第八章-光刻与刻蚀工艺汇编优秀PPT.ppt

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1、第八章第八章 光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺主主 讲：毛讲：毛 维维mwxidian126 西安电子科技高校微电子学院西安电子科技高校微电子学院绪论绪论n光刻：通过光化学反应，将光刻版（光刻：通过光化学反应，将光刻版（mask）上的图形）上的图形n 转移到光刻胶上。转移到光刻胶上。n刻蚀：通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到刻蚀：通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到Si片上片上n光刻三要素：光刻三要素：n 光刻机光刻机n 光刻版（掩膜版）光刻版（掩膜版）n 光刻胶光刻胶nULSI对光刻的要求：对光刻的要求：n 高辨别率；高灵敏的光刻胶；高辨别率；高灵敏的光刻胶；n 低缺陷；精密的套刻对准；低缺陷

2、；精密的套刻对准；绪论绪论光刻胶三维图案光刻胶三维图案线宽线宽间隙间隙厚度厚度衬底衬底光光刻胶刻胶绪论绪论集成电路芯片的显微照片集成电路芯片的显微照片绪论绪论接触型光刻机接触型光刻机 步进型光刻机步进型光刻机 绪论绪论n掩膜版与投影掩膜版掩膜版与投影掩膜版 投影掩膜版投影掩膜版（reticle）是一个石英版，它包含了）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。可能是几个。光掩膜版光掩膜版（photomask）常被称为掩膜版）常被

3、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，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。完整管芯阵列。绪论绪论n掩膜版的质量要求：掩膜版的质量要求：n 若每块掩膜版上图形成品率若每块掩膜版上图形成品率90，则，则n6块光刻版，其管芯图形成品率（块光刻版，其管芯图形成品率（90）653；n10块光刻版，其管芯图形成品率（块光刻版，其管芯图形成品率（90）1035；n15块光刻版，其管芯图形成品率（块光刻版，其管芯图形成品率（90）1521；n最终的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。最终的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。绪论绪论n特征尺寸（关键尺寸）在集成

4、电路领域，特征尺寸是指半导体器件中的最特征尺寸（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。在小尺寸。在CMOS工艺中，特征尺寸典型代表为工艺中，特征尺寸典型代表为“栅栅”的宽度，也即的宽度，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，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。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。关键尺寸常用做描述器件工艺技术的节点或称为某一代。0.25m以以下工艺技术的节点是下工艺技术的节点是0.18m、0.15m、0.1m等。等。n套准精度套准精度 光刻要求硅片表

5、面上存在的图案与掩膜版上的图形精确对准，一般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，案间总的布局宽容度。而大的套准容差会减小电路密度，即限制了器件即限制了器件的特征尺寸，从而降低的特征尺寸，从而降低 IC 性能。性能。绪论绪论nClean Roomn 干净等级：尘埃数干净等级：尘埃数

6、/m3；（尘埃尺寸为；（尘埃尺寸为0.5m）n 10万级：万级：350万，单晶制备；万，单晶制备；n 1万级：万级：35万，封装、测试；万，封装、测试；n 1000级：级：35000，扩散、，扩散、CVD；n 100级：级：3500，光刻、制版；，光刻、制版；n深亚微米器件（尘埃尺寸为深亚微米器件（尘埃尺寸为0.1m）n 10级：级：350，光刻、制版；，光刻、制版；n 1级：级：35，光刻、制版；，光刻、制版；8.1 光刻工艺流程光刻工艺流程n主要步骤：主要步骤：涂胶、前烘、曝光、显影、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀、去胶。坚膜、刻蚀、去胶。n两种基本工艺类型：两种基本工艺类型：负性光刻

7、和正性光刻。负性光刻和正性光刻。n-SiSiO2光刻胶光刻胶光照光照掩膜版掩膜版负性光刻负性光刻n-SiSiO2光刻胶光刻胶掩膜版掩膜版光照光照不透光不透光n-SiSiO2SiO2腐蚀液腐蚀液光刻胶光刻胶n-Si光刻胶光刻胶n-Si 紫外光紫外光岛状岛状曝光区域变成交互链结，曝光区域变成交互链结，可抗显影液之化学物质。可抗显影液之化学物质。光刻胶显影后的图案光刻胶显影后的图案窗口窗口光阻曝光阻曝光区域光区域光光刻胶刻胶上上的的影子影子玻璃掩膜版玻璃掩膜版上的铬图案上的铬图案硅基板硅基板硅基板硅基板光光光光刻胶刻胶刻胶刻胶氧化层氧化层氧化层氧化层光光光光刻胶刻胶刻胶刻胶氧化层氧化层氧化层氧化层硅

8、基板硅基板硅基板硅基板负性光刻负性光刻n-SiSiO2光刻胶光刻胶光照光照掩膜版掩膜版正性光刻正性光刻n-SiSiO2光刻胶光刻胶掩膜版掩膜版光照光照不透光不透光n-SiSiO2SiO2腐蚀液腐蚀液光刻胶光刻胶n-Si光刻胶光刻胶n-Si正性光刻正性光刻photoresistsilicon substrateoxideoxidesilicon substratephotoresist 紫外光紫外光岛状岛状曝光的区域曝光的区域溶解去除溶解去除光刻显影后呈现的图案光刻显影后呈现的图案光光刻胶刻胶上阴影上阴影光光刻胶刻胶曝曝光区域光区域光刻掩膜光刻掩膜版之铬岛版之铬岛窗口窗口硅基板硅基板硅基板硅基板

9、光光光光刻胶刻胶刻胶刻胶氧化物氧化物氧化物氧化物光阻光阻光阻光阻氧化物氧化物氧化物氧化物硅基板硅基板硅基板硅基板印制在晶圆上所需求印制在晶圆上所需求的光刻胶结构图案的光刻胶结构图案窗口窗口基板基板光光刻胶岛刻胶岛石英石英铬铬岛岛负光刻胶用所需的光刻图负光刻胶用所需的光刻图案案(与所要的图案相反与所要的图案相反)正光刻胶用所需的光刻图正光刻胶用所需的光刻图案案(与所要的图案相同与所要的图案相同)8.1 光刻工艺流程光刻工艺流程PMOSFETNMOSFETCMOS反相器之横截面反相器之横截面CMOS反相器之上视图反相器之上视图光刻层决定后续制程的光刻层决定后续制程的精确性。精确性。光刻图案使各层有

10、适当光刻图案使各层有适当的位置、方向及结构大的位置、方向及结构大小，以利于蚀刻及离子小，以利于蚀刻及离子植入。植入。8.1 光刻工艺流程光刻工艺流程8.1.1 涂胶涂胶1.涂胶前的涂胶前的Si片处理片处理(以在以在SiO2表面光刻为例表面光刻为例)SiO2:亲水性；光刻胶：疏水性；亲水性；光刻胶：疏水性；脱水烘焙脱水烘焙:去除水分去除水分HMDS：增加附着力：增加附着力HMDS：六甲基乙硅氮烷：六甲基乙硅氮烷(CH3)6Si2NH作用：去掉作用：去掉SiO2表面的表面的-OHHMDS热板脱水烘焙和气相成底膜热板脱水烘焙和气相成底膜8.1 光刻工艺流程光刻工艺流程8.1.1 涂胶涂胶2.涂胶涂胶

11、对涂胶的要求：粘附良好，匀整，薄厚适当对涂胶的要求：粘附良好，匀整，薄厚适当胶膜太薄针孔多，抗蚀性差；胶膜太薄针孔多，抗蚀性差；胶膜太厚辨别率低（辨别率是膜厚的胶膜太厚辨别率低（辨别率是膜厚的58倍）倍）涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂8.1 光刻工艺流程光刻工艺流程8.1.2 前烘前烘作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；增加胶膜与增加胶膜与SiO2（Al膜等）的粘附性及耐磨性。膜等）的粘附性及耐磨性。影响因素：温度，时间。影响因素：温度，时间。n烘焙不足（温度太低或时间太短）烘焙不足（温度太低或时间太短）显影时易浮胶，显影时

12、易浮胶，图形易变形。图形易变形。n烘焙时间过长烘焙时间过长增感剂挥发，导致曝光时间增长，增感剂挥发，导致曝光时间增长，甚至显不出图形。甚至显不出图形。n烘焙温度过高烘焙温度过高光刻胶黏附性降低，光刻胶中的感光光刻胶黏附性降低，光刻胶中的感光 剂发生反应（胶膜硬化），不易溶于剂发生反应（胶膜硬化），不易溶于 显影液，导致显影不干净。显影液，导致显影不干净。在真空热板上软烘在真空热板上软烘8.1 光刻工艺流程光刻工艺流程8.1.3 曝光：曝光：光学曝光、光学曝光、X射线曝光、电子束曝光射线曝光、电子束曝光光学曝光紫外，深紫外光学曝光紫外，深紫外）光源：）光源：n高压汞灯：产生紫外高压汞灯：产生紫外

13、(UV）光，）光，光谱范围为光谱范围为350 450nm。n准分子激光器：产生深紫外准分子激光器：产生深紫外(DUV）光，）光，光谱范围为光谱范围为180nm330nm。KrF：=248nm；ArF：=193nm；F2：=157nm。8.1 光刻工艺流程光刻工艺流程）曝光方式）曝光方式 a.接触式：硅片与光刻版紧密接触。接触式：硅片与光刻版紧密接触。b.接近式：硅片与光刻版保持接近式：硅片与光刻版保持5-50m间距。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 光刻工艺流程光刻工艺流程电子束曝光：电子束曝光：几十几十100；

14、优点：优点：辨别率高；辨别率高；不需光刻版（直写式）；不需光刻版（直写式）；缺点：产量低；缺点：产量低；X射线曝光射线曝光 2 40，软，软X射线；射线；X射线曝光的特点：辨别率高，产量大。射线曝光的特点：辨别率高，产量大。8.1 光刻工艺流程光刻工艺流程8.1.4 显影显影作用：将未感光的负胶或感光的正胶溶解去除，显现作用：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。出所需的图形。显影液：专用显影液：专用正胶显影液：含水的碱性显影液，如正胶显影液：含水的碱性显影液，如KOH、TMAH(四甲基氢氧化胺水溶液四甲基氢氧化胺水溶液)，等。，等。负胶显影液：有机溶剂，如丙酮、甲苯等。负胶

15、显影液：有机溶剂，如丙酮、甲苯等。例，例，KPR（负胶）的显影液：（负胶）的显影液：丁酮最志向；丁酮最志向；甲苯图形清晰度稍差；甲苯图形清晰度稍差；三氯乙烯毒性大。三氯乙烯毒性大。8.1 光刻工艺流程光刻工艺流程影响显影效果的主要因素：影响显影效果的主要因素：）曝光时间；）曝光时间；）前烘的温度与时间；）前烘的温度与时间；）胶膜的厚度；）胶膜的厚度；）显影液的浓度；）显影液的浓度；）显影液的温度；）显影液的温度；显影时间适当显影时间适当nt太短：可能留下光刻胶薄层太短：可能留下光刻胶薄层阻挡腐蚀阻挡腐蚀SiO2(金属）金属）氧化层氧化层“小岛小岛”。nt太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶太长：

16、光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶 图形边缘破坏。图形边缘破坏。8.1 光刻工艺流程光刻工艺流程8.1.5 坚膜坚膜作用：使软化、膨胀的胶膜与硅片粘附更牢；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。增加胶膜的抗蚀实力。方法方法）恒温烘箱：）恒温烘箱：180200，30min；）红外灯：照射）红外灯：照射10min，距离，距离6cm。温度与时间温度与时间）坚膜不足：腐蚀时易浮胶，易侧蚀；）坚膜不足：腐蚀时易浮胶，易侧蚀；）坚膜过度：胶膜热膨胀）坚膜过度：胶膜热膨胀翘曲、剥落翘曲、剥落 腐蚀时易浮胶或钻蚀。腐蚀时易浮胶或钻蚀。若若T300：光刻胶分解，失去抗蚀实力。：光刻胶分解，失去抗

17、蚀实力。8.1 光刻工艺流程光刻工艺流程8.1.6 腐蚀（刻蚀）腐蚀（刻蚀）对腐蚀液（气体）的要求：对腐蚀液（气体）的要求：既能腐蚀掉袒露的既能腐蚀掉袒露的SiO2（金属），又不损伤光刻胶。（金属），又不损伤光刻胶。腐蚀的方法腐蚀的方法)湿法腐蚀：腐蚀剂是化学溶液。湿法腐蚀：腐蚀剂是化学溶液。特点：各向同性腐蚀。特点：各向同性腐蚀。)干法腐蚀：腐蚀剂是活性气体，如等离子体。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。特点：辨别率高；各向异性强。8.1.7 去胶去胶湿法去胶湿法去胶无机溶液去胶：无机溶液去胶：H2SO4（负胶）；（负胶）；有机溶液去胶：丙酮（正胶）；有机溶

18、液去胶：丙酮（正胶）；干法去胶：干法去胶：O2等离子体；等离子体；8.2 辨别率辨别率n辨别率辨别率R表征光刻精度表征光刻精度n 光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。n表示方法：每表示方法：每mm最多可容纳的线条数。最多可容纳的线条数。n 若可辨别的最小线宽为若可辨别的最小线宽为L（线条间隔也（线条间隔也L），），n 则则 R1/(2L)(mm-1)n1.影响影响R的主要因素：的主要因素：n曝光系统（光刻机）：曝光系统（光刻机）：n X射线（电子束）的射线（电子束）的R高于紫外光。高于紫外光。n光刻胶：正胶的光刻胶：正胶的R高于负胶；高于负胶；n其他：掩模版

19、、衬底、显影、工艺、操作者等。其他：掩模版、衬底、显影、工艺、操作者等。8.2 辨别率辨别率2.衍射对衍射对R的限制的限制 设一随意粒子（光子、电子），依据不确定关系，有设一随意粒子（光子、电子），依据不确定关系，有 Lph粒子束动量的最大变更为粒子束动量的最大变更为p=2p，相应地，相应地若若L为线宽，即为最细线宽，则为线宽，即为最细线宽，则最高辨别率最高辨别率 对光子：对光子：p=h/，故，故 。上式物理含义：光的衍射限制了线宽上式物理含义：光的衍射限制了线宽/2。最高辨别率：最高辨别率：对电子、离子：具有波粒二象性（德布罗意波），则对电子、离子：具有波粒二象性（德布罗意波），则 ，最细线

20、宽：最细线宽：结论：结论：a.E给定：给定：mLR，即，即R离子离子 R电子电子 b.m给定：给定：ELR8.3 光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性1.类型：正胶和负胶类型：正胶和负胶正胶：显影时，感光部分正胶：显影时，感光部分 溶解，未感光部分溶解，未感光部分 不溶解；不溶解；负胶：显影时，感光部分负胶：显影时，感光部分 不溶解，不感光部不溶解，不感光部 分溶解。分溶解。8.3 光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性2.组份：组份：基体（树脂）材料、感光材料、溶剂；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）例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（负胶）基体、感光剂聚乙烯醇肉桂酸脂基体、感光

21、剂聚乙烯醇肉桂酸脂n浓度：浓度：5-10%溶剂环己酮溶剂环己酮n浓度：浓度：9095增感剂增感剂5-硝基苊硝基苊n浓度：浓度：0.5-1%聚乙烯醇肉桂酸脂（聚乙烯醇肉桂酸脂（KPR）的光聚合反应）的光聚合反应8.3 光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性8.3.1 对比度对比度表征曝光量与光刻胶留膜率的关系；表征曝光量与光刻胶留膜率的关系；以正胶为例以正胶为例临界曝光量临界曝光量D0：使胶膜起先溶解所需最小曝光量；：使胶膜起先溶解所需最小曝光量；阈值曝光量阈值曝光量D100：使胶膜完全溶解所需最小曝光量；：使胶膜完全溶解所需最小曝光量；8.3.1 对比度对比度n直线斜率（对比度）：直线斜率（对比度）

22、：对正胶对正胶 对负胶对负胶 n越大，光刻胶线条边缘越陡。越大，光刻胶线条边缘越陡。8.3 光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性8.3.3 光敏度光敏度S 完成所需图形的最小曝光量；完成所需图形的最小曝光量；表征：表征：S=n/E，E-曝光量（曝光量（lxs，勒克斯，勒克斯秒）；秒）；n-比例系数；比例系数；光敏度光敏度S是光刻胶对光的敏感程度的表征；是光刻胶对光的敏感程度的表征；正胶的正胶的S大于负胶大于负胶8.3.4 抗蚀实力抗蚀实力表征光刻胶耐酸碱（或等离子体）腐蚀的程度。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；对湿法腐蚀：抗蚀实力较强；干法腐蚀：抗蚀实力较差。干

23、法腐蚀：抗蚀实力较差。正胶抗蚀实力大于负胶；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；抗蚀性与辨别率的冲突：辨别率越高，抗蚀性越差；8.3 光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性8.3.5 黏着力黏着力表征光刻胶与衬底间粘附的坚实程度。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，粘附性越评价方法：光刻后的钻蚀程度，即钻蚀量越小，粘附性越好。好。增加黏着力的方法：增加黏着力的方法：涂胶前的脱水；涂胶前的脱水；HMDS；提高坚膜的温度。提高坚膜的温度。8.3.6 溶解度和黏滞度溶解度和黏滞度8.3.7 微粒数量和金属含量微粒数量和金属含量8.3.

24、8 存储寿命存储寿命8.5 抗反射涂层工艺抗反射涂层工艺8.5.1 驻波效应驻波效应 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。干涉，形成驻波。影响：导致曝光的线宽发生变更。影响：导致曝光的线宽发生变更。8.5.2 底层抗反射涂层底层抗反射涂层(BARC)作用：利用作用：利用 反射光波的干涉，减弱驻波效应。反射光波的干涉，减弱驻波效应。制作：制作：PVD法、法、CVD法。法。8.6 紫外光曝光紫外光曝光n光源：紫外（光源：紫外（UV）、深

25、紫外（）、深紫外（DUV）；）；n方法：接触式、接近式、投影式。方法：接触式、接近式、投影式。n光谱能量光谱能量紫外（紫外（UV）光始终是形成光刻图形常用的能量源，并）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（包括会在接下来的一段时间内接着沿用（包括 0.1m 或者更小或者更小的工艺节点的器件制造中）。的工艺节点的器件制造中）。n大体上说，深紫外光大体上说，深紫外光(DUV)指的是波长在指的是波长在 300nm 以下的光。以下的光。n8.6.1 水银弧光灯（高压汞灯）光源水银弧光灯（高压汞灯）光源n波长：波长：UV，350450nm，used for 0.5，0.35

26、m；n g线：线：=436nm，n h线：线：=405nm，n i线：线：=365nm。对于光刻曝光的重要对于光刻曝光的重要 UV 波长波长 部分电磁频谱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)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUV(nm)在光学曝光中常用的UV波长8.6 紫外光曝光紫外光曝光8.6.3 准分子激光准分子激光DUV光源光源准分子：只在激发态下存在，基态下分别成原子。准分子：只在激发

27、态下存在，基态下分别成原子。波长：波长：DUV，180nm 330nm。KrF-=248nm，for 0.25，0.18m，0.13m；ArF-=193nm，for 3m）。）。8.6.5 接触式曝光接触式曝光硅片与光刻版紧密接触。硅片与光刻版紧密接触。优点：光衍射效应小，辨别率高。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。缺点：对准困难，掩膜图形易损伤，成品率低。8.6.6 投影式曝光投影式曝光利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上。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。优点：光刻版不受损伤，对准精度高。缺点：光学系统困难

28、，对物镜成像要求高。缺点：光学系统困难，对物镜成像要求高。用于用于3m以下光刻。以下光刻。投影式曝光原理：投影式曝光原理：n两像点能够被辨别的最小间隔：两像点能够被辨别的最小间隔：n y=1.22f/Dn引入数值孔径引入数值孔径NA描述透镜性能：描述透镜性能：n NA=nsin=D/2fn n透镜到硅片间的介质折射率；透镜到硅片间的介质折射率；像点张角像点张角n故故 y=0.61/NAn 若若NA=0.4,=400nm,y=0.61m.n若若n增大，增大，NA增大，则增大，则y减小，即辨别率提高。减小，即辨别率提高。n传统式：传统式：n=1(空气），空气），NA(最大）最大）=0.93，n 最

29、小辨别率最小辨别率-52nm.n浸入式：浸入式：n1(水），水），=193nm，NA(最大）最大）=1.2，n 最小辨别率最小辨别率-40nm.分步重复投影光刻机分步重复投影光刻机-Stepper接受折射式光学系统和接受折射式光学系统和4X5X的缩小透镜。的缩小透镜。光刻版：光刻版：4X5X；曝光场：一次曝光只有硅片的一部分；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。接受了分步对准聚焦技术。8.7 掩模版（光刻版）的制造掩模版（光刻版）的制造8.7.1 基版材料：玻璃、石英。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。要求：透光度高，热膨胀系数与掩膜材料匹配

30、。8.7.2 掩膜材料：掩膜材料：金属版（金属版（Cr版）：版）：Cr2O3抗反射层抗反射层/金属金属Cr/Cr2O3基层基层 特点：针孔少，强度高，辨别率高。特点：针孔少，强度高，辨别率高。乳胶版卤化银乳胶乳胶版卤化银乳胶 特点：辨别率低（特点：辨别率低（2-3 m），易划伤。），易划伤。8.7.4 移相掩模（移相掩模（PSM）PSM：Phase-Shift Mask作用：消退干涉，提高辨别率；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。原理：利用移相产生干涉，抵消图形边缘的光衍射效应。8.8 X射线曝光射线曝光n曝光方法：曝光方法：接近式曝光。接近式曝光。

31、nX射线光源：通过高能电子束轰击一个金属靶产生。射线光源：通过高能电子束轰击一个金属靶产生。（波长为（波长为240埃）埃）n优点：小尺寸曝光。优点：小尺寸曝光。n缺点：存在图形的畸变缺点：存在图形的畸变(半影畸变半影畸变和几何畸变和几何畸变)。半影畸变半影畸变几何畸变几何畸变X射线曝光射线曝光8.9 电子束直写式曝光电子束直写式曝光n曝光原理：电子与光刻胶碰撞作用，发生化学反应。曝光原理：电子与光刻胶碰撞作用，发生化学反应。n适用最小尺寸：适用最小尺寸：0.10.25mn电子束曝光的辨别率主要取决于电子散射的作用范围。电子束曝光的辨别率主要取决于电子散射的作用范围。n(缺点缺点)邻近效应邻近效

32、应由于背散射使大面积的光刻胶层发生程度不由于背散射使大面积的光刻胶层发生程度不n 同的曝光，导致大面积的图形模糊，造成同的曝光，导致大面积的图形模糊，造成曝曝n 光图形出现畸变。光图形出现畸变。n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 n 数的衬底与光刻胶。数的衬底与光刻胶。nSCALPEL技术：技术：接受原子序数低的接受原子序数低的SiNX薄膜和原子序数高的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。制作的掩模版，产生散射式掩膜技术。n 特点特点:结合了电子束曝光的高分结合了电子束曝光的高分n 辨率和光

33、学分步重复投影辨率和光学分步重复投影n 曝光的高效率；曝光的高效率；n 掩模版制备更加简洁。掩模版制备更加简洁。8.10 ULSI对图形转移的要求对图形转移的要求8.10.1 图形转移的保真度图形转移的保真度 (腐蚀的各向异性的程度：腐蚀的各向异性的程度：)式中：式中：V1侧向腐蚀速率；侧向腐蚀速率；VV纵向腐蚀速率；纵向腐蚀速率；h腐蚀层的厚度；腐蚀层的厚度；图形侧向展宽量。图形侧向展宽量。若若 A=1，表示图形转移过程产无失真；，表示图形转移过程产无失真；若若 A=0，表示图形失真严峻，表示图形失真严峻(各向同性腐蚀各向同性腐蚀)8.10.2 选择比选择比 两种不同材料在腐蚀的过程中被腐蚀

34、的速率比。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作用：描述图形转移中各层材料的相互影响8.11 湿法刻蚀湿法刻蚀n特点：各相同性腐蚀。特点：各相同性腐蚀。n优点：工艺简洁，腐蚀选择性好。优点：工艺简洁，腐蚀选择性好。n缺点：钻蚀严峻（各向异性差），难于获得精细图形。缺点：钻蚀严峻（各向异性差），难于获得精细图形。n （刻蚀（刻蚀3m以上线条）以上线条）n刻蚀的材料：刻蚀的材料：Si、SiO2、Si3N4；n8.11.1 Si的湿法刻蚀的湿法刻蚀n常用腐蚀剂常用腐蚀剂nHNO3-HF-H2O(HAC)混合液：混合液：n HNO3：强氧化剂；：强氧化剂；n

35、 HF：腐蚀：腐蚀SiO2；n HAC：抑制：抑制HNO3的分解；的分解；n Si+HNO3+HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2nKOH-异丙醇异丙醇衬底膜胶8.11.2 SiO2的湿法腐蚀的湿法腐蚀n常用配方常用配方(KPR胶）：胶）：HF:NH4F:H2O=3ml:6g:10ml (HF溶液浓度为溶液浓度为48)HF：腐蚀剂，：腐蚀剂，SiO2+HFH2SiF6+H2O NH4F：缓冲剂，：缓冲剂，NH4FNH3+HF 8.11.3 Si3N4的湿法腐蚀的湿法腐蚀n腐蚀液：热腐蚀液：热H3PO4(130150)。8.12 干法腐蚀干法腐蚀n优点：优点：n 各向异性腐蚀强；各向异性腐蚀

36、强；n 辨别率高；辨别率高；n 刻蚀刻蚀3m以下线条。以下线条。n类型：类型：n等离子体刻蚀：化学性刻蚀；等离子体刻蚀：化学性刻蚀；n溅射刻蚀：纯物理刻蚀；溅射刻蚀：纯物理刻蚀；n反应离子刻蚀（反应离子刻蚀（RIE）：结合）：结合、；ICP-98C型高密度等离子体刻蚀机型高密度等离子体刻蚀机SLR 730 负荷锁定负荷锁定RIE反应离子刻蚀系统反应离子刻蚀系统8.12.1 干法刻蚀的原理干法刻蚀的原理n等离子体刻蚀原理等离子体刻蚀原理 a.产生等离子体产生等离子体:刻蚀气体经辉光放电后，成为具有很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强化学活性的离子及游离基-等离子体。等离子

37、体。CF4 RF CF3*、CF2*、CF*、F*BCl3 RF BCl3*、BCl2*、Cl*b.等离子体活性基团与被刻蚀材料发生化学反应。等离子体活性基团与被刻蚀材料发生化学反应。n特点：选择性好；特点：选择性好；各向异性差。各向异性差。n刻蚀气体：刻蚀气体：CF4、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。等。8.12.1 干法刻蚀的原理干法刻蚀的原理溅射刻蚀原理溅射刻蚀原理a.形成能量很高的等离子体；形成能量很高的等离子体；b.等离子体轰击被刻蚀的材料，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。使其被撞原子飞溅出来，形成刻蚀。n特点：各向异性好；选择性差。特点：各向异性

38、好；选择性差。n刻蚀气体：惰性气体；刻蚀气体：惰性气体；反应离子刻蚀原理反应离子刻蚀原理 同时利用了溅射刻蚀和等离子刻蚀机制；同时利用了溅射刻蚀和等离子刻蚀机制；n特点：各向异性和选择性兼顾。特点：各向异性和选择性兼顾。n刻蚀气体：与等离子体刻蚀相同。刻蚀气体：与等离子体刻蚀相同。8.12.2 SiO2和和Si的干法刻蚀的干法刻蚀n刻蚀剂：刻蚀剂：CF4、CHF3、C2F6、SF6、C3F8 ；n等离子体：等离子体：CF4 CF3*、CF2*、CF*、F*n化学反应刻蚀：化学反应刻蚀：F*+SiSiF4n F*+SiO2 SiF4+O2n CF3*+SiO2 SiF4+CO+CO2n n刻蚀总

39、结：刻蚀总结：n湿法刻蚀（刻蚀湿法刻蚀（刻蚀3m以上线条）以上线条）n优点：工艺简洁，选择性好。优点：工艺简洁，选择性好。n缺点：各向异性差，难于获得精细图形。缺点：各向异性差，难于获得精细图形。n干法腐蚀（刻蚀干法腐蚀（刻蚀3m以下线条）以下线条）n优点：各向异性强；辨别率高。优点：各向异性强；辨别率高。实际工艺：实际工艺：CF4中加入中加入O2n作用：调整选择比；作用：调整选择比；n机理：机理：CF4+O2F*+O*+COF*+COF2+CO+CO2（初期：（初期：F*比例增加；后期：比例增加；后期：O2比例增加）比例增加）O2吸附在吸附在Si表面，影响表面，影响Si刻蚀；刻蚀；CF4中加

40、中加H2n作用：调整选择比；作用：调整选择比；n机理：机理：F*+H*(H2)HF CFX*(x3)+SiSiF4+C(吸附在吸附在Si表面）表面）CFX*(x3)+SiO2 SiF4+CO+CO2+COF28.12.3 Si3N4的干法刻蚀的干法刻蚀 n刻蚀剂：与刻蚀刻蚀剂：与刻蚀Si、SiO2相同。相同。Si3N4F*SiF4+N2n刻蚀速率：刻蚀速率介于刻蚀速率：刻蚀速率介于SiO2与与Si之间；之间；（Si-N键强度介于键强度介于Si-O键和键和Si-Si键）键）选择性：选择性：CF4：刻蚀刻蚀Si3N4/SiO2-选择性差；选择性差；CHF3：刻蚀：刻蚀Si3N4/SiO2-选择性为

41、选择性为2-4。刻蚀刻蚀Si3N4/Si-选择性为选择性为3-5；刻蚀刻蚀SiO2/Si-选择性大于选择性大于10；8.12.4 多晶硅与金属硅化物多晶硅与金属硅化物 的干法刻蚀的干法刻蚀n多晶硅多晶硅/金属硅化物结构：金属硅化物结构：MOS器件的栅极；器件的栅极；n栅极尺寸：确定栅极尺寸：确定MOSFET性能的关键；性能的关键；n金属硅化物：金属硅化物：WSi2、TiSi2；n腐蚀要求：腐蚀要求：各向异性和选择性都高各向异性和选择性都高-干法腐蚀；干法腐蚀；n刻蚀剂：刻蚀剂：CF4、SF6、Cl2、HCl；n腐蚀硅化物：腐蚀硅化物：n CF4+WSi2 WF4+SiF4+C n Cl2+WS

42、i2 WCl4+SiCl4n腐蚀腐蚀poly-Si：氟化物（：氟化物（CF4、SF6）-为各向同性刻蚀；为各向同性刻蚀；n 氯化物（氯化物（Cl2、HCl）-为各向异性刻蚀，选为各向异性刻蚀，选择择n 性好（对多晶硅性好（对多晶硅/SiO2）。）。8.12.5 铝及铝合金的干法腐蚀铝及铝合金的干法腐蚀n铝及铝合金的用途：栅电极、互连线、接触；铝及铝合金的用途：栅电极、互连线、接触；n铝合金：铝合金：Al-Si、Al-Au、Al-Cu；n刻蚀方法：刻蚀方法：RIE、等离子体；、等离子体；n刻蚀剂：刻蚀剂：BCl3、CCl4、CHCl3；Cl*+Al AlCl3 Cl*+Al-Si AlCl3+SiCl4 Cl*+Al-Cu AlCl3+CuCl2（不挥发）（不挥发）n几个工艺问题：几个工艺问题：Al2O3的去除：溅射、湿法腐蚀；的去除：溅射、湿法腐蚀；CuCl2的去除：湿法腐蚀、溅射；的去除：湿法腐蚀、溅射；刻蚀后的侵蚀：刻蚀后的侵蚀：HCl+Al AlCl3+H2