第八章 光刻與刻蝕工藝

第八章光刻與刻蝕工藝主講：毛維mwxidian@126.com西安電子科技大學微電子學院緒論光刻：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；緒論光刻膠三維圖案線寬間隙厚度襯底光刻膠緒論集成電路芯片的顯微照片緒論接觸型光刻機

步進型光刻機

緒論掩膜版與投影掩膜版

投影掩膜版（reticle）是一個石英版，它包含了要在硅片上重復生成的圖形。就像投影用的電影膠片的底片一樣。這種圖形可能僅包含一個管芯，也可能是幾個。

光掩膜版（photomask）常被稱為掩膜版(mask)，它包含了對于整個硅片來說確定一工藝層所需的完整管芯陣列。緒論掩膜版的質量要求：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。緒論特征尺寸（關鍵尺寸）

關鍵尺寸常用做描述器件工藝技術的節(jié)點或稱為某一代。0.25μm以下工藝技術的節(jié)點是0.18μm、0.15μm、0.1μm等。套準精度

光刻要求硅片表面上存在的圖案與掩膜版上的圖形準確對準，一般而言，器件結構允許的套刻誤差為器件特征尺寸的三分之一左右，當圖形形成要多次用到掩膜版時，任何套準誤差都會影響硅片表面上不同圖案間總的布局寬容度。而大的套準容差會減小電路密度，即限制了器件的特征尺寸，從而降低IC性能。緒論CleanRoom潔凈等級：塵埃數(shù)/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；8.1光刻工藝流程主要步驟：涂膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、刻蝕、去膠。兩種基本工藝類型：負性光刻和正性光刻。n-SiSiO2光刻膠光照掩膜版負性光刻n-SiSiO2光刻膠掩膜版光照不透光n-SiSiO2SiO2腐蝕液光刻膠n-Si光刻膠n-Si紫外光島狀曝光區(qū)域變成交互鏈結，可抗顯影液之化學物質。光刻膠顯影后的圖案窗口光阻曝光區(qū)域光刻膠上的影子玻璃掩膜版上的鉻圖案硅基板光刻膠

氧化層光刻膠氧化層硅基板負性光刻n-SiSiO2光刻膠光照掩膜版正性光刻n-SiSiO2光刻膠掩膜版光照不透光n-SiSiO2SiO2腐蝕液光刻膠n-Si光刻膠n-Si正性光刻photoresistsiliconsubstrateoxideoxidesiliconsubstratephotoresist紫外光島狀曝光的區(qū)域溶解去除光刻顯影后呈現(xiàn)的圖案光刻膠上陰影光刻膠曝光區(qū)域光刻掩膜版之鉻島窗口硅基板光刻膠氧化物光阻氧化物硅基板印制在晶圓上所需求的光刻膠結構圖案窗口基板光刻膠島石英鉻島負光刻膠用所需的光刻圖案(與所要的圖案相反)正光刻膠用所需的光刻圖案(與所要的圖案相同)8.1光刻工藝流程PMOSFETNMOSFETCMOS反相器之橫截面CMOS反相器之上視圖光刻層決定后續(xù)制程的精確性。光刻圖案使各層有適當?shù)奈恢?、方向及結構大小，以利于蝕刻及離子植入。8.1光刻工藝流程8.1.1涂膠1.涂膠前的Si片處理(以在SiO2表面光刻為例)SiO2:親水性；光刻膠：疏水性；①脫水烘焙:去除水分②HMDS：增強附著力HMDS：六甲基乙硅氮烷——(CH3)6Si2NH作用：去掉SiO2表面的-OHHMDS熱板脫水烘焙和氣相成底膜8.1光刻工藝流程8.1.1涂膠2.涂膠①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√8.1光刻工藝流程8.1.2前烘①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——光刻膠黏附性降低，光刻膠中的感光劑發(fā)生反應（膠膜硬化），不易溶于顯影液，導致顯影不干凈。在真空熱板上軟烘8.1光刻工藝流程8.1.3曝光：光學曝光、X射線曝光、電子束曝光①光學曝光－紫外，深紫外?。┕庠矗焊邏汗療簦寒a生紫外(UV）光，光譜范圍為350~450nm。準分子激光器：產生深紫外(DUV）光，光譜范圍為180nm～330nm。KrF：λ=248nm；ArF：λ=193nm；F2：λ=157nm。8.1光刻工藝流程ⅱ）曝光方式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

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；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。8.1光刻工藝流程8.1.4顯影①作用：將未感光的負膠或感光的正膠溶解去除，顯現(xiàn)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。8.1光刻工藝流程③影響顯影效果的主要因素：?。┢毓鈺r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。8.1光刻工藝流程8.1.5堅膜①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ⅰ）恒溫烘箱：180－200℃，30min；ⅱ）紅外燈：照射10min，距離6cm。③溫度與時間?。﹫阅げ蛔悖焊g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。8.1光刻工藝流程8.1.6腐蝕（刻蝕）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腐蝕的方法ⅰ)濕法腐蝕：腐蝕劑是化學溶液。特點：各向同性腐蝕。ⅱ)干法腐蝕：腐蝕劑是活性氣體，如等離子體。特點：分辨率高；各向異性強。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；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(shù)。若可分辨的最小線寬為L（線條間隔也L），則R＝1/(2L)(mm-1)1.影響R的主要因素：①曝光系統(tǒng)（光刻機）：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。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(jù)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

①對光子：p=h/λ，故。上式物理含義：光的衍射限制了線寬≥λ/2。最高分辨率：②對電子、離子：具有波粒二象性（德布羅意波），則，

最細線寬：

結論：a.E給定：m↑→ΔL↓→R↑，即R離子>R電子

b.m給定：E↑→ΔL↓→R↑8.3光刻膠的基本屬性1.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。8.3光刻膠的基本屬性2.組份：基體（樹脂）材料、感光材料、溶劑；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%聚乙烯醇肉桂酸脂（KPR）的光聚合反應8.3光刻膠的基本屬性8.3.1對比度γ表征曝光量與光刻膠留膜率的關系；以正膠為例臨界曝光量D0：使膠膜開始溶解所需最小曝光量；閾值曝光量D100：使膠膜完全溶解所需最小曝光量；8.3.1對比度γ直線斜率（對比度）：

對正膠

對負膠

γ越大，光刻膠線條邊緣越陡。8.3光刻膠的基本屬性8.3.3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(shù)；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8.3.4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。正膠抗蝕能力大于負膠；抗蝕性與分辨率的矛盾：分辨率越高，抗蝕性越差；8.3光刻膠的基本屬性8.3.5黏著力表征光刻膠與襯底間粘附的牢固程度。評價方法：光刻后的鉆蝕程度，即鉆蝕量越小，粘附性越好。增強黏著力的方法：①涂膠前的脫水；②HMDS；③提高堅膜的溫度。8.3.6溶解度和黏滯度8.3.7微粒數(shù)量和金屬含量8.3.8存儲壽命8.5抗反射涂層工藝8.5.1駐波效應

穿過光刻膠膜到達襯底表面，并在襯底表面被反射又回到光刻膠中反射光波與光刻膠中的入射光波發(fā)生干涉，形成駐波。影響：導致曝光的線寬發(fā)生變化。8.5.2底層抗反射涂層(BARC)

作用：利用反射光波的干涉，減弱駐波效。制作：PVD法、CVD法。

8.6紫外光曝光光源：紫外（UV）、深紫外（DUV）；方法：接觸