教学课件：第八章光刻与刻蚀工艺.ppt

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1、集成电路制造技术集成电路制造技术第八章第八章 光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺西安电子科技大学西安电子科技大学微电子学院微电子学院戴显英戴显英2012013 3年年9 9月月主要内容主要内容n光刻的重要性光刻的重要性n光刻工艺流程光刻工艺流程n光源光源n光刻胶光刻胶n分辨率分辨率n湿法刻蚀湿法刻蚀n干法刻蚀干法刻蚀第八章第八章 光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺nICIC制造中最重要的工艺：制造中最重要的工艺：决定着芯片的最小特征尺寸决定着芯片的最小特征尺寸占芯片制造时间的占芯片制造时间的40-50%40-50%占制造成本的占制造成本的30%30%n光刻：光刻：通过光化学反应，将光刻版（通过光化学反应，

2、将光刻版（maskmask）上的图形转）上的图形转 移到光刻胶上。移到光刻胶上。n刻蚀：刻蚀：通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到SiSi片上片上n光刻三要素：光刻三要素：光刻机光刻机光刻版（掩膜版）光刻版（掩膜版）光刻胶光刻胶nULSIULSI对光刻的要求：对光刻的要求：高分辨率；高灵敏的光刻胶；高分辨率；高灵敏的光刻胶；低缺陷；精密的套刻对准；低缺陷；精密的套刻对准；第八章第八章 光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺n特征尺寸与栅长的摩尔定律特征尺寸与栅长的摩尔定律n与特征尺寸相应的光源与特征尺寸相应的光源第八章第八章 光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺n接触式与投影

3、式光刻机接触式与投影式光刻机掩模版掩模版n掩膜版的质量要求掩膜版的质量要求若每块掩膜版上图形成品率若每块掩膜版上图形成品率9090，则，则6 6块光刻版，其管芯图形成品率（块光刻版，其管芯图形成品率（9090）6 65353；1010块光刻版，其管芯图形成品率（块光刻版，其管芯图形成品率（9090）10103535；1515块光刻版，其管芯图形成品率（块光刻版，其管芯图形成品率（9090）15152121；最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。n掩膜版尺寸：掩膜版尺寸：接触式接近式和投影式曝光机：接触式接近式和投影式曝光机：11 11 分步重复投影

4、光刻机（分步重复投影光刻机（StepperStepper）：）：4141；5151；101 101Clean RoomClean Room净化间净化间n洁净等级：洁净等级：尘埃数尘埃数/m/m3 3；（尘埃尺寸为（尘埃尺寸为0.50.5mm）1010万级：万级：350350万，单晶制备；万，单晶制备；1 1万级：万级：3535万，封装、测试；万，封装、测试；10001000级：级：3500035000，扩散、，扩散、CVDCVD；100100级：级：35003500，光刻、制版；，光刻、制版；n深亚微米器件深亚微米器件（尘埃尺寸为（尘埃尺寸为0.10.1mm）1010级：级：350350，光刻

5、、制版；，光刻、制版；1 1级：级：3535，光刻、制版；，光刻、制版；n光刻工艺的基本步骤光刻工艺的基本步骤 涂胶涂胶 Photoresist coatingPhotoresist coating 曝光曝光 ExposureExposure 显影显影 DevelopmentDevelopment8.1 8.1 光刻工艺光刻工艺Photolithography Processn光刻工艺的主要步骤光刻工艺的主要步骤涂胶涂胶 前烘前烘 曝光曝光后烘后烘显影显影坚膜坚膜 1)1)清洗硅片清洗硅片 Wafer CleanWafer Clean2)2)预烘和打底胶预烘和打底胶 Pre-bake and

6、Primer VaporPre-bake and Primer Vapor3 3、涂胶、涂胶 Photoresist CoatingPhotoresist Coating4 4、前烘、前烘 Soft BakeSoft Bake8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程5 5、对准、对准 AlignmentAlignment6 6、曝光、曝光 ExposureExposure7 7、后烘、后烘 Post Exposure BakePost Exposure Bake8 8、显影、显影 DevelopmentDevelopment8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程9 9、坚膜、

7、坚膜 Hard BakeHard Bake1010、图形检测、图形检测 Pattern InspectionPattern Inspection8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程光刻光刻1 1清洗清洗光刻光刻2 2预烘和打底膜预烘和打底膜nSiOSiO2 2:亲水性；光刻胶：疏水性；亲水性；光刻胶：疏水性；n预烘：去除预烘：去除SiSi片水汽，增强光刻片水汽，增强光刻胶与表面的黏附性；大约胶与表面的黏附性；大约1001000 0C C；n打底膜：涂打底膜：涂HMDSHMDS（六甲基乙硅氮（六甲基乙硅氮烷），去掉烷），去掉SiOSiO2 2表面的表面的-OH-OH，增强，增强光刻胶

8、与表面的黏附性。光刻胶与表面的黏附性。nRCARCA标准清洗标准清洗8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程光刻光刻3 3涂胶涂胶 Spin CoatingSpin Coatingn圆片放置在涂胶机的真空卡盘上圆片放置在涂胶机的真空卡盘上n高速旋转高速旋转n液态光刻胶滴在圆片中心液态光刻胶滴在圆片中心n光刻胶以离心力向外扩展光刻胶以离心力向外扩展n均匀涂覆在圆片表面均匀涂覆在圆片表面EBR:Edge bead removal边缘修复要求：粘附良好，均匀，薄厚适当要求：粘附良好，均匀，薄厚适当n胶膜太薄针孔多，抗蚀性差；胶膜太薄针孔多，抗蚀性差；n胶膜太厚分辨率低（分辨率是膜厚胶膜太厚分

9、辨率低（分辨率是膜厚的的5 58 8倍）倍）涂胶方法：浸涂，喷涂，涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂旋涂旋转涂胶旋转涂胶 Spin CoatingSpin Coating8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系n与涂胶旋转速率成反比与涂胶旋转速率成反比n与光刻胶粘性成正比与光刻胶粘性成正比光刻光刻4 4前烘前烘Soft BakeSoft BakeBaking Systems作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；增加胶膜与作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；增加胶膜与SiOSiO2 2 （AlAl膜等）的粘附性及耐磨性。膜

10、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）显影时易浮胶，图形易变形。烘焙不足（温度太低或时间太短）显影时易浮胶，图形易变形。n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。烘焙时间过长增感剂挥发，导致曝光时间增长，甚至显不出图形。n烘焙温度过高感光剂反应（胶膜硬化），不易溶于显影液，导致显烘焙温度过高感光剂反应（胶膜硬化），不易溶于显影液，导致显影不干净。影不干净。8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程5-65-6、对准与曝光、对准与曝光 Alignment and ExposureAlignment and Exp

11、osurenMost critical process for IC fabricationnMost expensive tool(stepper)in an IC fab.nDetermines the minimum feature sizenCurrently 45nm and pushing to 32 nmn接触式曝光机接触式曝光机n接近式曝光机接近式曝光机n投影式曝光机投影式曝光机n步进式曝光机（步进式曝光机（StepperStepper）1 1）对准和曝光设备）对准和曝光设备 -光刻机光刻机8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程接触式曝光示意图接触式曝光示意图步进步进

12、-重复（重复（StepperStepper）曝光示意图曝光示意图接近式曝光示意图接近式曝光示意图投影式曝光示意图投影式曝光示意图光学曝光、光学曝光、X X射线曝光、电子束曝光射线曝光、电子束曝光光学曝光光学曝光紫外，深紫外紫外，深紫外n高压汞灯：紫外高压汞灯：紫外(UV(UV），），300300450nm450nm；i i线线365nm365nm，h h线线405nm405nm，g g线线436nm436nm。n准分子激光：准分子激光：KrFKrF：=248nm=248nm；ArFArF：=193nm=193nm；nF F2 2激光器：激光器：=157nm=157nm。高压汞灯紫外光谱高压汞灯

13、紫外光谱2 2）曝光光源：）曝光光源：8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程电子束曝光：电子束曝光：几十几十-100-100；n优点：分辨率高；不需光刻版优点：分辨率高；不需光刻版（直写式）；（直写式）；n缺点：产量低（适于制备光刻版）缺点：产量低（适于制备光刻版）；X X射线曝光：射线曝光：2-402-40 ，软，软X X射射线；线；nX X射线曝光的特点：分辨率高，产射线曝光的特点：分辨率高，产量大。量大。极短紫外光（极短紫外光（EUVEUV）：）：101014nm14nm下一代曝光方法下一代曝光方法8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程商用商用X-rayX-ray光刻

14、机光刻机光刻光刻7 7曝光后烘焙（后烘，曝光后烘焙（后烘，PEBPEB）n烘焙温度高于光刻胶玻璃化转变温度（烘焙温度高于光刻胶玻璃化转变温度（TgTg）n光刻胶分子发生热运动光刻胶分子发生热运动n过曝光和欠曝光的光刻胶分子发生重分布过曝光和欠曝光的光刻胶分子发生重分布n平衡驻波效应，平滑光刻胶侧墙，平衡驻波效应，平滑光刻胶侧墙，n目的：提高分辨率目的：提高分辨率8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程光刻胶中的驻波效应光刻胶中的驻波效应光刻光刻8 8显影显影(Development)Development)n显影液显影液溶解掉光刻胶中软化部分溶解掉光刻胶中软化部分（曝光的正胶或未曝光（

15、曝光的正胶或未曝光的负胶）的负胶）n从掩膜版转移图形到光刻胶上从掩膜版转移图形到光刻胶上n三个基本步骤三个基本步骤:显影、漂洗、干燥显影、漂洗、干燥8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程显影液：显影液：专用专用n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KOHKOH、TMAH(TMAH(四甲基氢氧化胺水溶液四甲基氢氧化胺水溶液)，等。，等。n负胶显影液：有机溶剂，如丙酮、甲苯等。负胶显影液：有机溶剂，如丙酮、甲苯等。例，例，KPRKPR（负胶）的显影液：丁酮最理想；（负胶）的显影液：丁酮最理想；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

16、大。8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程光刻光刻8 8显影显影(Development)Development)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 t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SiOSiO2 2(金属）金属）氧化层氧化层“小岛小岛”。nt t太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶 图形边缘破坏。图形边缘破坏。8.1.1

17、8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程光刻光刻8 8显影显影(Development)Development)正常显影过显影不完全显影欠显影显影后剖面显影后剖面光刻光刻8 8显影显影(Development)Development)8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程光刻光刻9 9坚膜坚膜（Hard BakeHard Bake）n蒸发蒸发PRPR中所有有机溶剂中所有有机溶剂n提高刻蚀和注入的抵抗力提高刻蚀和注入的抵抗力n提高光刻胶和表面的黏附性提高光刻胶和表面的黏附性n坚膜温度坚膜温度:100:100 到到1301300 0C Cn坚膜时间：坚膜时间：1 1 到到2 2 分钟分钟坚膜

18、工艺：坚膜工艺：烘箱、红外灯烘箱、红外灯n坚膜不足：光刻胶不能充分聚合，黏附性变差，显影坚膜不足：光刻胶不能充分聚合，黏附性变差，显影时易浮胶、钻蚀。时易浮胶、钻蚀。n过坚膜：光刻胶流动造成分辨率变差，易翘曲和剥落过坚膜：光刻胶流动造成分辨率变差，易翘曲和剥落n若若T300T300：光刻胶分解，失去抗蚀能力。：光刻胶分解，失去抗蚀能力。坚膜控制坚膜控制正常坚膜正常坚膜过坚膜过坚膜8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程光刻光刻1010图形检测（图形检测（Pattern InspectionPattern Inspection）检查发现问题，剥去光刻胶，重新开始检查发现问题，剥去光刻胶，

19、重新开始 光刻胶图形是暂时的光刻胶图形是暂时的 刻蚀和离子注入图形是永久的刻蚀和离子注入图形是永久的 光刻工艺是可以返工的，光刻工艺是可以返工的，刻蚀和注入以后就不能再返工刻蚀和注入以后就不能再返工 检测手段：检测手段：SEMSEM（扫描电子显微镜）、光学显微镜（扫描电子显微镜）、光学显微镜n问题：能否用光学显微镜检查0.25m尺寸的图形?不能。因为特征尺寸不能。因为特征尺寸(0.25 m mm=250nm)小于可见光小于可见光的波长，可见光波长为的波长，可见光波长为390nm(紫光紫光)to 750nm(红光红光)。8.1.1 8.1.1 光刻工艺流程光刻工艺流程8.1.2 8.1.2 分辨

20、率分辨率n分辨率分辨率R R表征光刻精度，光刻时所能得到的光刻图形表征光刻精度，光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。的最小尺寸。n表示方法：每表示方法：每mmmm最多可容纳的线条数。若可分辨的最小线最多可容纳的线条数。若可分辨的最小线 宽为宽为L L线条间隔也是线条间隔也是L L），则分辨率），则分辨率R R为为 R R1/(2L)(mm1/(2L)(mm-1-1)1.1.影响影响R R的主要因素：的主要因素：曝光系统（光刻机）：如曝光系统（光刻机）：如X X射线（电子束）的射线（电子束）的R R高于紫外光。高于紫外光。光刻胶：正胶的光刻胶：正胶的R R高于负胶；高于负胶；其他：掩模版、衬底、

21、显影、工艺、操作者等。其他：掩模版、衬底、显影、工艺、操作者等。表表1 1 影响光刻工艺效果的一些参数影响光刻工艺效果的一些参数8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率2.2.衍射对衍射对R R的限制的限制n 设一任意粒子（光子、电子），根据不确定关系，有设一任意粒子（光子、电子），根据不确定关系，有 LpLphhn粒子束动量的最大变化为粒子束动量的最大变化为pp=2p=2p，相应地，相应地n若若LL为线宽，即为最细线宽，则为线宽，即为最细线宽，则n最高分辨率最高分辨率 8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率 对光子：对光子：p=h/p=h/，故，故 。n物理含义：光的衍射限制了线宽物理含义：光的衍

22、射限制了线宽 /2/2。n最高分辨率最高分辨率限制限制：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 ，n最细线宽：最细线宽：a.E a.E给定：给定：mmLLRR，即，即R R离子离子 R R电子电子 b b.m.m给定：给定：EELLRR8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率3.3.光衍射影响分辨率光衍射影响分辨率衍射光投射光强度偏离的折射光被凸镜收集的衍射光波长越短，衍射越弱波长越短，衍射越弱光学凸镜能够收集衍射光学凸镜能够收集衍射光并增强图像光并增强图像8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率1 1）数值孔径）数值孔径NA NA（Numeric

23、al ApertureNumerical Aperture）nNANA：表示凸镜收集衍射光的能力：表示凸镜收集衍射光的能力nNA=2 rNA=2 r0 0/D/D r r0 0 :凸镜的半径凸镜的半径 D D：目标（掩膜）与凸镜的距离目标（掩膜）与凸镜的距离 NA NA越大，凸镜收集更多的衍射光，产生更尖锐的图形越大，凸镜收集更多的衍射光，产生更尖锐的图形n可产生、可重复的最小特征尺寸可产生、可重复的最小特征尺寸n由曝光系统的光波长和数值孔径决定由曝光系统的光波长和数值孔径决定n分辨率表达式：分辨率表达式：R=KR=K1 1/NANAnK K1 1 为系统常数为系统常数,光波长光波长,NA N

24、A 数值孔径。数值孔径。2 2）分辨率）分辨率 R R Resolution Resolution8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率n提高提高NANA 更大的凸镜更大的凸镜,可能很昂贵而不实际可能很昂贵而不实际 减小减小DOFDOF（焦深），会引起制造困难（焦深），会引起制造困难n减小光波长减小光波长 开发新光源开发新光源,PR,PR和设备和设备 波长减小的极限：波长减小的极限：UVUV到到DUV,DUV,到到EUV,EUV,到到X-RayX-Rayn减小减小K K1 1 相移掩膜相移掩膜（Phase shift maskPhase shift mask）3)3)提高分辨率的途径提高分辨率的

25、途径8.1.2 8.1.2 分辨率分辨率8.1.3 8.1.3 光刻胶光刻胶-Photoresist(PR)Photoresist(PR)n光敏性材料：光照时发生光敏性材料：光照时发生化学分解或聚合反应化学分解或聚合反应n临时性地涂覆在硅片表面临时性地涂覆在硅片表面n通过曝光转移设计图形到通过曝光转移设计图形到光刻胶上光刻胶上n类似于照相机胶片上涂覆类似于照相机胶片上涂覆的光敏材料的光敏材料n正性胶和负性胶正性胶和负性胶Negative Negative PhotoresistPhotoresist负性光刻胶负性光刻胶负胶负胶Positive Positive PhotoresistPhoto

26、resist正性光刻胶正性光刻胶正胶正胶曝光后曝光后不可溶解不可溶解曝光后曝光后可溶解可溶解显影时未曝显影时未曝光的被溶解光的被溶解显影时曝光显影时曝光的被溶解的被溶解便宜便宜高分辨率高分辨率负胶负胶Negative hotoresists：Comparison of Photoresists8.1.3 8.1.3 光刻胶光刻胶-Photoresist(PR)-Photoresist(PR)正胶正胶Positive Photoresists：n聚合反应：显影时光照部分不聚合反应：显影时光照部分不溶解留下，未光照部分溶解；溶解留下，未光照部分溶解；n分辨率低分辨率低n分解反应：显影时光照部分被分

27、解反应：显影时光照部分被溶解，未光照部分留下溶解，未光照部分留下n分辨率高分辨率高n正胶（重氮萘醌）的光分解机理正胶（重氮萘醌）的光分解机理8.1.3 8.1.3 光刻胶光刻胶-Photoresist(PR)-Photoresist(PR)n负胶（聚乙烯醇肉桂酸脂）的光聚合机理负胶（聚乙烯醇肉桂酸脂）的光聚合机理8.1.3 8.1.3 光刻胶光刻胶-Photoresist(PR)-Photoresist(PR)1)1)聚合物材料聚合物材料n固体有机材料固体有机材料n光照下不发生化学反应光照下不发生化学反应n作用：保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性作用：保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性2)2)感光

28、材料感光材料n当被曝光时发生光化学反应而改变溶解性当被曝光时发生光化学反应而改变溶解性n正性光刻胶：由不溶变为可溶正性光刻胶：由不溶变为可溶n负性光刻胶：由可溶变为不溶负性光刻胶：由可溶变为不溶光刻胶基本组成光刻胶基本组成8.1.3 8.1.3 光刻胶光刻胶-Photoresist(PR)-Photoresist(PR)3)3)溶剂溶剂n使光刻胶在涂到硅片表面之前保持液态使光刻胶在涂到硅片表面之前保持液态n允许采用旋涂的方法获得薄层光刻胶薄膜允许采用旋涂的方法获得薄层光刻胶薄膜4)4)添加剂添加剂n不同的添加剂获得不同的工艺结果不同的添加剂获得不同的工艺结果n增感剂：增大曝光范围；增感剂：增大

29、曝光范围；n染料：降低反射。染料：降低反射。光刻胶基本组成光刻胶基本组成8.1.3 8.1.3 光刻胶光刻胶-Photoresist(PR)-Photoresist(PR)n完成所需图形的最小曝光完成所需图形的最小曝光量；量；n表征：表征：S=n/ES=n/E，E-E-曝光量（曝光量（lxlxs s，勒克斯，勒克斯秒）秒）；n-n-比例系数；比例系数；n光敏度光敏度S S是光刻胶对光的敏是光刻胶对光的敏感程度的表征；感程度的表征；n正胶的正胶的S S大于负胶大于负胶光刻胶光敏度光刻胶光敏度S S8.1.3 8.1.3 光刻胶光刻胶-Photoresist(PR)-Photoresist(PR)

30、光刻胶抗蚀能力光刻胶抗蚀能力n表征光刻胶耐酸碱（或等离表征光刻胶耐酸碱（或等离子体）腐蚀的程度。子体）腐蚀的程度。n对湿法腐蚀：抗蚀能力较强；对湿法腐蚀：抗蚀能力较强；干法腐蚀：抗蚀能力较差。干法腐蚀：抗蚀能力较差。n负胶抗蚀能力大于正胶；负胶抗蚀能力大于正胶；n抗蚀性与分辨率的矛盾：分抗蚀性与分辨率的矛盾：分辨率越高，抗蚀性越差辨率越高，抗蚀性越差；1 1）紫外）紫外-汞灯汞灯ng-lineg-line（436 nm436 nm），），常用在常用在 0.5 0.5 m m光刻光刻ni-linei-line（365 nm365 nm），），常用在常用在 0.35 0.35 m m光刻光刻8.1

31、.4 8.1.4 光源光源nKrFKrF（248 nm248 nm），），0.25 0.25 m,0.18 m,0.18 m and m and 0.13 0.13 m mnArFArF（193 nm193 nm），），0.13 0.13 m m（目前目前32nm32nm）nF F2 2（157 nm157 nm），），应用应用 0.10 33m m）。）。接近式曝光接近式曝光8.1.5 8.1.5 曝光方式曝光方式n利用光学系统，将光刻版的图形利用光学系统，将光刻版的图形 投影在硅片上。投影在硅片上。投影式曝光投影式曝光n优点：光刻版不受损伤，优点：光刻版不受损伤，对准精度高。对准精度高。n

32、缺点：光学系统复杂，缺点：光学系统复杂，对物镜成像要求高。对物镜成像要求高。n应用：应用：3 3m m以下特征尺寸光刻。以下特征尺寸光刻。8.1.5 8.1.5 曝光方式曝光方式分步重复投影光刻机分步重复投影光刻机-Stepper-Steppern采用折射式光学系统和采用折射式光学系统和4X5X4X5X的缩小透镜。的缩小透镜。n光刻版：光刻版：4X4X、5X5X、10X10X；n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；n采用了分步对准聚焦技术。采用了分步对准聚焦技术。8.1.5 8.1.5 曝光方式曝光方式8.1.6 8.1.6 掩模版（光刻版）掩模版（光刻版）Ma

33、skMaskn玻璃、石英。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。基版材料基版材料掩膜材料掩膜材料金属版（金属版（CrCr版）：版）：CrCr2 2O O3 3抗反射层抗反射层/金属金属Cr/CrCr/Cr2 2O O3 3基层基层n特点：针孔少，强度高，分辨率高。特点：针孔少，强度高，分辨率高。乳胶版卤化银乳胶乳胶版卤化银乳胶 n特点：分辨率低（特点：分辨率低（2-3 m2-3 m），易划伤。），易划伤。nPSMPSM：Phase-Shift MaskPhase-Shift Maskn作用：消除干涉，作用：消除干涉，提高分辨率；提高分辨

34、率；n原理：在原理：在MaskMask的透明图形的透明图形上增加一个透明的介质层上增加一个透明的介质层-移相器，使光通过后产移相器，使光通过后产生生1801800 0的相位差。的相位差。移相掩模（移相掩模（PSMPSM）8.1.6 8.1.6 掩模版（光刻版）掩模版（光刻版）MaskMask基本概念基本概念n刻蚀：从刻蚀：从SiSi片表面去除不需要的材料，如片表面去除不需要的材料，如SiSi、SiO2SiO2，金属、光刻胶等金属、光刻胶等n化学、物理过程或两者结合：湿法和干法化学、物理过程或两者结合：湿法和干法n各向同性与各向异性：选择性或覆盖刻蚀各向同性与各向异性：选择性或覆盖刻蚀n选择性刻

35、蚀转移光刻胶上的选择性刻蚀转移光刻胶上的ICIC设计图形到晶圆表面设计图形到晶圆表面n其它应用其它应用:制造掩膜制造掩膜,印制电路板印制电路板,艺术品艺术品,等等等等8.2 8.2 刻蚀工艺刻蚀工艺EtchEtch1 1）栅掩膜对准）栅掩膜对准 Gate Mask AlignmentGate Mask Alignment2 2）栅掩膜曝光）栅掩膜曝光 Gate Mask ExposureGate Mask Exposure3 3）显影）显影/坚膜坚膜/检查检查 Development/HardBake/InspectionDevelopment/HardBake/Inspection4 4）刻

36、蚀多晶硅）刻蚀多晶硅 Etch PolysiliconEtch Polysilicon刻蚀工艺举例刻蚀工艺举例5 5）刻蚀多晶）刻蚀多晶 Etch PolysiliconEtch Polysilicon6 6）光刻胶剥离）光刻胶剥离 Strip PhotoresistStrip Photoresist7 7）离子注入）离子注入 Ion ImplantationIon Implantation8 8）快速退火）快速退火 RTARTA刻蚀工艺举例刻蚀工艺举例8.2.1 8.2.1 湿法刻蚀湿法刻蚀n特点：特点：各相同性腐蚀各相同性腐蚀。n优点：工艺简单，优点：工艺简单，腐蚀选择性好。腐蚀选择性好。

37、n缺点：缺点：钻蚀严重钻蚀严重（各向异性差），（各向异性差），难于获得精细图形。难于获得精细图形。（刻蚀（刻蚀3 3m m以上线条）以上线条）n刻蚀的材料：刻蚀的材料：SiSi、SiOSiO2 2、SiSi3 3N N4 4及金属；及金属；n利用利用化学溶液化学溶液溶解硅表面的材料溶解硅表面的材料n三个基本过程：刻蚀、漂洗、干燥三个基本过程：刻蚀、漂洗、干燥SiSi的湿法刻蚀的湿法刻蚀n常用腐蚀剂常用腐蚀剂HNOHNO3 3-HF-H-HF-H2 2O(HAC)O(HAC)混合液混合液Si+HNOSi+HNO3 3+HF+HF H H2 2SiFSiF6 6+HNO+HNO2 2+H+H2 2

38、O+HO+H2 2HNOHNO3 3：强氧化剂；：强氧化剂；HFHF：腐蚀：腐蚀SiOSiO2 2；HACHAC：抑制：抑制HNOHNO3 3的分解；的分解；KOH-KOH-异丙醇异丙醇n常用配方：常用配方：HF:NHHF:NH4 4F:HF:H2 2O=3ml:6g:10mlO=3ml:6g:10ml (HF (HF溶液浓度为溶液浓度为4848)nHF HF：腐蚀剂，：腐蚀剂，SiOSiO2 2+HFH+HFH2 2SiFSiF6 6+H+H2 2O OnNHNH4 4F F：缓冲剂，：缓冲剂，NHNH4 4FNHFNH3 3+HF+HF SiOSiO2 2的湿法刻蚀的湿法刻蚀8.2.1 8

39、.2.1 湿法刻蚀湿法刻蚀SiSi3 3N N4 4的湿法腐蚀的湿法腐蚀n腐蚀液：热腐蚀液：热H H3 3POPO4 4，180180；被刻蚀材料被刻蚀材料SiSi3 3N N4 4SiOSiO2 2SiSi刻蚀速率刻蚀速率（nm/minnm/min）10101 10.50.5热热H H3 3POPO4 4刻蚀速率对比刻蚀速率对比8.2.1 8.2.1 湿法刻蚀湿法刻蚀n干法刻蚀：等离子体气体刻蚀（干法刻蚀：等离子体气体刻蚀（Plasma EtchPlasma Etch）n优点：优点：各向异性腐蚀强；各向异性腐蚀强；分辨率高；分辨率高；刻蚀刻蚀3 3m m以下线条。以下线条。n类型：类型：等离

40、子体刻蚀：化学性刻蚀；等离子体刻蚀：化学性刻蚀；溅射刻蚀：纯物理刻蚀；溅射刻蚀：纯物理刻蚀；反应离子刻蚀（反应离子刻蚀（RIERIE）：结合）：结合 、；8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀n刻蚀原理刻蚀原理a.a.产生等离子体产生等离子体:刻蚀气体经辉光放电后，成为具有很强化学活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性的离子及游离基-等离子体。等离子体。CF CF4 4 RFRF CF CF3 3*、CFCF2 2*、CFCF*、F F*BCl BCl3 3 RF RF BClBCl3 3*、BClBCl2 2*、ClCl*b.b.等离子体活性基团与被刻蚀材料发生化学反

41、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；各向异性差。特点：选择性好；各向异性差。n刻蚀气体：刻蚀气体：CFCF4 4、BClBCl3 3、CClCCl4 4、CHClCHCl3 3、SFSF6 6等。等。等离子体刻蚀等离子体刻蚀8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀n刻蚀原理刻蚀原理a.a.形成能量很高的等离子体；形成能量很高的等离子体；b.b.等离子体轰击被刻蚀的材料，使其被撞原子飞溅出来，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。形成刻蚀。n特点：各向异性好；选择性差。特点：各向异性好；选择性差。n刻蚀气体：惰性气体，刻蚀气体：惰性气体，ArAr气

42、；气；溅射刻蚀原理溅射刻蚀原理8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀n原理：同时利用了等离子刻蚀和溅射刻蚀机制原理：同时利用了等离子刻蚀和溅射刻蚀机制(化学刻蚀和化学刻蚀和物理刻蚀的结合物理刻蚀的结合)n刻蚀气体：活性等离子（化学反应）惰性等离子（轰击）刻蚀气体：活性等离子（化学反应）惰性等离子（轰击）n特点：刻蚀速率高且可控；刻蚀剖面各向异性且可控；特点：刻蚀速率高且可控；刻蚀剖面各向异性且可控；选择性好且可控选择性好且可控n目前目前8-128-12英寸制造中所有图形都是由英寸制造中所有图形都是由RIERIE刻蚀的刻蚀的反应离子刻蚀反应离子刻蚀8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀RIE

43、RIE试验试验8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀SiOSiO2 2和和SiSi的干法刻蚀的干法刻蚀n刻蚀剂：刻蚀剂：CFCF4 4、CHFCHF3 3、C C2 2F F6 6、SFSF6 6、C C3 3F F8 8 ；n等离子体：等离子体：CFCF4 4 CFCF3 3*、CFCF2 2*、CFCF*、F F*n化学反应刻蚀：化学反应刻蚀：F F*+SiSiF+SiSiF4 4 F F*+SiO+SiO2 2 SiF SiF4 4+O+O2 2 CF CF3 3*+SiO+SiO2 2 SiF SiF4 4+CO+CO+CO+CO2 2 8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀n实际

44、工艺：实际工艺：CFCF4 4中加入中加入O O2 2：调整选择比；：调整选择比；机理：机理：CFCF4 4+O+O2 2FF*+O+O*+COF+COF*+COF+COF2 2+CO+CO+CO+CO2 2 （初期：（初期：F F*比例增加；后期：比例增加；后期：O O2 2比比例增加）例增加）O O2 2吸附在吸附在SiSi表面，影响表面，影响SiSi刻蚀；刻蚀；SiOSiO2 2和和SiSi的干法刻蚀的干法刻蚀8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀nCFCF4 4中加中加H H2 2n作用：调整选择比；作用：调整选择比；n机理：机理：F F*+H+H*(H(H2 2)HF)HF CF

45、CFX X*(x3)+SiSiF(x3)+SiSiF4 4+C(+C(吸吸附在附在SiSi表面）表面）CF CFX X*(x3)+SiO(x3)+SiO2 2 SiF SiF4 4+CO+CO+CO+CO2 2+COF+COF2 2SiOSiO2 2和和SiSi的干法刻蚀的干法刻蚀8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀SiSi3 3N N4 4的干法刻蚀的干法刻蚀 n刻蚀剂：与刻蚀刻蚀剂：与刻蚀SiSi、SiOSiO2 2相同。相同。Si Si3 3N N4 4F F*SiF SiF4 4+N+N2 2n刻蚀速率：刻蚀速率介于刻蚀速率：刻蚀速率介于SiOSiO2 2与与SiSi之间；之间；（

46、Si-NSi-N键强度介于键强度介于Si-OSi-O键和键和Si-SiSi-Si键）键）n选择性：选择性：CF CF4 4：刻蚀刻蚀SiSi3 3N N4 4/SiO/SiO2 2-选择性差；选择性差；CHF CHF3 3：刻蚀：刻蚀SiSi3 3N N4 4/SiO/SiO2 2-选择性为选择性为2-42-4。刻蚀刻蚀SiSi3 3N N4 4/Si -/Si -选择性为选择性为3-53-5；刻蚀刻蚀SiOSiO2 2/Si -/Si -选择性大于选择性大于1010；8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀多晶硅与金属硅化物的干法刻蚀多晶硅与金属硅化物的干法刻蚀n多晶硅多晶硅/金属硅化物结构

47、：金属硅化物结构：MOSMOS器件的栅极；器件的栅极；n栅极尺寸：决定栅极尺寸：决定MOSFETMOSFET性能的关键；性能的关键；n金属硅化物：金属硅化物：WSiWSi2 2、TiSiTiSi2 2；n腐蚀要求：各向异性和选择性都高腐蚀要求：各向异性和选择性都高n刻蚀剂：刻蚀剂：CFCF4 4、SFSF6 6、ClCl2 2、HClHCl；n腐蚀硅化物：腐蚀硅化物：CFCF4 4+WSi+WSi2 2 WF WF4 4+SiF+SiF4 4+C+C Cl Cl2 2+WSi+WSi2 2 WCl WCl4 4+SiCl+SiCl4 4n腐蚀腐蚀poly-Sipoly-Si：氟化物（：氟化物（

48、CFCF4 4、SFSF6 6）-各向同性；各向同性；氯化物（氯化物（ClCl2 2、HClHCl）-各向异性，各向异性，选择性好（多晶硅选择性好（多晶硅/SiO/SiO2 2）。）。8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀铝及铝合金的干法腐蚀铝及铝合金的干法腐蚀n几个工艺问题：几个工艺问题：AlAl2 2O O3 3的去除：溅射、湿法腐蚀；的去除：溅射、湿法腐蚀；CuClCuCl2 2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 AlClHCl+Al AlCl3 3+H+H2 2n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

49、连线、接触；n铝合金：铝合金：Al-SiAl-Si、Al-AuAl-Au、Al-CuAl-Cu；n刻蚀方法：刻蚀方法：RIERIE、等离子体；、等离子体；n刻蚀剂：刻蚀剂：BClBCl3 3、CClCCl4 4、CHClCHCl3 3；Cl Cl*+Al AlCl+Al AlCl3 3 Cl Cl*+Al-Si AlCl+Al-Si AlCl3 3+SiCl+SiCl4 4 Cl Cl*+Al-Cu AlCl+Al-Cu AlCl3 3+CuCl+CuCl2 2（不挥发）（不挥发）8.2.2 8.2.2 干法刻蚀干法刻蚀8.2.3 8.2.3 干法刻蚀和湿法刻蚀的比较干法刻蚀和湿法刻蚀的比较8.2.4 8.2.4 刻蚀总结刻蚀总结湿法刻蚀：湿法刻蚀：刻蚀刻蚀3 3m m以上线条以上线条n优点：工艺简单，选择性好。优点：工艺简单，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。干法腐蚀：干法腐蚀：刻蚀刻蚀3 3m m以下线条以下线条n优点：各向异性强；分辨率高；优点：各向异性强；分辨率高；