速率不同各向同性腐蚀各向同性腐蚀 湿法刻蚀技术（1）Wet Etching Silicv Wet Etching Silicon Dioxide Wet Etching Silicon Dioxide（二氧化硅刻蚀）（二氧化硅刻蚀）腐蚀液成份：腐蚀液成份：HFHF、氟化氨（、氟化氨（NHNH4 4F F）水溶液）水溶液反应方程：反应方程：SiO2+6HF H2+SiF6+2H2O腐蚀液中加入一定的氟化氨作为缓冲剂腐蚀液中加入一定的氟化氨作为缓冲剂 形成的腐蚀液称为形成的腐蚀液称为BHFBHF，又称作缓冲氧化层腐蚀，又称作缓冲氧化层腐蚀（buffered-oxide-etch,BOE)buffered-oxide-etch,BOE)湿法刻蚀技术湿法刻蚀技术 （2 2）Wet Etching Silicon Dioxide 湿法刻蚀技术湿法刻蚀技术 （3 3）v Wet Etching Si Wet Etching Si3 3N N4 4（氮化硅刻蚀）（氮化硅刻蚀）腐蚀液成份：腐蚀液成份：180180浓度为浓度为8585的磷酸溶液的磷酸溶液v Wet Etching Al Wet Etching Al（铝刻蚀）（铝刻蚀）腐蚀液成份腐蚀液成份:湿法刻蚀技术（3）Wet Etching Si3N4lithographylithographyvIntroductionIntroductionv光刻光刻v刻蚀刻蚀湿法腐蚀湿法腐蚀干法刻蚀干法刻蚀lithographyIntroductionv溅射与离子束铣（溅射与离子束铣（xixi）蚀：）蚀：通过高能惰性气体离子的物通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差v等离子刻蚀等离子刻蚀(Plasma Etching)(Plasma Etching)：利用放电产生的游离基利用放电产生的游离基（游离态的原子、分子或原子团）与材料发生化学反应，（游离态的原子、分子或原子团）与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差但各向异性较差v反应离子刻蚀反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching(Reactive Ion Etching，简称为，简称为RIE)RIE)：通通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，异性和选择性好的优点。目前，RIERIE已成为已成为VLSIVLSI工艺中应工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术用最广泛的主流刻蚀技术DRY ETCHING DRY ETCHING 干法刻蚀干法刻蚀溅射与离子束铣（xi）蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用DRY ETCHING DRY ETCHING 干法刻蚀干法刻蚀v 干法刻蚀优点：干法刻蚀优点：分辨率高分辨率高各向异性腐蚀能力强各向异性腐蚀能力强某些情况下腐蚀选择比大某些情况下腐蚀选择比大均匀性、重复性好均匀性、重复性好便于连续自动操作便于连续自动操作DRY ETCHING 干法刻蚀 干法刻蚀优点：v干法刻蚀的应用干法刻蚀的应用SiSi，SiSi3 3N N4 4，SiOSiO2 2Poly-Si,Poly-Si,硅化物硅化物 AlAl及其合金及其合金 耐熔金属（耐熔金属（MoMo，W W，TaTa，TiTi）DRY ETCHING DRY ETCHING 干法刻蚀干法刻蚀干法刻蚀的应用DRY ETCHING 干法刻蚀湿法刻蚀工艺和干法刻蚀工艺的比较？湿法刻蚀工艺和干法刻蚀工艺的比较？干法刻蚀优缺点：干法刻蚀优缺点：分辨率高分辨率高各向异性腐蚀能力强各向异性腐蚀能力强均匀性、重复性好均匀性、重复性好便于连续自动操作便于连续自动操作成本高，选择比一般较低成本高，选择比一般较低湿法刻蚀的优缺点：湿法刻蚀的优缺点：v成本低廉成本低廉v选择比高选择比高v各向同性各向同性v腐蚀速率难以控制腐蚀速率难以控制湿法刻蚀工艺和干法刻蚀工艺的比较？干法刻蚀优缺点：湿法刻蚀的v半导体工业的持续成长，是因为可将越来越小的电半导体工业的持续成长，是因为可将越来越小的电路图案转移到半导体晶片上。转移图案的两个主要路图案转移到半导体晶片上。转移图案的两个主要工艺为图形曝光与刻蚀。工艺为图形曝光与刻蚀。v目前大部分的图形曝光设备为光学系统，我们讲到目前大部分的图形曝光设备为光学系统，我们讲到了光学图形曝光系统的各种曝光工具、掩膜版、抗了光学图形曝光系统的各种曝光工具、掩膜版、抗蚀剂与洁净室。限制光学图形曝光分辨率的主要原蚀剂与洁净室。限制光学图形曝光分辨率的主要原因为衍射。然而由于准分子激光、抗蚀剂化学及分因为衍射。然而由于准分子激光、抗蚀剂化学及分辨率改善技术（如相移掩膜版与光学临近修正）的辨率改善技术（如相移掩膜版与光学临近修正）的进步，光学图形曝光至少在进步，光学图形曝光至少在130nm“130nm“时代时代”将维持将维持为主流技术。为主流技术。半导体工业的持续成长，是因为可将越来越小的电路图案转移到半导v电子束图形曝光是掩膜版制作和用于探索新器件的纳米工电子束图形曝光是掩膜版制作和用于探索新器件的纳米工艺的最佳选择，其它图形曝光工艺技术为艺的最佳选择，其它图形曝光工艺技术为EUVEUV、X X射线图形射线图形曝光与离子束图形曝光，虽然这些技术都具有曝光与离子束图形曝光，虽然这些技术都具有100nm100nm或更或更高的分辨率，但每一个工艺都有其限制：电子束图形曝光高的分辨率，但每一个工艺都有其限制：电子束图形曝光的邻近效应、的邻近效应、EUVEUV图形曝光的掩膜版空片制作困难、图形曝光的掩膜版空片制作困难、X X射线射线图形曝光的掩膜版制作复杂、离子束图形曝光的随机空间图形曝光的掩膜版制作复杂、离子束图形曝光的随机空间电荷等。电荷等。v目前仍无法明确指出，谁才是光学图形曝光的明显继承者。目前仍无法明确指出，谁才是光学图形曝光的明显继承者。然而，一个混合搭配的方式，可以将每一种图形曝光工艺然而，一个混合搭配的方式，可以将每一种图形曝光工艺的特殊优点融合来改善分辨率和提高产率。的特殊优点融合来改善分辨率和提高产率。电子束图形曝光是掩膜版制作和用于探索新器件的纳米工艺的最佳选v 湿法腐蚀在半导体工艺中被广泛采用。它湿法腐蚀在半导体工艺中被广泛采用。它特别适用全面性的腐蚀。湿法化学腐蚀被特别适用全面性的腐蚀。湿法化学腐蚀被用于图案的转移，然而，掩蔽层下的横向用于图案的转移，然而，掩蔽层下的横向钻蚀现象将导致腐蚀图形的分辨率损失。钻蚀现象将导致腐蚀图形的分辨率损失。v干法刻蚀是为了得到较高精确度的图案转干法刻蚀是为了得到较高精确度的图案转移。干法刻蚀和等离子体辅助刻蚀是相同移。干法刻蚀和等离子体辅助刻蚀是相同的。的。湿法腐蚀在半导体工艺中被广泛采用。它特别适用全面性的腐蚀。v 未来刻蚀技术的挑战是：高的刻蚀选择比、未来刻蚀技术的挑战是：高的刻蚀选择比、更好的临界尺寸控制、低的高宽比相关性与低更好的临界尺寸控制、低的高宽比相关性与低等离子体导致的损伤。低压、高密度等离子体等离子体导致的损伤。低压、高密度等离子体反应器能满足这些要求。当工艺由反应器能满足这些要求。当工艺由200mm200mm发展发展到到300mm300mm，甚至更大的晶片是，晶片上的刻蚀，甚至更大的晶片是，晶片上的刻蚀均匀度更需要不断的改进，而更进一步的集成均匀度更需要不断的改进，而更进一步的集成化设计，必须发展更新的气体化学以提供更好化设计，必须发展更新的气体化学以提供更好的选择比。的选择比。未来刻蚀技术的挑战是：高的刻蚀选择比、更好的临界尺寸控制、121可编辑121可编辑