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1、光刻工艺和刻蚀工艺,Xiao Chao,未来几代硅技术对光刻的要求,未来几代硅技术对光刻的要求,CAD设计系统,系统一般具有各种库，库中容纳了已知蚀可行的一些以前的设计，可以从库中将基本功能块或电路剪切下来，并粘贴到新的设计中 使用软件工具来辅助布线 另一些工具检查设计，以确保没有违反设计规则的情形 有电路级和系统级的模拟工具，可预言新设计的性能,未感光的光刻胶溶于显影溶液，称为负性光刻胶感光的光刻胶溶于显影溶液的称为正性光刻胶,光刻胶,光刻胶由三部分组成：1，感光剂；2，增感激；3，溶剂。,负性光刻胶依曝光时抗蚀剂结构变化的方式，又有两种典型类型。一种是利用抗蚀剂分子本身的感光性官能团，如双
2、健等进行交链反应形成三维的网状结构另一种是利用交链剂(又称架桥剂)进行交联形成三维的网状结构。聚烃类双叠氮系光致抗烛剂就是属于这一类,聚乙烯醇肉桂酸酯利用抗蚀剂分子本身的感光性官能团发生的光聚合反应如式：,遇光照射时发生分解反应，放出氮气，变成氮游离基，然后再与树脂上的双健发生反应，而成为网状结构的不溶性物质,交链剂双叠氮化合物,正型光致抗蚀剂,邻叠氮萘醌类化合物,在紫外光照射下发生分解反应，放出氮气，同时分子的结构经过重排形成五元环烯酮化合物，遇水经水解生成茚基羧酸衍生物,远紫外光抗蚀剂,电子束抗蚀剂,衡量光刻胶好坏的标准,1，感光度 2，分辨率 3，粘度及固态含有率 4，稳定性 5，抗蚀性
3、 6，黏附能力 7，针孔密度,光源,现代曝光系统所产生的像是受衍射限制的，而衍射效应又与曝光辐射的波长有很强的联系 从历史看，多数的光刻系统都使用弧光灯作为主要光源，内含有汞蒸汽，用光刻的灯消耗大约1千瓦功率 常用的汞二种特征波长：436nm（g线）和365nm（i线） 20世纪90年代早期，多数的光刻机使用g线， 在0.35m这一代中，i线步进光刻机是主宰 在深紫外光这一段，最亮的光源要数准分子激光 ，最有兴趣的二种源:KrF（248nm）和ArF（193nm），一般有二种元素，一种是惰性气体，一种是含卤化合物,准分子激光的主要问题 激光的可靠性和寿命 镜头系统中光学元件对曝光波长的透明度
4、寻找合适的光刻胶,248nm（KrF）,这些问题已解决，这种源已用于0.25m和0.18m的商品生产 ArF极有可能成为0.13m和0.1m技术的光源 0.1m以后的景象还不明朗,深紫外光刻胶,标准DNQ胶的量子效率达到约0.3，这类胶最多只能提高大约3倍的灵敏度 化学增强胶使用不同的曝光过程，入射光子与感光酸生成剂分子反应，产生酸分子，酸分子在后续的光刻胶烘烤过程中起到催化剂作用，使得曝光区域光刻胶的特性改变 化学增强胶的总量子效率，是起始的光和感光酸生成剂反应效率，乘以后续催化反应的次数，所得到的乘积,DNQ灵敏度100mJcm-2 化学增强胶灵敏度-20-40mJcm-2,晶片上形成抗蚀
5、膜图形是供形成晶片表面图形之用的，形成方法有二：其一是直接扫描法，就是按照图形设计数据直接在晶片的抗蚀膜上扫描曝光图形其二是复印法，就是将掩摸图形复印到晶片上的抗蚀膜上。首先制作掩模图形，然后通过涂抗蚀剂、预烘、曝光、显影等步骤完成复印任务,曝光技术直接影响到微细图形加工的精度与质量,图形的形成,光学曝光,a,接触式 b,接近式 c,投影式,三种方法的比较,接触曝光：光的衍射效应较小，因而分辨率高；但易损坏掩模图形，同时由于尘埃和基片表面不平等，常常存在不同程度的曝光缝隙而影响成品率。接近式曝光：延长了掩模版的使用寿命，但光的衍射效应更为严重，因而分辨率只能达到24um 左右。投影式曝光：掩模
6、不受损伤，不存在景深问题提高了对准精度，也减弱了灰尘微粒的影响，已成为LSI 和VLSI 中加工小于3um 线条的主要方法。缺点是投影系统光路复杂，对物镜成像能力要求高。,电子束曝光,优点：分辨率比光学曝光高，能扫描最小线宽0.1um 的微细图形；扫描电子束曝光不需要掩模版，可缩短加工周期；能大大提高加工精度。缺点：设备复杂，成本昂贵；完成全部图形曝光需较长时间。掩模制备困难。,电子束曝光方法主要有扫描式和投影式（分为摄像管式和透射电子成像式二种）两种,其它曝光方法,X 射线曝光方法离子束曝光方法,光刻工艺过程,光刻过程涂胶，前烘，曝光，显影，坚膜，腐蚀和去胶等七个步骤。,光刻工艺过程示意图,
7、曝光时影响分辨率的因素,1掩模版与光刻胶膜的接触情况 2曝光光线的平行度 3光的衍射和反射 4光刻胶膜的质量和厚度 5曝光时间 6掩模版的分辨率和质量,腐蚀,方法有两种类型：湿式化学腐蚀干式等离子体腐蚀,湿式化学腐蚀,SiO2 的腐蚀,氟化铵在SiO2 腐蚀液中起缓冲剂的作用。这种加有氟化铵的氢氟酸溶液，习惯上称为HF 缓冲液。常用的配方为：HF:NH4F:H2O = 3ml:6g:10ml,二氧化硅的腐蚀速率与温度的关系,氮化硅腐蚀,对于厚度为10-2m 的较薄氮化硅膜，可以用HF 缓冲液进行腐蚀。对于厚度较厚的氮化硅膜，再放入180的热磷酸中继续刻蚀图形窗口内的Si3N4膜。,铝的腐蚀,目
8、前常用的腐蚀液有磷酸及高锰酸钾腐蚀液,磷酸与铝的反应式,高锰酸钾腐蚀液的配方为：,高锰酸钾与铝的反应式,干式等离子体刻蚀,等离子体刻蚀 利用气体分子在强电场作用下，产生辉光放电。在放电过程中气体分子被激励并产生活性基，这些活性基可与被腐蚀物质反应，生成挥发性气体而被带走。,等离子体刻蚀常用的工作气体是四氟化碳,CF4 CF3* + CF2* + CF* + F*,F*与硅、SiO2或Si3N4 作用时，则反应生成可挥发的SiF4 等气体,铝是活泼金属，和氯很容易起化学反应，可用氯等离子体腐蚀,去胶,溶剂去胶，去胶剂常用含氯的烃化物，并含有表面湿润剂氧化去胶，常用的氧化剂有浓硫酸，H2SO4 :
9、 H2O2(3:1)混合液，也可用号洗液(NH4OH : H2O2 : H2O=1:2:5)煮沸，使胶层碳化脱落而除去；还有氧气去胶。等离子体去胶，氧气在强电场作用下电离产生的活性氧，使光刻胶氧化而成为可挥发的CO2、H2O 及其他气体而被带走。,光刻质量分析,浮胶 1，操作环境的湿度过大； 2，二氧化硅表面不净； 3，前烘不足或过度； 4，曝光或显影不合适； 5，腐蚀不当造成浮胶。,钻蚀,1，光刻掩膜版质量不好，版上图形边缘不齐并有毛刺等。 2，光刻胶过滤不好，颗粒密度大。 3，硅片有突出的颗粒，使掩膜版与硅片接触不好，图形出现发虚现象。 4，氧化层的厚度差别太大。,针孔, 氧化硅薄膜表面有
10、外来颗粒，使得涂胶时胶膜与基片表面未充分沾润，留有未覆盖的小区域，腐蚀时产生针孔。 光刻胶中含有固体颗粒，影响曝光效果，显影时剥落，腐蚀时产生针孔。 光刻胶膜本身抗蚀能力差，或胶膜太薄，腐蚀液局部穿透胶膜，造成针孔。 前烘不足，残存溶剂阻碍抗蚀剂交联，或前烘时骤热，引起溶剂挥发过快而鼓泡，腐蚀时产生针孔。 曝光不足，交联不充分，或曝光时间过长，胶层发生皱皮，腐蚀液穿透胶膜而产生腐蚀斑点。 腐蚀液配方不当，腐蚀能力太强。 掩模版透光区存在灰尘或黑斑，曝光时局部胶膜末曝光，显影时被溶解，腐蚀后产生 针孔。,小岛,1，在光刻版上不透光的区域中存在着小孔或透光点。2，光刻胶中的大颗粒不溶物质残存于二氧
11、化硅的表面。3，曝光过度，使的局部区域显影不干净或显影不充分，残留光刻胶底膜。,制版技术,制版技术:根据器件的参数要求，按照选定的方法制备出生产上所要求的掩模图形，并以一定间距和布局，将图形重复排列于掩模基板上，进而复制批量生产用的掩模版，供光刻工艺使用。掩模是光刻工艺加工的基准，掩模质量的好坏直接影响光刻质量的优劣，从而影响晶体管或集成电路的性能和成品率。在硅平面器件生产中，掩模制造是关键性工艺之一。,研磨制作工艺流程,制版技术的发展过程,1、 人工绘图和刻图 2、 计算机控制大型刻图机刻图 3、 光学图形发生器制造初缩版（中间掩模版） 4、电子束图形发生器（扫描电子束曝光）直接制作精缩版,
12、掩模材料,掩模材料大致可分为两大类： 在玻璃基板表面涂布卤化银乳剂的高分辨率干板 在玻璃上附着金属或金属氧化物膜的硬面板,超分辨率干版就是在玻璃基片表面上涂布一层含颗粒极细的卤化银乳胶乳胶的成分：乳化剂、分散介质和辅助剂等乳化剂：硝酸银和卤化物(溴化钾，碘化钾、氯化钠等)分散介质：明胶。它易溶于热水，冷凝后成固体状态，其分子链的连接是通过链上某些氨基(NH)中的氢和相邻分子链上羰基( =C=O)中的氧所形成的氢健。辅助剂：增感剂、防灰雾剂、稳定剂以及坚膜剂等,增感剂的作用是使卤化银的感光范围展宽防灰雾剂的作用是抑制乳胶中灰雾中心的形成，常用的防灰雾剂有苯酚三氮唑、溴化钾等分散介质(或载体)在乳
13、胶中起分散介质和支撑体的作用。,显影和定影,显影：感光底版在曝光后，用显影液将潜影银质点继续长大成较大的金属银粒，使之能成为可见的图像。定影：选择一种既能溶解残存在乳胶层内的卤化银，又不对乳胶层的明胶和构成影像的银质点发生侵蚀作用的定影液，除去显影后残存在乳胶层内的卤化银，使显影所得的影响固定下来。,硬面板：在玻璃基板上蒸发或溅射一层几十到几百纳米厚的金属或金属氧化物，再在其上用光刻胶作为感光层。一般使用铬、氧化铬和氧化铁等。,制铬版的工艺一是在玻璃板上真空蒸铬，获得铬膜；二是光刻铬膜，得出版图，其过程和光刻硅片上的氧化层相同，只是腐蚀对象不是二氧化硅，而是金属铬。,彩色版：一种透明或半透明的
14、掩膜彩色版：氧化铁版、硅版、氧化铬版、氧化亚铜版氧化铁板：既解决了乳胶板的不耐用问题，又解决了铬板的不透明和针孔多的问题，而且氧化铁板在光学特牲、致密度等多方面都优于铬板。,几种掩膜材料的特性比较,玻璃衬底的要求,平面度好，机械强度高，在白炽灯下观察，无肉眼看得见的气泡、杂质、霉点和划痕 热膨胀系数小 透射率高 化学稳定性好。,掩模版的质量检测,掩模版外观及版面图形一般质量检查 小尺寸检查 间距测定 套准精度测定 缺陷检查,掩模缺陷的种类,掩模缺陷大致可分为以下两类：一类是掩模图形范围内多余的部分，如小岛、凸出和连条等不透明缺陷。另一类是掩模图形范围内缺少的部分，如针孔、凹口，断条等透明缺陷。
15、,掩模版缺陷的类型图,刻蚀工艺,湿法刻蚀：采用液体腐蚀剂，通过溶液和薄膜间得化学反应就能够将暴露得材料腐蚀掉干法刻蚀：使用等离子体中得气态刻蚀剂，刻蚀过程兼有化学反应和物理反应干法刻蚀是现在常用得刻蚀方法,刻蚀的选择性和方向性,选择性：指在刻蚀过程中不同材料的刻蚀速率比。选择性的合理范围是25-50。不同材料有不同的刻蚀速率。化学反应取决于材料的性质，物理反应则不同。 方向性：不同方向下刻蚀速率的相对量度，通常指纵向与侧向。各向同性刻蚀是指所有方向的刻蚀速率都相同。,刻蚀过程中物理性愈大，方向性就愈明显，选择性就愈小，刻蚀过程中的化学性愈大，选择性就愈高，方向性就愈不明显,湿法腐蚀,早期刻蚀工
16、艺采用湿法，湿法工艺简单，设备易于建立，成本低，而且选择性很好。 湿法腐蚀剂同薄膜进行化学反应生成可溶于水的副产物或挥发性气体。集成电路工业中最早使用的刻蚀剂是湿法化学腐蚀剂，,湿法腐蚀的另一种方法是：首先氧化薄膜材料表面，然后再分解氧化物常用的腐蚀剂是硝酸和HF的混合物。常加入氟化铵用来弥补腐蚀氧化物过程中氟离子的损耗。也常加入醋酸可以限制硝酸的离解,化学腐蚀速率的影响因素,腐蚀液的配方腐蚀速率是温度的函数还取决于薄膜的组分和密度腐蚀也依赖于晶向,IC工艺中常用材料的化学腐蚀剂,干法刻蚀特点,早期湿法腐蚀得到广泛应用，现在已大部分被等离子体刻蚀所取代,原因：1，在等离子体中会产生极具活性的化学物质，更有效的参与刻蚀2，等离子体刻蚀能够提供良好的各向异性刻蚀,刻蚀气体,光刻胶，它的刻蚀采用氧气其他材料的刻蚀，在等离子状态下含有卤化物，如CF4, Cl2, HBr.有时加入少量其他气体，如氢气，氧气和氩气等。,等离子刻蚀机理,参与等离子体刻蚀的二种主要物质是离子和中性活性化学物质。 自由基是活性化学物质，主要作为等离子体刻蚀过程中的化学成分 在刻蚀过程中的只要物理成分是离子。 离子和活性中性物质可以单独作用也可以协同作用。,
