光刻与刻蚀工艺综述

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1、微电子工艺学 Microelectronic Processing 第六章 光刻与刻蚀工艺 张道礼 教授 Email: zhang-daoli Voice: 87542894 图形转移 光 刻 刻 蚀 薄膜制备 掺 杂 扩散掺杂 离子注入掺杂 物理气相淀积 化学气相淀积 外 延 微电子单项工艺 6.1 概述 基本工艺步骤：平面工艺技术已广泛应用于现 今的集成电路(IC)工艺。显示平面工艺的几个主 要步骤包含氧化(oxidation)、光刻 (1ithography)、离子注入(ion implant)和金属 化(metallization)。 6.1 概述 氧化：高品质SiO2的成功开发，是

2、推动硅(Si)集成电路成为商用产品主 流的一大动力。一般说来， SiO2可 作为许多器件结构的绝缘体，或在 器件制作过程中作为扩散或离子注 入的阻挡层。如在p-n结的制造过程 中， SiO2薄膜可用来定义结的区域 。 图 (a)显示一无覆盖层的硅晶片，正 准备进行氧化步骤。在氧化步骤结 束后，一层SiO2就会均匀地形成在 晶片表面。为简化讨论，图 (b)只显 示被氧化晶片的上表层。 6.1 概述 光刻技术被用来界定p-n结的几何形状。 在形成SiO2之后。利用高速旋转机，将晶 片表面旋涂一层对紫外光敏感的材料，称 为光刻胶(photo-resist)。将晶片从旋转机 拿下之后图 (c)，在80

3、C100C之间烘烤 。以驱除光刻胶中的溶剂并硬化光刻胶， 加强光刻胶与晶片的附着力。如图 (d)所示 ，下一个步骤使用UV光源，通过一有图案 的掩模版对晶片进行曝光。对于被光刻胶 覆盖的晶片在其曝光的区域将依据光刻胶 的型态进行化学反应。而被暴露在光线中 的光刻胶会进行聚合反应，且在刻蚀剂中 不易去除。聚合物区域在晶片放进显影剂 (developer)后仍然存在，而未被曝光区域( 在不透明掩模版区域之下)会溶解并被洗去 。 6.1 概述 图 (a)为显影后的晶片。晶片再 次于120180 之间烘烤 20min，以加强对衬底的附着 力和即将进行的刻蚀步骤的抗 蚀能力。然后，使用缓冲氢氟 酸作酸刻

4、蚀液来移除没有被光 刻胶保护的一。氧化硅表面， 如图4(b)所示。最后，使用化 学溶剂或等离子体氧化系统剥 离(stripped)光刻胶。图 (c)显 示光刻步骤之后，没有氧化层 区域(一个窗户)的最终结果。晶 片此时已经完成准备工作，可 接着用扩散或离子注入步骤形 成p-n结。 6.1 概述 在扩散方法中，没有被SiO2 保护的半导体表面暴露在相 反型态的高浓度杂质中。杂 质利用固态扩散的方式，进 入半导体晶格。在离子注入 时，将欲掺杂的杂质离子加 速到一高能级，然后注入半 导体内。 SiO2可作为阻挡杂 质扩散或离子注入的阻挡层 。在扩散或离子注入步骤之 后，p-n结已经形成，如图 (d)

5、所示。由于被注入的离子 横向扩散或横向散开(lateral straggle，又译横向游走)的 关系，P型区域会比所开的窗 户稍微宽些。 6.1 概述 在扩散或离子注入步骤之后，欧 姆接触和连线在接着的金属化 步骤完成图 (e)。金属薄膜可以 用物理气相淀积和化学气相淀积 来形成。光刻步骤再度用来定义 正面接触点，如图 (f)所示。一 相似的金属化步骤可用来定义背 面接触点，而不用光刻工艺。一 般而言，低温(500。C)的退火 步骤用来促进金属层和半导体之 间的低电阻接触点。随着金属化 的完成，p-n结已经可以工作了 。 6.1 概述 图形转移(pattern transfer)是微电子工艺的

6、重要基础，其作 用是使器件和电路的设计从图纸或工作站转移到基片上得以实现， 我们可以把它看作是一个在衬底上建立三维图形的过程，包括光刻 和刻蚀两个步骤。 光刻 (lithography，又译图形曝光 )：使用带有某一层设计几 何图形的掩模版(mask)，通过光化学反应，经过曝光和显影，使光 敏的光刻胶在衬底上形成三维浮雕图形。将图案转移到覆盖在半导 体晶片上的感光薄膜层上(称为光致光刻胶、光刻胶或光阻，resist ，简称光刻胶)的一种工艺步骤。 这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域，如离子注入、 接触窗(contact window)与压焊垫(bonding-pad)区。而由光刻所 形成

7、的光刻胶图案，并不是电路器件的最终部分，而只是电路图形 的印模。 6.1 概述 在集成电路制造中，主要的光刻设备是利用紫外光(0.2 0.4m)的光学仪器。 刻蚀：在光刻胶掩蔽下，根据需要形成微图形的膜层不同，采 用不同的刻蚀物质和方法在膜层上进行选择性刻蚀。 这样，去掉光刻胶以后，三维设计图形就转移到了衬底的相关 膜层上。图形转移工艺是如此重要，以至一种微电子工艺技术的水 平通常以光刻和刻蚀的图形线宽（特征尺寸）表示。 6.1 概述 光刻（lithography）是以一种被称为光刻胶的光敏感聚 合物为主要材料的照相制版技术。集成电路发明至今， 电路集成度提高了六个数量级以上，主要归功于光刻技

8、 术的进步。 非光学曝光 光学曝光 遮蔽式曝光 投影式曝光 曝光方式 电子束曝光 X 射线曝光 超紫外光曝光 离子束曝光 8.2 光刻工艺 光刻工艺的重要性源于两个方面： a. 微电子制造需进行多次光刻，耗费总成本的30 。因此光刻是主流微电子制造过程中最复杂、昂贵和关键 的工艺； b. 随着器件和电路特征尺寸的不断缩小，光刻工艺 已成为微电子技术进一步发展的主要瓶颈。 在目前基础上进一步缩小光刻图形尺寸会遇到一系 列技术上甚至理论上的难题，因此大批科学家和工程师正 在从光学、物理学、化学、精密机械、自动控制以及电子 技术等不同途径对光刻技术进行深入的研究和探索。 8.2 光刻工艺 以ULSI

9、为例，对光刻技术的基本要求包括几个方面： a. 高分辨率：以线宽作为光刻水平的标志； b. 高灵敏度光刻胶：为提高产量，希望曝光时间尽量短； c. 低缺陷：光刻引入缺陷所造成的影响比其它工艺更为严重； d. 精密的套刻对准：一般器件结构允许套刻误差为线宽的10； e. 对大尺寸基片的加工：在大尺寸基片上光刻难度更大。 层次索引 接触孔（14层） 第一层金属（15层） 有源区（3层） 栅（10层） 1m 1m 1.2m 1.2m 0.8 - 1.5m 8.2 光刻工艺 光刻胶 光刻胶（photoresist，又称光致抗蚀剂）是一类对辐照敏感的 、由碳、氢、氧等元素组成的有机高分子化合物，这类化合

10、物中均 含有一种可以由特定波长的光引发化学反应的感光剂（PAC: photoactive compound）。依其对光照的反应分成正性光刻胶 与负性光刻胶。 在一定外界条件（如曝光）的作用下，光刻胶的分子结构由于 光化学反应而发生变化，进而引起其化学、物理或机械性质发生相 应变化，例如在显影液中的溶解度发生变化，由可溶性变为不可溶 性或者相反。这样，光刻胶感光部分与未感光部分在显影液中的溶 解速度就出现差异。在微电子工艺中，就是利用光刻胶的这一特性 来进行光刻的。 8.2 光刻工艺 正胶和负胶图形转移 光刻胶通常可分为正性胶和负性 胶两类，两者经曝光和显影后得到的 图形正好相反。显影时，正胶的

11、感光 区较易溶解而未感光区不溶解，所形 成的光刻胶图形是掩模版图形的正映 象。负胶的情况正相反，显影时感光 区较难溶解而未感光区溶解，形成的 光刻胶图形是掩模版图形的负映象。 8.2 光刻工艺 光学光刻使用的正胶通常含有三种主要成分：酚醛树脂、感光 剂和有机溶剂。曝光前的光刻胶基本上不溶于显影液。曝光时， 感光剂 如 g 线（436 nm）和 i 线（365 nm）光刻时正胶中 的重氮醌（DNQ），因吸收光能而导致化学结构发生变化，在显 影液中的溶解度比曝光前高出很多（约100倍）。显影后，感光 部分光刻胶被溶解去除。 正胶 断链 交联 负胶 8.2 光刻工艺 邻近效应 在光学图形曝光中，分辨

12、率的好坏是由衍射来决定 的。 在电子束图形曝光中。分辨率并非由衍射光决定( 因为具有数个千电子伏或是更高的能量的电子，其 对应的波长比0.1nm更短)而是由电子散射决定。 当电子穿过光刻胶与下层的基材时，这些电子将经 历碰撞而造成能量损失与路径的改变因此这些入 射电子在行进中会散开，直到它们的能量完全损失 或是因背散射而离开为止。 8.2 光刻工艺 8.2 光刻工艺 图(a)为用计算机计算的初始能量为 20keV的100个电子轨迹，射入厚硅 衬底上一个厚度为0.4m的PMMA 薄膜层。此电子束沿z轴方向入射， 所有的电子轨迹都投影在xz平面上。 此图定性显示电子分布在一个椭圆形 的梨状区域内。

13、而其直径大小与电子 的穿透深度约为同一数量级(约 3.5m)。另外，许多电子也因经历 背散射碰撞而从硅衬底反向行进进入 PMMA光刻胶再离开。 8.2 光刻工艺 图(b)显示在光刻胶与衬底界面中，正 散射与背散射电子的归一化分布。由 于背散射的关系，这些散射电子可以 有效地辐照到距曝光束中心点几微米 的区域。将这些环绕区域光照的剂量 加起来，可知当电子束曝光某一个区 域，将会影响到附近区的曝光，此现 象称为邻近效应。邻近效应的限制会 发生在图案间的空间很小时，而修正 邻近效应的方法是将图案分割成更小 的区域。将每一个小区域的入射电子 剂量作一些调整，使其与周围其他小 区域散射的电子剂量合起来，

14、恰为正 确的曝光剂量。 真空 氦气环境 二、X 射线曝光 X射线曝光（XRL）有望取代 光学曝光进行100nm 超微细加工。 它采用类似于接近式光学曝光的遮蔽 式曝光方法， X 射线通过1:1的掩模 进行曝光，掩模位置距衬底10 40m。 X 射线曝光有效利用了电子束 曝光高分辨率的特点（理论分辨率高 于 50nm），且比电子束曝光更适 于大规模生产。但 X射线曝光也存在 一些问题尚待解决，如X 射线不易聚 焦，易导致图形畸变；掩模版制备比 较困难等等。 接近式X射线曝光系统示意 8.2 光刻工艺 XRL图形曝光极有潜力继承光学图形曝光来制作 100nm的集成电路。当利用同步辐射光储存环进行批

15、量 生产时，一般选择X射线源。它提供一个大的聚光通量， 且可轻易容纳10-20台光刻机。 XRL是利用类似光学遮蔽接近式曝光的一种遮蔽式曝 光。掩模版为XRL系统中最困难且关键的部分，而且X射 线掩模版的制作比光学掩模版来得复杂。为了避免X射线 在光源与掩模版间被吸收，通常曝光都在氦的环境下完成 。 可以利用电子束光刻胶来作为X射线光刻胶，因为当X射 线被原子吸收，原子会进入激发态而射出电子。激发态原 子回到基态时，会释放出X射线，此X射线被原子吸收， 故此过程一直持续进行。所有这些过程都会造成电子射出 ，所以光刻胶在X射线照射下，就相当于被大量的二次电 子照射。 8.2 光刻工艺 X 射线曝光时，波长一般选择在 0.24 nm 之间。掩模是X 射线曝光系统中最困难和最关键的部分，X 射线掩模版的材料组 成、结构形式和制作工艺比光学掩模复杂得多。 掩模衬底： 低原子序数材料（如碳化硅、氮 化硼、硅、铍等），用 LPCVD 制成薄膜片（1-2 m）。 吸收体薄膜： 高原子序数材料（如钽、钨、金 及其合金），蒸发、射频溅射或 电镀法制成薄膜（约0.5 m） 。 掩模图形： 电子束扫描光刻和干法刻蚀、精 细电镀等图形转移技术实现。 8.2 光刻工艺 X 射线空白掩模版基板制备工艺 由于X 射线有很强的穿透 力，通常用于深紫外曝光的 光刻胶在 X射线波段灵敏度 非常低，曝光