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第8章 光刻工艺,第8章 光刻工艺,本章目标：,1、熟悉光刻工艺的流程,2、能够区别正胶和负胶,3、了解对准和曝光的光学方法,4、解释湿法刻蚀和干法刻蚀的方法和优缺点,第8章 光刻工艺,一、概述 二、光刻胶 三、曝光、显影阶段 四、刻蚀、去胶阶段,第8章 光刻工艺,一、概述 1、光刻的定义 2、光刻的目的 3、光刻的目标 4、光刻工艺步骤概述,第8章光刻工艺 一、概述,1、光刻的定义,光刻是图形复印与腐蚀作用相结合，在晶片表面薄膜上制备图形的精密表面工艺技术。 英文术语是Photolithography(照相平板)，Photomasking（光掩模）等。,第8章光刻工艺 一、概述,2、光刻的目的,光刻的目的就是：在介质薄膜（二氧化硅、氮化硅、多晶硅等）、金属薄膜或金属合金薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。,第8章光刻工艺 一、概述,3、光刻的目标（教材P130最上部分）,（1）尽可能接近特征图形尺寸。 （2）在晶圆表面正确定位图形（称为Alignment或者Registration），包括套刻准确。,第8章光刻工艺 一、概述,4、光刻工艺步骤概述（*）,光刻蚀工艺: 首先是在掩膜版上形成所需的图形； 之后通过光刻工艺把所需要的图形转移到晶圆表面的每一层。（P130倒数第二段）,第8章光刻工艺 一、概述,4、光刻工艺步骤概述（*）,（1）图形转移的两个阶段 图形转移到光刻胶层,第8章光刻工艺 一、概述,4、光刻工艺步骤概述（*）,（1）图形转移的两个阶段 图形从光刻胶层转移到晶圆层,第8章 光刻工艺 一、概述,4、光刻工艺步骤概述（*） （2）十步法,第8章 光刻工艺,二、光刻胶 1、光刻胶的组成、分类 2、光刻胶的参数 3、正负胶比较 4、电子抗蚀剂 5、X-射线抗蚀剂,第8章光刻工艺 二、光刻胶,1、光刻胶的组成、分类,光刻时接受图像的介质称为光刻胶，以光刻胶构成的图形作为掩膜对薄膜进行腐蚀，图形就转移到晶片表面的薄膜上了，所以也将光刻胶称为抗蚀剂。,（1）光刻胶的分类, 根据曝光源和用途,A. 光学光刻胶（主要是紫外线） B. 电子抗蚀剂 C. X-射线抗蚀剂,第8章光刻工艺 二、光刻胶,1、光刻胶的组成、分类,（1）光刻胶的分类, 根据胶的极性,A. 正胶 B. 负胶,正胶：胶的曝光区在显影中除去。正胶曝光时发生光分解反应变成可溶的。 使用这种光刻胶时，能够得到与掩膜版遮光图案相同的图形，故称之为正胶。,负胶：胶的曝光区在显影中保留，用的较多。具体说来负胶在曝光前对某些有机溶剂（丙酮、丁酮、环己酮）是可溶的，而曝光后发生光聚合反应变成不可溶的。 使用这种光刻胶时，能够得到与掩膜版遮光图案相反的图形，故称之为负胶。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,1、光刻胶的组成、分类,（2）光刻胶的组成,光刻胶里面有4种基本成分：（参见教材P135）, 聚合物 光刻胶中对光和能量敏感的物质； 溶剂 其作用是使胶具有一定的粘度，能均匀涂覆； 光敏剂 有时也称为增感剂； 添加剂 达到特定效果；,第8章光刻工艺 二、光刻胶,2、光刻胶的参数,（1）感光度,用于表征光刻胶感光性能的。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,2、光刻胶的参数,（2）分辨率,指用某种光刻胶光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。 它是表征光刻精度或清晰度能力的标志之一。,分辨率通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目来表示。,通常正胶的分辨率高于负胶。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,2、光刻胶的参数,（3）抗蚀性,在湿法刻蚀中，要求光刻胶能较长时间的经受酸、碱的浸蚀； 在干法刻蚀中，要求光刻胶能较长时间的经受等离子体的作用。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,2、光刻胶的参数,（4）粘附性,光刻胶与衬底（二氧化硅、金属等）之间粘附的牢固程度直接影响到光刻的质量。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,2、光刻胶的参数,（5）针孔密度,单位面积上针孔数目称为针孔密度。光刻胶膜上的针孔在刻蚀过程中会传递到衬底上，危害极大。,光刻胶层越薄，针孔越多，但太厚了又降低光刻胶的分辨率。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,2、光刻胶的参数,（6）留膜率,留膜率是指曝光显影后的非溶性胶膜厚度与曝光前的胶膜厚度之比。,刻蚀时起掩蔽作用的是显影后非溶性的胶膜，所以希望光刻胶的留膜率越高越好。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,3、正、负胶的比较,（1）正、负胶和掩膜版极性的结合（参见教材P131和P132）,掩模板的图形是由不透光的区域决定的,在掩膜板上的图形是用相反的方式编码的,第8章光刻工艺 二、光刻胶,3、正、负胶的比较,（2）负胶,负胶大多数由长链高分子有机物组成。 例如：由顺聚异戊二烯、对辐照敏感的交联剂以及溶剂组成的负胶，响应波长330-430nm，胶膜厚度0.3-1m，显影液是有机溶剂如二甲苯等。曝光的顺聚异戊二烯在交联剂作用下交联，成为体形高分子并固化，不再溶于有机溶剂构成的显影液，而未曝光的长链高分子溶于显影液，显影时被去掉。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,1、光刻胶的组成、分类,（3）正胶,当前常用的正胶由以下物质组成的：酚醛树脂、光敏剂邻重氮醌和溶剂二甲氧基乙醛等。响应波长330-430nm，胶膜厚1-3m，显影液是氢氧化钠等碱性物质。曝光的光刻胶光分解后易溶于显影液，未曝光的胶膜难溶于碱性显影液。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,3、正胶、负胶的比较（*）,正胶 负胶 不易氧化 易氧化而使光刻胶膜变薄 成本高 成本低 图形边缘整齐、陡直，无溶胀现象 易吸收显影液而溶涨 分辨率更高 去胶较容易 抗蚀性强于正胶,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、电子抗蚀剂,正性抗蚀剂 在电子束辐射下发生胶联反应，由于胶联，分子变大变复杂，平均分子量增加。 负性抗蚀剂 在电子束辐射下发生降解反应。由于降解，分子链剪断、变短，成为小分子。 电子抗蚀剂对10-30kV的电子束灵敏，常用的正性抗蚀剂有PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），分辨率可达10nm；还有EBR-9（丙烯酸盐基类），灵敏度比PMMA高但最小分辨率只有0.2m。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,5、X-射线抗蚀剂,在电子抗蚀剂如PMMA中加入铯、铊等，能增加抗蚀剂对X-射线的吸收能力，可以使之作为X-射线抗蚀剂。,第8章 光刻工艺,三、曝光、显影阶段 1、表面准备 2、涂光刻胶 3、前烘 4、对准和曝光 5、显影,第8章 光刻工艺 三、曝光显影阶段,1、表面准备,（1）微粒清除,（2）保持衬底表面的憎水性（P144最下部分）, 室内湿度保持在50%以下，并尽可能快地进行光刻 把晶圆存储在干净的氮气净化过的干燥器 采用HF结尾的清洗工艺 脱水烘培 涂底胶（六甲基乙硅烷HMDS）（沉浸式或旋转式）,Wafer Clean Process（新方法）,第8章光刻工艺 二、光刻胶,2、涂光刻胶,要求： 胶膜均匀（均匀性达到正负0.01微米的误差） 达到预期的厚度 与衬底薄膜粘附性好 无灰尘和夹杂物 使用黄光或红光照明，防止光刻胶失效,第8章光刻工艺 二、光刻胶,2、涂光刻胶,（1）静态涂胶工艺,在光刻胶被分散开之后，高速旋转还要持续一段时间以便使光刻胶干燥。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,2、涂光刻胶 （1）静态涂胶工艺,第8章光刻工艺 二、光刻胶,2、涂光刻胶 （1）静态涂胶工艺,第8章光刻工艺 二、光刻胶,2、涂光刻胶,（2）动态喷洒,光刻胶旋涂机,光刻胶在旋转的圆片表面向外扩展 圆片吸在真空卡盘上 低速旋转 500 rpm 缓变上升至 3000 - 7000 rpm,实验室匀胶机,光刻胶旋涂机,EBR: Edge bead removal边缘修复,硅片自动输送轨道系统；真空卡盘吸住硅片；胶盘 排气系统；可控旋转马达；给胶管和给胶泵 边缘清洗（去边）,滴胶,光刻胶吸回,光刻胶旋涂,Photoresist Spin Coating,Photoresist Spin Coating,Edge Bead Removal（边缘修复）,Edge Bead Removal,Ready For Soft Bake（软烘焙）,Optical Edge Bead Removal（光学边缘修复）,Developer Spin Off（甩掉显影剂）,第8章光刻工艺 二、光刻胶,3、前烘 （1）目的, 使胶膜体内的溶剂充分挥发使胶膜干燥 增加胶膜和衬底的粘附性以及胶膜的耐磨性,第8章光刻工艺 二、光刻胶,3、前烘 （2）方法（根据热传递的三种方式）, 烘箱烘烤 热板处理 红外光照射,光刻2预烘,脱水烘焙 去除圆片表面的潮气 增强光刻胶与表面的黏附性 通常大约100 C 与底胶涂覆合并进行,光刻2底胶涂覆,增强光刻胶(PR)和圆片表面的黏附性 广泛使用: Hexamethyldisilazane (HMDS) 在PR旋转涂覆前HMDS蒸气涂覆 Usually performed in-situ with pre-bake PR涂覆前用冷却板冷却圆片,预烘和底胶蒸气涂覆,脱水烘培,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、对准和曝光 （1）概述,对准和曝光(A&E)： （教材P153最下） 把所需图形在晶圆表面上定位或对准 通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上,光刻胶是光刻工艺的材料核心 A&E则是光刻工艺的设备核心。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、对准和曝光 （2）对准,对准原则： （教材P155最下面）,第一个掩膜版的对准是把掩膜版上的y轴与晶圆上的平边成90度放置； 后续的掩膜版都用对准标记与上一层带有图形的掩膜对准。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、对准和曝光 （2）对准,对准误差： （教材P155最下面）, X或Y方向的平移； 转动,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、对准和曝光 （3）曝光光源,对图像的改进方法： （见教材P155） 使用狭波或单一波长的曝光光源 准直平行光 控制掩膜版和光刻胶之间的距离,常见曝光源： （见教材P155） 高压汞灯产生紫外光（UV） 准分子激光器 电子束 X射线,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、对准和曝光 （4）曝光方法,参见教材P154图8.43, 光学曝光 A：接触式 B：接近式 C：投影式 D：步进式 非光学曝光 A：电子束 B：X射线,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、对准和曝光 （4）曝光方法,由于衍射极限的限制，在超大规模集成电路的生产上光学光刻已逐渐被电子束光刻，X-射线光刻等新技术代替。但是光学光刻在对分辨率要求不高的器件和电路上仍被普遍采用。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、对准和曝光 （4）曝光方法, 光学曝光 A：接触式（教材P156）,接触式曝光需要人工在显微镜下观察和套准图形并使硅片与掩膜版紧贴，光刻精度受到光学和机械系统以及操作者的熟练程度的限制。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、对准和曝光 （4）曝光方法, 光学曝光 A：接触式（教材P156）,缺点：接触会损坏掩膜版和较软的光刻胶层； 掩膜版寿命低。,接触式光刻机用于分立器件，低集成度和中度集成度的电路。,接触式光刻机,设备简单 70年代中期前使 用 分辨率:有微米 级的能力 掩膜版和硅片直 接接触,掩膜版 寿命短,接触式光刻机,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、对准和曝光 （4）曝光方法, 光学曝光 B：接近式（教材P157）,接近式光刻是分辨率和缺陷密度的权衡。它以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命。只有采用高度平行的光束曝光来减少散射带来的影响。,接近式光刻是接触式光刻机的自然演变。有时也称软接触式。,接近式光刻机,距硅片表面 10微米 无直接接触 更长的掩膜 寿命 分辨率:3m,接近式光刻机,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、对准和曝光 （4）曝光方法, 光学曝光 C：投影式,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、对准和曝光 （4）曝光方法, 光学曝光 C：投影式,投影式曝光和接触式曝光相比有以下优点：,a 避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命； b 掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多，克服了小图形制版的困难； c 消除了掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应,投影式曝光的缺点：,a 光刻设备有许多镜头需要特制，设备复杂。,投影光刻机（扫描型）,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、对准和曝光 （4）曝光方法, 光学曝光 D：步进式（P159）,使用带有一个芯片或几个芯片图形的掩膜版逐一对准、曝光，然后移动到下一个曝光场，重复这样的过程。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、对准和曝光 （4）曝光方法, 光学曝光 D：步进式（P159）,优点：,a 由于每次曝光区域变小分辨率得以提高。 b 这种掩膜版比全局掩膜版质量高，因此产生缺陷的数量就更小。,生产关键：,自动对准系统的实现。,掩膜版：,1:1掩膜版或510倍的掩膜版，5倍最佳。,步进光刻机,先进的IC 中最流行的光刻设备 高分辨率 0.25微米或以下 非常昂贵 掩膜图形尺寸5X：10X能够得到更好的分辨率，但是，它的曝光时间是5X的四倍。曝光时间和分辨率折中的结果。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、对准和曝光 （4）曝光方法, 电子束曝光,电子束与光一样，它的能量也可以使光刻胶发生化学反应，使之感光。,电子束由阴极产生，它在阳极正电场的加速下获得很大的能量。为了使电子在运动过程中不会同气体分子碰撞，整个电子束曝光系统必须是高真空的。经过阳极加速的电子束必须进行聚焦，电子束的聚焦采用电场或磁场组成的透镜来实现，为了使电子束聚焦得很好，要采用复合透镜组来达到目的。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、对准和曝光 （4）曝光方法, 电子束曝光,为了获得某一曝光图形，必须使电子束依次打到图形中需要曝光的部分，即按图形扫描。为此，在电子束的通道中装上偏转板。偏转板上加电压，由电压来控制电子束的偏转。偏转板有两对，互相垂直，使其一个平面的X方向和Y方向都能扫描到。 扫描时图形的某些部分是不要曝光的，因此还必须有控制电子束通断的装置。,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、对准和曝光 （4）曝光方法, 电子束曝光,第8章光刻工艺 二、光刻胶,4、对准和曝光 （4）曝光方法,第8章 光刻工艺 三、曝光显影阶段,4、对准和曝光 （4）曝光方法, 电子束曝光,分类：,A：光栅扫描式 B：矢量扫描式,第8章 光刻工艺 三、曝光显影阶段,4、对准和曝光 （4）曝光方法, X-射线曝光,X-射线系统与UV和DUV系统在功能上相似。是一束电子束在高真空中轰击靶使其辐射X射线，在X射线投射路程中放置掩膜版，透过掩膜版的X射线照射到硅片表面感光胶上使之曝光。,第8章 光刻工艺 三、曝光显影阶段,4、对准和曝光 （4）曝光方法, X-射线曝光,A：材料的形变小，这样制成的图形尺寸及其相对位置的变化可以忽略。 B：要求掩膜衬底材料透X光能力强，而在它上面制作微细图形的材料透X光能力差，这样在光刻胶上可获得分辨率高的光刻图形。,X-射线曝光对掩膜版的要求：,X-射线掩膜版使用材料解决方案：,A：衬底使用氮化硅、氮化硼、铍等对X射线吸收较弱 B：图形材料使用金,第8章 光刻工艺 三、曝光显影阶段,4、对准和曝光 （5）制版 （教材P185）,制版就是将器件与电路的结构（互连方式）的设计图形转移到掩膜版上。 先制作母版，再由母版翻印多套工作版，工作版也叫作光刻版。 制版技术是光刻工艺的关键技术。一种产品生产时光刻几次就有几块版，这几块版彼此联系的版组合成一套版。,第8章 光刻工艺 三、曝光显影阶段,4、对准和曝光 （5）制版 （教材P185）,空白版就是底版，由基片和（感光）薄膜组成。 空白版有多种，可根据基片上的感光薄膜来划分不同的空白版，常用的有超微粒干版、铬版、彩色版等。 铬版 是在玻璃基片上淀积铬薄膜构成的空白版，铬薄膜常采用溅射或真空蒸镀的方法淀积。铬版是当前采用最多的版，这种光刻版的制作技术几乎与晶圆-图案复制操作一致。,第8章 光刻工艺 三、曝光显影阶段,4、对准和曝光 （5）制版 （教材P185）,使用光学照相方法制母版，再复印光刻版。光学制版分辨率受衍射极限限制。, 光学制版,总图绘制绘分图初缩精缩复印,光学制版的步骤：,第8章 光刻工艺 三、曝光显影阶段,4、对准和曝光 （5）制版 （教材P185）,电子束制版 采用计算机绘图将图形X-Y数据化，用图形发生器按这些数据由电子束在空白版上扫描，直接制备出母版；或者先制备10倍的中间版，再步进重复（精缩）制出母版。, 电子束制版,第8章 光刻工艺 三、曝光显影阶段,4、对准和曝光 （5）制版 （教材P185）,A：图形符合设计要求，尺寸准确，不发生变形； B：一套母版的各个分版之间应一一套准； C：版黑白反差应大； D：图形边缘光滑陡直，无毛刺，过渡小。 E：版面光洁，针孔、小岛，以及划痕少。, 掩膜版的质量要求,第8章 光刻工艺 三、曝光显影阶段,5、显影 （1）概述 （教材P164）,晶圆在完成对准和曝光后，器件或电路的图案被以曝光和未曝光区域的形式记录在光刻胶上，但还未出现应有的图形。,第8章 光刻工艺 三、曝光显影阶段,5、显影 （2）显影化学品 （教材P165）,第8章 光刻工艺 三、曝光显影阶段,5、显影 （3）显影方法 （教材P165）, 湿法显影,Development: Immersion（沉浸显影）,显影,漂洗,旋转干燥,第8章 光刻工艺 三、曝光显影阶段,5、显影 （3）显影方法 （教材P165）, 干法显影（等离子体显影，通常是氧）,干法氧等离子体显影要求光刻胶化学物的曝光部分或未曝光部分二者之一易于被氧等离子体驱除，更确切的说，图案部分从表面氧化掉。,第8章 光刻工艺,四、刻蚀、去胶阶段 1、后烘 2、刻蚀 3、光刻胶去除,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,1、后烘,（1）目的, 去除显影液和水分，使胶膜坚固 使胶膜进一步聚合而提高胶膜抗刻蚀能力 提高胶膜粘附性,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,1、后烘,（2）方法,与前烘方法大致相同。 例如： 采用对流炉的后烘温度是130度200度，时间30分钟。,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（1）定义和目的,把显影后的光刻胶微图形下层材料的裸露部分去掉，将光刻胶图形转移到下层材料上去的工艺叫作刻蚀。,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（2）刻蚀的要求, 保真 最好是各向异性腐蚀，侧向腐蚀小 选择比高 均匀性好 清洁,在胶膜掩蔽下，去除窗口薄膜物质（如SiO2，Al等）要求：,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（2）刻蚀的要求,选择比的定义：,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（3）刻蚀常见问题,不完全刻蚀：,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（3）刻蚀常见问题, 过刻蚀和底切,在从最外表面刻蚀到表层底部的过程中刻蚀也会在最外表面进行。结果会在侧边形成一个斜面，这种作用因在光刻胶边缘下被刻蚀，所以称为低切,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（3）刻蚀常见问题, 各向同性刻蚀,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（4）刻蚀的分类,参见教材图9.21刻蚀。,湿法刻蚀类：, 沉浸 喷射,干法刻蚀类：, 等离子体（桶形、平面） 离子轰击 反应离子刻蚀（RIE）,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（5）湿法刻蚀,湿法刻蚀是化学腐蚀，在腐蚀液中通过化学反应去除窗口薄膜，得到薄膜图形。,由于加工线条变细而使腐蚀效果差，因此湿法腐蚀用于特征图形尺寸大于3微米的产品，低于此水平时，使用干法刻蚀。,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（5）湿法刻蚀 特点,A：湿法腐蚀的产物必须是气体或可溶于腐蚀液的物质。 B：一般说来，反应总伴随着放热和放气。,优点：,A：工艺简单，无需复杂设备，选择比高； B：均匀性好,缺点：,A：各向同性腐蚀； B：分辨率低，自动化难,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（5）湿法刻蚀 硅湿法刻蚀,刻蚀液：,硝酸和HF酸的混合水溶液。,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（5）湿法刻蚀 二氧化硅湿法刻蚀,刻蚀液：,氢氟酸缓冲液： 49%HF：NH3F：H2O=3ml：6g：10ml,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（5）湿法刻蚀 铝膜湿法刻蚀 （教材P175最下）,因此常使用刻蚀液：,对于铝和铝合金有选择性的刻蚀溶液是85%的浓磷酸，但是副产物氢气泡可能会导致桥接或雪球。,磷酸:硝酸:醋酸:水=16:1:1:2,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（6）干法刻蚀,湿法刻蚀的局限性： （P177最上方）, 湿法刻蚀局限于3微米以上的图案尺寸 湿法刻蚀为各向同性刻蚀导致边侧形成斜坡 湿法刻蚀要求冲洗和干燥步骤 液体化学品有毒害 湿法工艺有潜在的污染 光刻胶黏合力的失效导致底切,8.2 二氧化硅和硅的干法刻蚀,在ULSI工艺中对二氧化硅的刻蚀通常是在含有氟化碳的等离子体中进行。早期刻蚀使用的气体为四氟化碳(CF4)，现在使用比较广泛的反应气体有CHF3，C2F6，SF6和C2F8，其目的都是用来提供碳原子及氟原子与SiO2进行反应。 CF4的反应为：,使用CF4对SiO2进行刻蚀时，刻蚀完SiO2之后，会继续对硅进行刻蚀。 为了解决这一问题，在CF4等离子体中通常加入一些附加的气体成份，这些附加的气体成份可以影响刻蚀速度、刻蚀的选择性、均匀性和刻蚀后图形边缘的剖面效果。,在使用CF4对硅和SiO2进行等离子刻蚀时，氟与SiO2反应的同时，还与CFx原子团(x3)结合而消耗掉，造成氟原子的稳态浓度比较低，刻蚀速率较慢。,如果加入适量的氧气，氧气也同 样被电离，氧可与CFx原子团反应， 造成CFx原子团耗尽，减少了氟原子 的消耗，使F/C原子比增加，加快SiO2 刻蚀速度。 在氧组分达到临界值之后，继续 增加氧的组分，由于氟原子浓度被氧冲淡，刻蚀速度下降。 刻蚀硅时，临界氧组分只有12%，氧组分继续增加，刻蚀速率下降比SiO2更快。这是由于氧原子倾向于吸附在Si的表面上，阻挡了氟原子加入反应。随着更多氧的吸附，对Si的刻蚀影响进一步增加。 对硅的刻蚀速度最大时，其氧气的组分要小于刻蚀SiO2的情况。,一、加入适量的氧气,在CF4等离子体中加入氢气，随氢组分增加：,二、加入适量的氢气,SiO2的刻蚀速度缓慢减小， 持续到氢的组分达到40%； Si的刻蚀速度迅速减小， 当氢的组分大于40%时， 对Si的刻蚀停止。,在CF4等离子体中加入适量的氢气，可以增强SiO2/Si刻蚀的选择性。,如果F/C比较高(添加氧气)， 其影响倾向于加快刻蚀。 如果F/C比较低(添加氢气)， 刻蚀过程倾向于形成高分子聚 合物薄膜。,在CF4等离子体中添加气体成份，影响等离子体内F/C原子比。,目前集成电路的干法刻蚀工艺中，通常用CHF3等离子体进行SiO2的刻蚀，加入少量氧来提高刻蚀速度。,8.3 Si3N4的干法刻蚀,在ULSI工艺中，Si3N4的用途主要有两种： 一是在SiO2层上面，通过LPCVD淀积Si3N4，做为氧化或扩散的掩蔽层，不成为器件的组成部分。可以使用CF4等离子刻蚀。 另一种是通过PECVD淀积Si3N4做为器件保护层。这层Si3N4在经过光刻和干法刻蚀之后， Si3N4下面的金属化层露出来，形成器件的压焊点，然后进行测试和封装。可以使用CF4-O2等离子体进行刻蚀。 实际上用于刻蚀SiO2的方法，都可以用来刻蚀Si3N4 。由于Si-N键的结合能介于Si-O键与Si-Si键之间，所以Si3N4的刻蚀速度在刻蚀SiO2和刻蚀Si之间。因此，Si3N4/ SiO2 的刻蚀选择性比较差。,8.4 多晶硅与金属硅化物的干法刻蚀,集成电路中一般采用polycide（多晶硅/难熔金属硅化物）多层栅结构，也称多晶硅化金属。 在MOSFET中，栅极的尺寸控制是决定性能的关键，对刻蚀的各向异性和选择性的要求都很高。 由于多晶硅的刻蚀速度比金属硅化 物的刻蚀速度快得多，会造成金属硅 化物下方的多晶硅被刻蚀，导致多晶 硅化金属对SiO2的附着力下降。 对多晶硅化金属的各向异性刻蚀通 常需要分两步进行。首先是对多晶硅 上方的金属硅化物进行刻蚀；当上层 的金属硅化物完成刻蚀之后，开始刻 蚀多晶硅。,目前广泛应用的金属硅化物是WSi2和TiSi2。 对于刻蚀WSi2和TiSi2的情况，氟原子及氯原子都可以与两者反应形成挥发性的化合物(如WF4和WCl4)。 CF4，SF6，Cl2及HCl都可以做为刻蚀金属硅化物的反应气体。,一、刻蚀金属硅化物,采用氟化物等离子体刻蚀多晶硅为各向同性刻蚀，因此，使用氯化物的等离子体对多晶硅进行各向异性的刻蚀。在多晶硅的各向异性刻蚀中主要的反应气体有Cl2，HCl以及SiCl4。 使用Cl2和Cl2-Ar等离子体反应离子刻蚀未掺杂的多晶硅，刻蚀的各向异性度A约为1，而反应离子刻蚀重掺杂的n型多晶硅时，出现了横向刻蚀现象。 使用氯化物的等离子体对多晶硅进行刻蚀，刻蚀对多晶硅/SiO2具有很好的选择性。这样就可以通过过刻来彻底除去多晶硅，不会对下方的二氧化硅造成太大的伤害。溴化物的气体也可以用于多晶硅的各向异性刻蚀。,二、刻蚀多晶硅,8.5 铝及铝合金的干法刻蚀,纯铝的刻蚀比铝合金容易。在刻蚀之前，必须用溅射或化学还原法除去自然氧化层(约30) 。新鲜Al可自发地与Cl或Cl2反应，形成准挥发性的AlCl3。 由于硅可用含氯等离子体刻蚀，A1-Si合金也可在含氯气体中刻蚀，形成挥发性的氯化物。对Al-Cu合金的刻蚀，由于铜不容易形成挥发性卤化物，故刻蚀之后，有含铜的残余物留在硅片上。用高能离子轰击可以去除这类物质，或者用湿法化学处理清除。 金属铝或者合金对SiO2的刻蚀选择性很好，但是由于氯也能刻蚀硅和多晶硅，故铝对硅和多晶硅的选择性较差。 干法刻蚀铝所遇到的另一个问题是刻蚀之后的侵蚀现象。空气中的湿气和含氯的残存物反应，形成HCl，使铝层受到腐蚀。最好的方法是在刻蚀之后，随即在碳氟化合物中将残留氯化物转变为无反应的氟化物。,8.6 其他材料的干法刻蚀,钼(Mo)、钽(Ta)、钨(W)和钛(Ti)这些金属能形成挥发性氟化物，故可以在含氟的刻蚀剂中进行刻蚀。对SiO2有较高的选择性，但对Si不能进行选择刻蚀。 可在含氯气体中刻蚀包括Cr、Au从和Pt等金属。Au和Pt常用溅射法刻蚀。Cr和V(钒)能形成挥发性很强的氯氧化合物，因此，这两种金属可在氧气及含氯的混合气体中刻蚀， 刻蚀速率强烈地依赖于金属膜的淀积条件和淀积方法。,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（6）干法刻蚀, 等离子体刻蚀（P177）,使用气体和等离子体能量来进行化学反应的化学工艺。,原理： 真空度在1-10-2托，二氧化硅、氮化硅、多晶硅的腐蚀气体为氟化物（如CF4），高频电场将CF4和氧气的混合气激发成等离子体状态，在等离子体中的活性物F、CF等，与薄膜发生化学反应，生成物（挥发性成分）被真空泵排除。,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（6）干法刻蚀, 等离子体刻蚀（P178）,A：桶形刻蚀机,缺点：,刻蚀离子的无方向性，导致各向同性刻蚀。,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（6）干法刻蚀, 等离子体刻蚀（P178）,B：改进的桶形刻蚀机,解决方案：,用带孔的金属圆桶把晶圆与离子体隔离开以保护晶圆免于辐射。,高能等离子体场导致电荷在晶圆表面积累。,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（6）干法刻蚀, 等离子体刻蚀（P178）,C：平面等离子体刻蚀机,优点：,与桶形刻蚀系统相比更具有方向性，各向异性刻蚀，可得到几乎垂直的边。,有极性的等离子体系统更精确。,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（6）干法刻蚀, 离子束刻蚀（P181）,离子束刻蚀属于物理刻蚀工艺。,高能电子将氩原子离子化成为带正电荷的高能状态，氩离子加速向硅片运动轰击硅片。,优点：刻蚀非常有方向性（各向异性），导致良好的小开口区域的精密度。,缺点：选择性差，特别对于光刻胶层。,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,2、刻蚀,（6）干法刻蚀, 反应离子刻蚀（P181）,结合等离子体刻蚀和离子束刻蚀的优点。 在系统上与等离子体刻蚀系统相似，但具有粒子打磨能力。,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,3、去胶,（1）湿法去胶,湿法化学液在前线工艺中较受欢迎，因为表面和MOS栅极暴露并易于受等离子体损伤。 氧气等离子体去除光刻胶层的使用正在增加，它主要用于后线工艺中。,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,3、去胶,（1）湿法去胶,光刻胶去除剂的分类： 综合去除剂； 正胶和负胶专用去除剂；,光刻胶去除剂的应用方向： 表面无金属； 表面有金属；,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,3、去胶,（1）湿法去胶,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,3、去胶,（1）湿法去胶,湿法去胶的优点：, 工艺成熟 成本有效性好 可有效去除金属离子 属低温工艺，并且免受损伤性辐射,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,3、去胶,（1）湿法去胶 无金属表面的湿法去胶,机理：氧化,去胶方式：硫酸和氧化剂（过氧化氢、硝酸）的溶液。,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,3、去胶,（1）湿法去胶 有金属表面的湿法去胶,去胶剂： 酚有机去除剂 溶剂胺去除剂,金属易受侵蚀或氧化，因此从金属表面去除光刻胶是一个比较困难的工作。（教材P183）,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,3、去胶,（2）干法去胶（灰化）,原理：在去胶机中通入O2，O2被等离子化，其中的活性物质O与光刻胶发生化学反应，胶是有机物，被氧化生成H2O、CO、CO2等气体，被真空泵排除。（教材P184）,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,3、去胶,（2）干法去胶（灰化）（见教材P184）,优点：消除了液体槽和对化学品的操作 缺点：对于金属离子的去除没有效果，有一定的辐射损伤,主流方案： 湿法和干法相结合的方法。,第8章 光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段,3、去胶,（3）离子注入等离子体刻蚀后的去胶（见教材P184）,离子注入后导致强烈的光刻胶聚合并使表层硬化，这使得光刻胶的去除变得困难。,解决方案：,用干法工艺去除和减少光刻胶，然后再加以湿法工艺。,图解光刻十步法,1、清洗硅片 Wafer Clean,2、预烘和底胶涂覆 Pre-bake and Primer Vapor,3、光刻胶涂覆 Photoresist Coating,4、前烘 Soft Bake,5、对准 Alignment,6、曝光Exposure,7、后烘 Post Exposure Bake,8、显影 Development,9、坚膜 Hard Bake,10、图形检测 Pattern Inspection,第8章 光刻工艺 五、作业题,（1）什么叫做光刻，光刻有何目的？ （2）光刻技术的图形转移分为哪两个阶段？ （3）列出光刻工艺的十个步骤，并简述每一步的目的。 （4）光刻胶的分类，谈谈正胶和负胶的区别。 （5）掩膜版的对准法则，说明对准误差有哪些？ （6）描述并比较接触式光刻、接近式、投影式、步进式 和电子束光刻。 （7）刻蚀的方法分类，刻蚀常见有哪些问题？ （8）湿法刻蚀的特点；说明二氧化硅和铝膜的湿法刻蚀方法。 （9）描述等离子体刻蚀和干法去胶的原理,谢谢！,