光刻與刻蝕工藝

光刻與刻蝕工藝第一頁，共七十三頁，2022年，8月28日第八章光刻與刻蝕工藝IC制造中最重要的工藝：①決定著芯片的最小特征尺寸②占芯片制造時間的40-50%③占制造成本的30%光刻：通過光化學反應，將光刻版（mask）上的圖形轉移到光刻膠上?？涛g：通過腐蝕，將光刻膠上圖形完整地轉移到Si片上光刻三要素：①光刻機②光刻版（掩膜版）③光刻膠ULSI對光刻的要求：高分辨率；高靈敏的光刻膠；低缺陷；精密的套刻對準；第二頁，共七十三頁，2022年，8月28日第八章光刻與刻蝕工藝第三頁，共七十三頁，2022年，8月28日第四頁，共七十三頁，2022年，8月28日第五頁，共七十三頁，2022年，8月28日第六頁，共七十三頁，2022年，8月28日掩模版掩膜版的質量要求若每塊掩膜版上圖形成品率＝90％，則6塊光刻版，其管芯圖形成品率＝（90％）6＝53％；10塊光刻版，其管芯圖形成品率＝（90％）10＝35％；15塊光刻版，其管芯圖形成品率＝（90％）15＝21％；最后的管芯成品率當然比其圖形成品率還要低。掩膜版尺寸：①接觸式和接近式曝光機：1∶1②分步重復投影光刻機（Stepper）：

4∶1；5∶1；10∶1第七頁，共七十三頁，2022年，8月28日CleanRoom潔凈等級：塵埃數/m3；（塵埃尺寸為0.5μm）

10萬級：≤350萬，單晶制備；1萬級：≤35萬，封裝、測試；

1000級：≤35000，擴散、CVD；

100級：≤3500，光刻、制版；深亞微米器件（塵埃尺寸為0.1μm）

10級：≤350，光刻、制版；1級：≤35，光刻、制版；第八頁，共七十三頁，2022年，8月28日第九頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.1光刻工藝流程主要步驟：曝光、顯影、刻蝕第十頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.1光刻工藝流程8.1.1涂膠1.涂膠前的Si片處理

--例如SiO2光刻SiO2:親水性；光刻膠：疏水性；①脫水烘焙:去除水分②HMDS底膜：增強附著力HMDS：六甲基乙硅氮烷，(CH3)6Si2NH作用：去掉SiO2表面的-OH第十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日第十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.1光刻工藝流程2.涂膠SpinCoating①對涂膠的要求：粘附良好，均勻，薄厚適當膠膜太?。樋锥?，抗蝕性差；膠膜太厚－分辨率低（分辨率是膜厚的5－8倍）②涂膠方法：浸涂，噴涂，旋涂√第十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日PhotoresistSpinCoaterEBR:Edgebeadremoval邊緣修復第十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.1光刻工藝流程8.1.2前烘SoftBake①作用：促進膠膜內溶劑充分揮發(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（膠膜硬化），不易溶于顯影液，導致顯影不干凈。

第十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.1光刻工藝流程8.1.3曝光Exposure

光學曝光、X射線曝光、電子束曝光①光學曝光－紫外，深紫外?。┕庠矗焊邏汗療簦鹤贤?UV），300－450nm；

i線365nm，h線405nm，g線436nm。準分子激光：深紫外(DUV），180nm～330nm。

KrF：λ=248nm；

ArF：λ=193nm；F2激光器：λ=157nm。第十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.1光刻工藝流程高壓汞燈紫外光譜第十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.1光刻工藝流程ⅱ）曝光方式（曝光機）a.接觸式：硅片與光刻版緊密接觸。b.接近式：硅片與光刻版保持5-50μm間距。c.投影式：利用光學系統(tǒng)，將光刻版的圖形投影在硅片上

第十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日接觸式曝光示意圖步進-重復（Stepper）曝光示意圖第十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.1光刻工藝流程②電子束曝光：λ＝幾十---100?；優(yōu)點：分辨率高；不需光刻版（直寫式）；缺點：產量低（適于制備光刻版）；③X射線曝光：λ＝2---40?，軟X射線；X射線曝光的特點：分辨率高，產量大。④極短紫外光（EUV）：λ＝10—14nm；下一代曝光方法第二十頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.1光刻工藝流程8.1.4顯影Development①作用：將未感光的負膠或感光的正膠溶解去除，顯現出所需的圖形。②顯影液：專用正膠顯影液：含水的堿性顯影液，如KOH、TMAH(四甲基氫氧化胺水溶液)，等。負膠顯影液：有機溶劑，如丙酮、甲苯等。例，KPR（負膠）的顯影液：丁酮－最理想；甲苯－圖形清晰度稍差；三氯乙烯－毒性大。第二十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.1光刻工藝流程③影響顯影效果的主要因素：

ⅰ）曝光時間；

ⅱ）前烘的溫度與時間；

ⅲ）膠膜的厚度；

ⅳ）顯影液的濃度；

ⅴ）顯影液的溫度；④顯影時間適當t太短：可能留下光刻膠薄層→阻擋腐蝕SiO2(金屬）→氧化層“小島”。t太長：光刻膠軟化、膨脹、鉆溶、浮膠→圖形邊緣破壞。第二十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日涂膠→曝光→顯影→刻蝕第二十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日顯影后剖面正常顯影過顯影不完全顯影欠顯影第二十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.1光刻工藝流程8.1.5堅膜HardBake①作用：使軟化、膨脹的膠膜與硅片粘附更牢；增加膠膜的抗蝕能力。②方法?。┖銣睾嫦洌?80－200℃，30min；ⅱ）紅外燈：照射10min，距離6cm。③溫度與時間ⅰ）堅膜不足：腐蝕時易浮膠，易側蝕；ⅱ）堅膜過度：膠膜熱膨脹→翹曲、剝落→腐蝕時易浮膠或鉆蝕。若T>300℃：光刻膠分解，失去抗蝕能力。正常堅膜過堅膜第二十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.1光刻工藝流程8.1.6刻蝕（腐蝕）①對腐蝕液（氣體）的要求：既能腐蝕掉裸露的SiO2（金屬），又不損傷光刻膠。②刻蝕腐蝕的方法?。穹ǜg：腐蝕劑是化學溶液。特點：各向同性腐蝕；分辨率低（粗線條）。ⅱ)干法腐蝕：腐蝕劑是活性氣體，如等離子體。特點：各向異性強；分辨率高（細線條）。第二十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.1光刻工藝流程8.1.7去膠①濕法去膠無機溶液去膠：H2SO4（負膠）；有機溶液去膠：丙酮（正膠）；②干法去膠：O2等離子體；第二十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日1)清洗硅片WaferClean2)預烘和打底膠

Pre-bakeandPrimerVapor3）涂膠PhotoresistCoating4）前烘SoftBake光刻工藝PhotolithographyProcess第二十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日5）對準Alignment6）曝光Exposure7）后烘PostExposureBake8）顯影Development光刻工藝PhotolithographyProcess第二十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日9）堅膜HardBake10）圖形檢測PatternInspection光刻工藝PhotolithographyProcess第三十頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.2分辨率分辨率R－表征光刻精度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。（或最細線條尺寸）若可分辨的最小線寬為L（線條間隔也L），則R＝1/(2L)(mm-1)或R=K1λ/NA（μm）---投影式曝光K1-系統(tǒng)常數,λ-波長,NA-數值孔徑（凸鏡收集衍射光的能力）1.影響R的主要因素：①曝光系統(tǒng)（光刻機）：如X射線（電子束）的R高于紫外光。②光刻膠：正膠的R高于負膠；③其他：掩模版、襯底、顯影、工藝、操作者等。第三十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日表1影響光刻工藝效果的一些參數第三十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.2分辨率2.衍射對R的限制設一任意粒子（光子、電子），根據不確定關系，有

ΔLΔp≥h粒子束動量的最大變化為Δp=2p，相應地若ΔL為線寬，即為最細線寬，則最高分辨率

第三十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日①對光子：p=h/λ，故。物理含義：光的衍射限制了線寬≥λ/2。最高分辨率限制：②對電子、離子：具有波粒二象性（德布羅意波），則，

最細線寬：a.E給定：m↑→ΔL↓→R↑，即R離子>R電子

b.m給定：E↑→ΔL↓→R↑第三十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.3光刻膠的

基本屬性1）光刻膠類型：正膠和負膠①正膠：顯影時，感光部分溶解，未感光部分不溶解；②負膠：顯影時，感光部分不溶解，不感光部分溶解。第三十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日正膠（重氮萘醌）的光分解機理第三十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日負膠（聚乙烯醇肉桂酸脂）的光聚合機理第三十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日聚合物材料固體有機材料光照下不發(fā)生化學反應作用：保證光刻膠薄膜的附著性和抗腐蝕性感光材料當被曝光時發(fā)生光化學反應而改變溶解性正性光刻膠：由不溶變?yōu)榭扇茇撔怨饪棠z：由可溶變?yōu)椴蝗?）光刻膠的組分：基體（聚合物）材料、

感光材料、溶劑8.3光刻膠的基本屬性第三十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日溶劑使光刻膠在涂到硅片表面之前保持液態(tài)允許采用旋涂的方法獲得薄層光刻膠薄膜添加劑不同的添加劑獲得不同的工藝結果如：染料，降低反射;增感劑，增大曝光范圍。2）光刻膠的組分：基體（聚合物）材料、

感光材料、溶劑第三十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.3光刻膠的基本屬性例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（負膠）①基體、感光劑－聚乙烯醇肉桂酸脂濃度：5-10%②溶劑－環(huán)己酮濃度：90－95％③增感劑－5-硝基苊濃度：0.5-1%第四十頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.3光刻膠的基本屬性3）光刻膠光敏度S：完成所需圖形的最小曝光量；表征：S=n/E，

E-曝光量（lx·s，勒克斯·秒）；n-比例系數；光敏度S是光刻膠對光的敏感程度的表征；正膠的S大于負膠第四十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.3光刻膠的基本屬性4）光刻膠抗蝕能力表征光刻膠耐酸堿（或等離子體）腐蝕的程度。對濕法腐蝕：抗蝕能力較強；干法腐蝕：抗蝕能力較差。負膠抗蝕能力大于正膠；抗蝕性與分辨率的矛盾：分辨率越高，抗蝕性越差；第四十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.6紫外光曝光光源：紫外（UV）、深紫外（DUV）；方法：接觸式、接近式、投影式；8.6.1水銀弧光燈（高壓汞燈）波長：UV，300－450nm，usedfor0.5，0.35μm；

g線：λ=436nm，

i線：λ=365nm。第四十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.6紫外光曝光8.6.3準分子激光：準分子：只在激發(fā)態(tài)下存在，基態(tài)下分離成原子。波長：DUV，180nm～330nm。

KrF-λ=248nm，for0.25，0.18μm，0.13μm；

ArF-λ=193nm，for<0.13μm（90nm，65nm）；

F2-λ=157nm，for100-70nm。

第四十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.6.4接近式曝光硅片與光刻版保持5－50μm間距。優(yōu)點：光刻版壽命長。缺點：光衍射效應嚴重—分辨率低（線寬>3μm）。

第四十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.6.5接觸式曝光硅片與光刻版緊密接觸。優(yōu)點：光衍射效應小，分辨率高。缺點：對準困難，掩膜圖形易損傷，成品率低。第四十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.6.6投影式曝光利用光學系統(tǒng)，將光刻版的圖形投影在硅片上。第四十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.6.6投影式曝光優(yōu)點：光刻版不受損傷，對準精度高。缺點：光學系統(tǒng)復雜，對物鏡成像要求高。用于3μm以下光刻。第四十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日分步重復投影光刻機--Stepper采用折射式光學系統(tǒng)和4X~5X的縮小透鏡。光刻版：4X~5X；曝光場：一次曝光只有硅片的一部分；采用了分步對準聚焦技術。第四十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日Stepper第五十頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.7掩模版（光刻版）Mask8.7.1基版材料：玻璃、石英。要求：透光度高，熱膨脹系數與掩膜材料匹配。8.7.2掩膜材料：①金屬版（Cr版）：

Cr2O3抗反射層/金屬Cr/Cr2O3基層特點：針孔少，強度高，分辨率高。②乳膠版－鹵化銀乳膠特點：分辨率低（2-3μm），易劃傷。第五十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.7掩模版（光刻版）Mask8.7.4移相掩模（PSM）PSM：Phase-ShiftMask作用：消除干涉，提高分辨率；原理：在Mask的透明圖形上增加一個透明的介質層-移相器，使光通過后產生1800的相位差。第五十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日基本概念刻蝕：從Si片表面去除不需要的材料，如Si、SiO2，金屬、光刻膠等化學、物理過程或兩者結合：濕法和干法各向同性與各向異性：選擇性或覆蓋刻蝕選擇性刻蝕轉移光刻膠上的IC設計圖形到晶圓表面其它應用:制造掩膜,印制電路板,藝術品,等等Etch刻蝕第五十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日1）柵掩膜對準GateMaskAlignment2）柵掩膜曝光GateMaskExposure3）Development/HardBake/Inspection4）刻蝕多晶硅EtchPolysilicon刻蝕工藝舉例第五十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日5）繼續(xù)EtchPolysilicon6）光刻膠剝離StripPhotoresist7）離子注入IonImplantation8）快速熱退化RTA刻蝕工藝舉例第五十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.11濕法刻蝕特點：各相同性腐蝕。優(yōu)點：工藝簡單，腐蝕選擇性好。缺點：鉆蝕嚴重（各向異性差），難于獲得精細圖形。（刻蝕3μm以上線條）刻蝕的材料：Si、SiO2、Si3N4及金屬；利用化學溶液溶解硅表面的材料三個基本過程：刻蝕、漂洗、干燥第五十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.11.1Si的濕法刻蝕常用腐蝕劑①HNO3-HF-H2O(HAC)混合液

HNO3：強氧化劑；

HF：腐蝕SiO2；

HAC：抑制HNO3的分解；

Si+HNO3+HF→H2[SiF6]+HNO2+H2O+H2②KOH-異丙醇第五十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.11.2SiO2的濕法腐蝕常用配方：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

第五十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.11.3Si3N4的濕法腐蝕腐蝕液：熱H3PO4，180℃；第五十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.12干法腐蝕優(yōu)點：各向異性腐蝕強；分辨率高；刻蝕3μm以下線條。類型：①等離子體刻蝕：化學性刻蝕；②濺射刻蝕：純物理刻蝕；③反應離子刻蝕（RIE）：結合①、②；第六十頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.12.1干法刻蝕的原理①等離子體刻蝕原理a.產生等離子體:刻蝕氣體經輝光放電后，成為具有很強化學活性的離子及游離基--等離子體。

CF4RFCF3*、CF2*

、CF*

、F*BCl3

RFBCl3*、BCl2*、Cl*b.等離子體活性基團與被刻蝕材料發(fā)生化學反應。特點：選擇性好；各向異性差?？涛g氣體：CF4、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。第六十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.12.1干法刻蝕的原理②濺射刻蝕原理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：各向異性好；選擇性差。刻蝕氣體：惰性氣體，Ar氣；第六十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.12.1干法刻蝕的原理③反應離子刻蝕原理同時利用了濺射刻蝕和等離子刻蝕機制；特點：各向異性和選擇性兼顧?？涛g氣體：與等離子體刻蝕相同。第六十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.12.2SiO2和Si的干法刻蝕刻蝕劑：CF4、CHF3、C2F6、SF6、C3F8

；等離子體：CF4→

CF3*、CF2*

、CF*

、F*化學反應刻蝕：F*+Si→SiF4↑F*+SiO2→SiF4↑+O2↑CF3*+SiO2→SiF4↑+CO↑+CO2↑

第六十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日實際工藝：①CF4中加入O2

作用：調整選擇比；機理：CF4+O2→F*+O*+COF*+COF2+CO+CO2

（初期：F*比例增加；后期：O2比例增加）

O2吸附在Si表面，影響Si刻蝕；第六十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日②CF4中加H2作用：調整選擇比；機理：F*+H*(H2)→HFCFX*(x≤3)+Si→SiF4+C(吸附在Si表面）CFX*(x≤3)+SiO2→SiF4+CO+CO2+COF2第六十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日8.12.3Si3N4的干法刻蝕刻蝕劑：與刻蝕Si、SiO2相同。

Si3N4＋F*→SiF4↑+N2↑刻蝕速率：刻蝕速率介于SiO2與Si之間；（Si-N鍵強度介于Si-O鍵和Si-Si鍵）選擇性：①CF4：刻蝕Si3N4/SiO2--選擇性差；②CHF3：刻蝕Si3N4/SiO2--選擇性為2-4?？涛gSi3N4/Si--選擇性為3-5；刻蝕SiO2/Si--