(s)第八章-光刻与刻蚀工艺汇编.ppt

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第八章光刻与刻蚀工艺主讲：毛维西安电子科技高校微电子学院 绪论光刻：通过光化学反应，将光刻版（mask）上的图形转移到光刻胶上。刻蚀：通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到Si片上光刻三要素：①光刻机②光刻版（掩膜版）③光刻胶ULSI对光刻的要求：高辨别率；高灵敏的光刻胶；低缺陷；精密的套刻对准； 绪论光刻胶三维图案线宽间隙厚度衬底光刻胶 绪论集成电路芯片的显微照片 绪论 接触型光刻机 步进型光刻机 绪论掩膜版与投影掩膜版投影掩膜版（reticle）是一个石英版，它包含了要在硅片上重复生成的图形。就像投影用的电影胶片的底片一样。这种图形可能仅包含一个管芯，也可能是几个。光掩膜版（photomask）常被称为掩膜版(mask)，它包含了对于整个硅片来说确定一工艺层所需的完整管芯阵列。 绪论掩膜版的质量要求：若每块掩膜版上图形成品率＝90％，则6块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）6＝53％；10块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）10＝35％；15块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）15＝21％；最终的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。 绪论特征尺寸（关键尺寸）在集成电路领域，特征尺寸是指半导体器件中的最小尺寸。在CMOS工艺中，特征尺寸典型代表为“栅”的宽度，也即MOS器件的沟道长度。一般来说，特征尺寸越小，芯片的集成度越高，性能越好，功耗越低。关键尺寸常用做描述器件工艺技术的节点或称为某一代。0.25μm以下工艺技术的节点是0.18μm、0.15μm、0.1μm等。套准精度光刻要求硅片表面上存在的图案与掩膜版上的图形精确对准，一般而言，器件结构允许的套刻误差为器件特征尺寸的三分之一左右，当图形形成要多次用到掩膜版时，任何套准误差都会影响硅片表面上不同图案间总的布局宽容度。而大的套准容差会减小电路密度，即限制了器件的特征尺寸，从而降低IC性能。 绪论CleanRoom干净等级：尘埃数/m3；（尘埃尺寸为0.5μm）10万级：≤350万，单晶制备；1万级：≤35万，封装、测试；1000级：≤35000，扩散、CVD；100级：≤3500，光刻、制版；深亚微米器件（尘埃尺寸为0.1μm）10级：≤350，光刻、制版；1级：≤35，光刻、制版； 8.1光刻工艺流程主要步骤：涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀、去胶。两种基本工艺类型：负性光刻和正性光刻。 n-SiSiO2光刻胶光照掩膜版负性光刻 n-SiSiO2光刻胶掩膜版光照不透光 n-SiSiO2SiO2腐蚀液光刻胶 n-Si光刻胶 n-Si 紫外光岛状曝光区域变成交互链结，可抗显影液之化学物质。光刻胶显影后的图案窗口光阻曝光区域光刻胶上的影子玻璃掩膜版上的铬图案硅基板光刻胶氧化层光刻胶氧化层硅基板负性光刻 n-SiSiO2光刻胶光照掩膜版正性光刻 n-SiSiO2光刻胶掩膜版光照不透光 n-SiSiO2SiO2腐蚀液光刻胶 n-Si光刻胶 n-Si 正性光刻photoresistsiliconsubstrateoxideoxidesiliconsubstratephotoresist紫外光岛状曝光的区域溶解去除光刻显影后呈现的图案光刻胶上阴影光刻胶曝光区域光刻掩膜版之铬岛窗口硅基板光刻胶氧化物光阻氧化物硅基板 印制在晶圆上所需求的光刻胶结构图案窗口基板光刻胶岛石英铬岛负光刻胶用所需的光刻图案(与所要的图案相反)正光刻胶用所需的光刻图案(与所要的图案相同) 8.1光刻工艺流程PMOSFETNMOSFETCMOS反相器之横截面CMOS反相器之上视图光刻层决定后续制程的精确性。光刻图案使各层有适当的位置、方向及结构大小，以利于蚀刻及离子植入。 8.1光刻工艺流程8.1.1涂胶1.涂胶前的Si片处理(以在SiO2表面光刻为例)SiO2:亲水性；光刻胶：疏水性；①脱水烘焙:去除水分②HMDS：增加附着力HMDS：六甲基乙硅氮烷——(CH3)6Si2NH作用：去掉SiO2表面的-OHHMDS热板脱水烘焙和气相成底膜 8.1光刻工艺流程8.1.1涂胶2.涂胶①对涂胶的要求：粘附良好，匀整，薄厚适当胶膜太薄－针孔多，抗蚀性差；胶膜太厚－辨别率低（辨别率是膜厚的5－8倍）②涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂√ 8.1光刻工艺流程8.1.2前烘①作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；增加胶膜与SiO2（Al膜等）的粘附性及耐磨性。②影响因素：温度，时间。烘焙不足（温度太低或时间太短）——显影时易浮胶，图形易变形。烘焙时间过长——增感剂挥发，导致曝光时间增长，甚至显不出图形。烘焙温度过高——光刻胶黏附性降低，光刻胶中的感光剂发生反应（胶膜硬化），不易溶于显影液，导致显影不干净。在真空热板上软烘 8.1光刻工艺流程8.1.3曝光：光学曝光、X射线曝光、电子束曝光①光学曝光－紫外，深紫外ⅰ）光源：高压汞灯：产生紫外(UV）光，光谱范围为350~450nm。准分子激光器：产生深紫外(DUV）光，光谱范围为180nm～330nm。KrF：λ=248nm；ArF：λ=193nm；F2：λ=157nm。 8.1光刻工艺流程ⅱ）曝光方式a.接触式：硅片与光刻版紧密接触。b.接近式：硅片与光刻版保持5-50μm间距。c.投影式：利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上 8.1光刻工艺流程②电子束曝光：λ＝几十~100Å；优点：辨别率高；不需光刻版（直写式）；缺点：产量低；③X射线曝光λ＝2~40Å，软X射线；X射线曝光的特点：辨别率高，产量大。 8.1光刻工艺流程8.1.4显影①作用：将未感光的负胶或感光的正胶溶解去除，显现出所需的图形。②显影液：专用正胶显影液：含水的碱性显影液，如KOH、TMAH(四甲基氢氧化胺水溶液)，等。负胶显影液：有机溶剂，如丙酮、甲苯等。例，KPR（负胶）的显影液：丁酮－最志向；甲苯－图形清晰度稍差；三氯乙烯－毒性大。 8.1光刻工艺流程③影响显影效果的主要因素：ⅰ）曝光时间；ⅱ）前烘的温度与时间；ⅲ）胶膜的厚度；ⅳ）显影液的浓度；ⅴ）显影液的温度；④显影时间适当t太短：可能留下光刻胶薄层→阻挡腐蚀SiO2(金属）→氧化层“小岛”。t太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶→图形边缘破坏。 8.1光刻工艺流程8.1.5坚膜①作用：使软化、膨胀的胶膜与硅片粘附更牢；增加胶膜的抗蚀实力。②方法ⅰ）恒温烘箱：180－200℃，30min；ⅱ）红外灯：照射10min，距离6cm。③温度与时间ⅰ）坚膜不足：腐蚀时易浮胶，易侧蚀；ⅱ）坚膜过度：胶膜热膨胀→翘曲、剥落→腐蚀时易浮胶或钻蚀。若T>300℃：光刻胶分解，失去抗蚀实力。 8.1光刻工艺流程8.1.6腐蚀（刻蚀）①对腐蚀液（气体）的要求：既能腐蚀掉袒露的SiO2（金属），又不损伤光刻胶。②腐蚀的方法ⅰ)湿法腐蚀：腐蚀剂是化学溶液。特点：各向同性腐蚀。ⅱ)干法腐蚀：腐蚀剂是活性气体，如等离子体。特点：辨别率高；各向异性强。8.1.7去胶①湿法去胶无机溶液去胶：H2SO4（负胶）；有机溶液去胶：丙酮（正胶）；②干法去胶：O2等离子体； 8.2辨别率辨别率R——表征光刻精度光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。表示方法：每mm最多可容纳的线条数。若可辨别的最小线宽为L（线条间隔也L），则R＝1/(2L)(mm-1)1.影响R的主要因素：①曝光系统（光刻机）：X射线（电子束）的R高于紫外光。②光刻胶：正胶的R高于负胶；③其他：掩模版、衬底、显影、工艺、操作者等。 8.2辨别率2.衍射对R的限制设一随意粒子（光子、电子），依据不确定关系，有ΔLΔp≥h粒子束动量的最大变更为Δp=2p，相应地若ΔL为线宽，即为最细线宽，则最高辨别率 ①对光子：p=h/λ，故。上式物理含义：光的衍射限制了线宽≥λ/2。最高辨别率：②对电子、离子：具有波粒二象性（德布罗意波），则，最细线宽：结论：a.E给定：m↑→ΔL↓→R↑，即R离子>R电子b.m给定：E↑→ΔL↓→R↑ 8.3光刻胶的基本属性1.类型：正胶和负胶①正胶：显影时，感光部分溶解，未感光部分不溶解；②负胶：显影时，感光部分不溶解，不感光部分溶解。 8.3光刻胶的基本属性2.组份：基体（树脂）材料、感光材料、溶剂；例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（负胶）①基体、感光剂－聚乙烯醇肉桂酸脂浓度：5-10%②溶剂－环己酮浓度：90－95％③增感剂－5-硝基苊浓度：0.5-1%聚乙烯醇肉桂酸脂（KPR）的光聚合反应 8.3光刻胶的基本属性8.3.1对比度γ表征曝光量与光刻胶留膜率的关系；以正胶为例临界曝光量D0：使胶膜起先溶解所需最小曝光量；阈值曝光量D100：使胶膜完全溶解所需最小曝光量； 8.3.1对比度γ直线斜率（对比度）：对正胶对负胶γ越大，光刻胶线条边缘越陡。 8.3光刻胶的基本属性8.3.3光敏度S——完成所需图形的最小曝光量；表征：S=n/E，E-曝光量（lx·s，勒克斯·秒）；n-比例系数；光敏度S是光刻胶对光的敏感程度的表征；正胶的S大于负胶8.3.4抗蚀实力表征光刻胶耐酸碱（或等离子体）腐蚀的程度。对湿法腐蚀：抗蚀实力较强；干法腐蚀：抗蚀实力较差。正胶抗蚀实力大于负胶；抗蚀性与辨别率的冲突：辨别率越高，抗蚀性越差； 8.3光刻胶的基本属性8.3.5黏着力表征光刻胶与衬底间粘附的坚实程度。评价方法：光刻后的钻蚀程度，即钻蚀量越小，粘附性越好。增加黏着力的方法：①涂胶前的脱水；②HMDS；③提高坚膜的温度。8.3.6溶解度和黏滞度8.3.7微粒数量和金属含量8.3.8存储寿命 8.5抗反射涂层工艺8.5.1驻波效应穿过光刻胶膜到达衬底表面，并在衬底表面被反射又回到光刻胶中反射光波与光刻胶中的入射光波发生干涉，形成驻波。影响：导致曝光的线宽发生变更。8.5.2底层抗反射涂层(BARC)作用：利用反射光波的干涉，减弱驻波效应。制作：PVD法、CVD法。 8.6紫外光曝光光源：紫外（UV）、深紫外（DUV）；方法：接触式、接近式、投影式。光谱能量紫外（UV）光始终是形成光刻图形常用的能量源，并会在接下来的一段时间内接着沿用（包括0.1μm或者更小的工艺节点的器件制造中）。大体上说，深紫外光(DUV)指的是波长在300nm以下的光。8.6.1水银弧光灯（高压汞灯）光源波长：UV，350－450nm，usedfor0.5，0.35μm；g线：λ=436nm，h线：λ=405nm，i线：λ=365nm。 对于光刻曝光的重要UV波长 部分电磁频谱可见光射频波微波红外光射线UVX射线f(Hz)1010101010101010101046810121416221820(m)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUVl(nm)在光学曝光中常用的UV波长 8.6紫外光曝光8.6.3准分子激光DUV光源准分子：只在激发态下存在，基态下分别成原子。波长：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。8.6.4接近式曝光硅片与光刻版保持5~50μm间距。优点：光刻版寿命长。缺点：光衍射效应严峻--辨别率低（线宽>3μm）。 8.6.5接触式曝光硅片与光刻版紧密接触。优点：光衍射效应小，辨别率高。缺点：对准困难，掩膜图形易损伤，成品率低。8.6.6投影式曝光利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上。优点：光刻版不受损伤，对准精度高。缺点：光学系统困难，对物镜成像要求高。用于3μm以下光刻。 投影式曝光原理：两像点能够被辨别的最小间隔：δy=1.22λf/D引入数值孔径NA描述透镜性能：NA=nsinα=D/2fn—透镜到硅片间的介质折射率；α—像点张角故δy=0.61λ/NA若NA=0.4,λ=400nm,δy=0.61μm.若n增大，NA增大，则δy减小，即辨别率提高。传统式：n=1(空气），NA(最大）=0.93，最小辨别率-52nm.浸入式：n>1(水），λ=193nm，NA(最大）=1.2，最小辨别率-40nm. 分步重复投影光刻机--Stepper接受折射式光学系统和4X~5X的缩小透镜。光刻版：4X~5X；曝光场：一次曝光只有硅片的一部分；接受了分步对准聚焦技术。 8.7掩模版（光刻版）的制造8.7.1基版材料：玻璃、石英。要求：透光度高，热膨胀系数与掩膜材料匹配。8.7.2掩膜材料：①金属版（Cr版）：Cr2O3抗反射层/金属Cr/Cr2O3基层特点：针孔少，强度高，辨别率高。②乳胶版－卤化银乳胶特点：辨别率低（2-3μm），易划伤。8.7.4移相掩模（PSM）PSM：Phase-ShiftMask作用：消退干涉，提高辨别率；原理：利用移相产生干涉，抵消图形边缘的光衍射效应。 8.8X射线曝光曝光方法：接近式曝光。X射线光源：通过高能电子束轰击一个金属靶产生。（波长为2～40埃）优点：小尺寸曝光。缺点：存在图形的畸变(半影畸变δ和几何畸变∆)。半影畸变δ几何畸变∆X射线曝光 8.9电子束直写式曝光曝光原理：电子与光刻胶碰撞作用，发生化学反应。适用最小尺寸：≤0.1~0.25μm电子束曝光的辨别率主要取决于电子散射的作用范围。(缺点)邻近效应——由于背散射使大面积的光刻胶层发生程度不同的曝光，导致大面积的图形模糊，造成曝光图形出现畸变。减小邻近效应的方法：减小入射电子束的能量，或接受低原子序数的衬底与光刻胶。SCALPEL技术：接受原子序数低的SiNX薄膜和原子序数高的Cr/W制作的掩模版，产生散射式掩膜技术。特点:结合了电子束曝光的高分辨率和光学分步重复投影曝光的高效率；掩模版制备更加简洁。 8.10ULSI对图形转移的要求8.10.1图形转移的保真度(腐蚀的各向异性的程度：)式中：V1—侧向腐蚀速率；VV—纵向腐蚀速率；h—腐蚀层的厚度；—图形侧向展宽量。若A=1，表示图形转移过程产无失真；若A=0，表示图形失真严峻(各向同性腐蚀)8.10.2选择比两种不同材料在腐蚀的过程中被腐蚀的速率比。作用：描述图形转移中各层材料的相互影响 8.11湿法刻蚀特点：各相同性腐蚀。优点：工艺简洁，腐蚀选择性好。缺点：钻蚀严峻（各向异性差），难于获得精细图形。（刻蚀3μm以上线条）刻蚀的材料：Si、SiO2、Si3N4；8.11.1Si的湿法刻蚀常用腐蚀剂①HNO3-HF-H2O(HAC)混合液：HNO3：强氧化剂；HF：腐蚀SiO2；HAC：抑制HNO3的分解；Si+HNO3+HF→H2[SiF6]+HNO2+H2O+H2②KOH-异丙醇衬底膜胶 8.11.2SiO2的湿法腐蚀常用配方(KPR胶）：HF:NH4F:H2O=3ml:6g:10ml(HF溶液浓度为48％)HF：腐蚀剂，SiO2+HF→H2[SiF6]+H2ONH4F：缓冲剂，NH4F→NH3↑+HF8.11.3Si3N4的湿法腐蚀腐蚀液：热H3PO4(130~150℃)。 8.12干法腐蚀优点：各向异性腐蚀强；辨别率高；刻蚀3μm以下线条。类型：①等离子体刻蚀：化学性刻蚀；②溅射刻蚀：纯物理刻蚀；③反应离子刻蚀（RIE）：结合①、②；ICP-98C型高密度等离子体刻蚀机SLR730负荷锁定RIE反应离子刻蚀系统 8.12.1干法刻蚀的原理①等离子体刻蚀原理a.产生等离子体:刻蚀气体经辉光放电后，成为具有很强化学活性的离子及游离基--等离子体。CF4RFCF3*、CF2*、CF*、F*BCl3RFBCl3*、BCl2*、Cl*b.等离子体活性基团与被刻蚀材料发生化学反应。特点：选择性好；各向异性差。刻蚀气体：CF4、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。 8.12.1干法刻蚀的原理②溅射刻蚀原理a.形成能量很高的等离子体；b.等离子体轰击被刻蚀的材料，使其被撞原子飞溅出来，形成刻蚀。特点：各向异性好；选择性差。刻蚀气体：惰性气体；③反应离子刻蚀原理同时利用了溅射刻蚀和等离子刻蚀机制；特点：各向异性和选择性兼顾。刻蚀气体：与等离子体刻蚀相同。 8.12.2SiO2和Si的干法刻蚀刻蚀剂：CF4、CHF3、C2F6、SF6、C3F8；等离子体：CF4→CF3*、CF2*、CF*、F*化学反应刻蚀：F*+Si→SiF4↑F*+SiO2→SiF4↑+O2↑CF3*+SiO2→SiF4↑+CO↑+CO2↑刻蚀总结：湿法刻蚀（刻蚀3μm以上线条）优点：工艺简洁，选择性好。缺点：各向异性差，难于获得精细图形。干法腐蚀（刻蚀3μm以下线条）优点：各向异性强；辨别率高。 实际工艺：①CF4中加入O2作用：调整选择比；机理：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，影响Si刻蚀；②CF4中加H2作用：调整选择比；机理：F*+H*(H2)→HFCFX*(x≤3)+Si→SiF4+C(吸附在Si表面）CFX*(x≤3)+SiO2→SiF4+CO+CO2+COF2 8.12.3Si3N4的干法刻蚀刻蚀剂：与刻蚀Si、SiO2相同。Si3N4＋F*→SiF4↑+N2↑刻蚀速率：刻蚀速率介于SiO2与Si之间；（Si-N键强度介于Si-O键和Si-Si键）选择性：①CF4：刻蚀Si3N4/SiO2--选择性差；②CHF3：刻蚀Si3N4/SiO2--选择性为2-4。刻蚀Si3N4/Si--选择性为3-5；刻蚀SiO2/Si--选择性大于10； 8.12.4多晶硅与金属硅化物的干法刻蚀多晶硅/金属硅化物结构：MOS器件的栅极；栅极尺寸：确定MOSFET性能的关键；金属硅化物：WSi2、TiSi2；腐蚀要求：各向异性和选择性都高--干法腐蚀；刻蚀剂：CF4、SF6、Cl2、HCl；腐蚀硅化物：CF4+WSi2→WF4↑+SiF4↑+CCl2+WSi2→WCl4↑+SiCl4↑腐蚀poly-Si：氟化物（CF4、SF6）--为各向同性刻蚀；氯化物（Cl2、HCl）--为各向异性刻蚀，选择性好（对多晶硅/SiO2）。 8.12.5铝及铝合金的干法腐蚀铝及铝合金的用途：栅电极、互连线、接触；铝合金：Al-Si、Al-Au、Al-Cu；刻蚀方法：RIE、等离子体；刻蚀剂：BCl3、CCl4、CHCl3；Cl*+Al→AlCl3↑Cl*+Al-Si→AlCl3↑+SiCl4↑Cl*+Al-Cu→AlCl3↑+CuCl2（不挥发）几个工艺问题：①Al2O3的去除：溅射、湿法腐蚀；②CuCl2的去除：湿法腐蚀、溅射；③刻蚀后的侵蚀：HCl+Al→AlCl3↑+H2