光刻与刻蚀工艺经案例

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1、 第八章 光刻与刻蚀工艺2007.4.17第八章 光刻与刻蚀工艺n光刻：通过光化学反应，将光刻版（mask）上的图形转 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Si片上n光刻三要素： 光刻机 光刻版（掩膜版） 光刻胶nULSI对光刻的要求： 高分辨率；高灵敏的光刻胶； 低缺陷；精密的套刻对准；第八章 光刻与刻蚀工艺掩模版n掩膜版的质量要求若每块掩膜版上图形成品率90，则6块光刻版，其管芯图形成品率（90）653；10块光刻版，其管芯图形成品率（90）1035；15块光刻版，其管芯图形成品率（90）1521；最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。8.1 光刻工艺流程n主要步

2、骤：曝光、显影、刻蚀8.1 光刻工艺流程8.1.1 涂胶1.涂胶前的Si片处理-SiO2光刻nSiO2:亲水性；光刻胶：疏水性；脱水烘焙:去除水分HMDS：增强附着力nHMDS：六甲基乙硅氮烷，(CH3)6Si2NHn作用：去掉SiO2表面的-OH8.1 光刻工艺流程2.涂胶对涂胶的要求：粘附良好，均匀，薄厚适当n胶膜太薄针孔多，抗蚀性差；n胶膜太厚分辨率低（分辨率是膜厚的58倍）涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂8.1 光刻工艺流程8.1.2 前烘作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥； 增加胶膜与SiO2 （Al膜等）的粘附性及耐磨性。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

3、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。n烘焙温度过高感光剂反应（胶膜硬化）， 不易溶于显影液，导致显影不干净。 8.1 光刻工艺流程8.1.3 曝光： 光学曝光、X射线曝光、电子束曝光光学曝光紫外，深紫外）光源：n高压汞灯：紫外(UV），300450nm。n准分子激光：深紫外(DUV），180nm330nm。 KrF：= 248nm； ArF：= 193nm； F2：= 157nm。8.1 光刻工艺流程8.1 光刻工艺流程）曝光方式a.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5-50m间距。c.投影式：利用光学系统，将光刻版的图形

4、投影在硅片上 8.1 光刻工艺流程电子束曝光： 几十100；n优点： 分辨率高； 不需光刻版（直写式）；n缺点：产量低；X射线曝光 2-40 ，软X射线；nX射线曝光的特点：分辨率高，产量大。8.1 光刻工艺流程8.1.4 显影作用：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。 显影液：专用n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)，等。n负胶显影液：有机溶剂，如丙酮、甲苯等。 例，KPR（负胶）的显影液： 丁酮最理想； 甲苯图形清晰度稍差； 三氯乙烯毒性大。8.1 光刻工艺流程影响显影效果的主要因素： ）曝光时间； ）前烘的温度与时间； ）胶膜

5、的厚度； ）显影液的浓度； ）显影液的温度； 显影时间适当nt太短：可能留下光刻胶薄层阻挡腐蚀SiO2(金属） 氧化层“小岛”。nt太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶 图形边缘破坏。8.1 光刻工艺流程8.1.5 坚膜作用：使软化、膨胀的胶膜与硅片粘附更牢； 增加胶膜的抗蚀能力。方法）恒温烘箱：180200，30min；）红外灯：照射10min，距离6cm。温度与时间）坚膜不足：腐蚀时易浮胶，易侧蚀；）坚膜过度：胶膜热膨胀翘曲、剥落 腐蚀时易浮胶或钻蚀。 若T300：光刻胶分解，失去抗蚀能力。8.1 光刻工艺流程8.1.6 腐蚀（刻蚀）对腐蚀液（气体）的要求： 既能腐蚀掉裸露的SiO2（金属）

6、，又不损伤光刻胶。腐蚀的方法）湿法腐蚀：腐蚀剂是化学溶液。 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。 特点：分辨率高；各向异性强。8.1 光刻工艺流程8.1.7 去胶湿法去胶n无机溶液去胶：H2SO4（负胶）；n有机溶液去胶：丙酮（正胶）；干法去胶：O2等离子体；8.2 分辨率n分辨率R表征光刻精度 光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。 n表示方法：每mm最多可容纳的线条数。 若可分辨的最小线宽为L（线条间隔也L），则 R1/(2L) (mm-1)1.影响R的主要因素：曝光系统（光刻机）： X射线（电子束）的R高于紫外光。光刻胶：正胶的R高于负胶；其他：掩模版、衬底、显影

7、、工艺、操作者等。表1 影响光刻工艺效果的一些参数8.2 分辨率2.衍射对R的限制n 设一任意粒子（光子、电子），根据不确定关系，有 Lphn粒子束动量的最大变化为p=2p，相应地n若L为线宽，即为最细线宽，则n最高分辨率 对光子：p=h/，故 。n上式物理含义：光的衍射限制了线宽 /2。n最高分辨率：对电子、离子：具有波粒二象性（德布罗意波），则 ， n最细线宽： a. E给定：mLR，即R离子 R电子 b. m给定：ELR8.3 光刻胶的 基本属性1.类型：正胶和负胶正胶：显影时，感光部分 溶解，未感光部分不溶解；负胶：显影时，感光部分 不溶解，不感光部分溶解。8.3 光刻胶的基本属性2.

8、 组份：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）基体、感光剂 聚乙烯醇肉桂酸脂n浓度：5-10%溶剂环己酮n浓度：9095增感剂5-硝基苊n浓度：0.5-1%8.3 光刻胶的基本属性8.3.1 对比度n 表征曝光量与光刻胶留膜率的关系； 以正胶为例n临界曝光量D0：使胶膜开始溶解所需最小曝光量；n阈值曝光量D100：使胶膜完全溶解所需最小曝光量；8.3.1 对比度n直线斜率（对比度）： 对负胶 n越大，光刻胶线条边缘越陡。8.3 光刻胶的基本属性8.3.3 光敏度S 完成所需图形的最小曝光量；n表征： S=n/E， E-曝光量（lxs，勒克斯秒）；n-比例系数；n光敏

9、度S是光刻胶对光的敏感程度的表征；n正胶的S大于负胶8.3 光刻胶的基本属性8.3.4 抗蚀能力n表征光刻胶耐酸碱（或等离子体）腐蚀的程度。n对湿法腐蚀：抗蚀能力较强； 干法腐蚀：抗蚀能力较差。n负胶抗蚀能力大于正胶；n抗蚀性与分辨率的矛盾：分辨率越高，抗蚀性越差；8.3 光刻胶的基本属性8.3.5 黏着力n表征光刻胶与衬底间粘附的牢固程度。n评价方法：光刻后的钻蚀程度，即 钻蚀量越小，粘附性越好。 n增强黏着力的方法： 涂胶前的脱水； HMDS； 提高坚膜的温度。8.6 紫外光曝光n光源： 紫外（UV）、深紫外（DUV）；n方法：接触式、接近式、投影式；8.6.1 水银弧光灯（高压汞灯）n波

10、长：UV，300450nm， used for 0.5，0.35m； g线：=436nm， i线：=365nm。8.6.4 接近式曝光8.6.4 接近式曝光n硅片与光刻版保持550m间距。n优点：光刻版寿命长。n缺点：光衍射效应严重-分辨率低（线宽3m）。 8.6.5 接触式曝光n硅片与光刻版紧密接触。n优点：光衍射效应小， 分辨率高。n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n利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上。8.6.6 投影式曝光n优点：光刻版不受损伤， 对准精度高。 缺点：光学系统复杂， 对物镜成像要求高。n用于3m以下光刻。8.6.6 投影式曝光n传

11、统式：n=1(空气），NA(最大）=0.93， 最小分辨率-52nm.n浸入式：n1(水），=193nm, NA(最大）=1.2， 最小分辨率-40nm.8.7 掩模版（光刻版）8.7.1 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。8.7.2 掩膜材料： 金属版（Cr版）： Cr2O3抗反射层/金属Cr / Cr2O3基层 特点：针孔少，强度高，分辨率高。乳胶版卤化银乳胶 特点：分辨率低（2-3 m），易划伤。8.8 湿法刻蚀n特点：各相同性腐蚀。n优点：工艺简单， 腐蚀选择性好。n缺点：钻蚀严重（各向异性差）， 难于获得精细图形。 （刻蚀3m以上线条）n刻蚀的材料：

12、Si、SiO2、Si3N4；8.8.1 Si的湿法刻蚀n常用腐蚀剂HNO3-HF-H2O(HAC)混合液： HNO3：强氧化剂； HF：腐蚀SiO2； HAC：抑制HNO3的分解； Si+HNO3+HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2KOH-异丙醇8.8.2 SiO2的湿法腐蚀n常用配方(KPR胶）：HF: NH4F: H2O=3ml:6g:10ml (HF溶液浓度为48) HF ：腐蚀剂， SiO2+HFH2SiF6+H2O NH4F ：缓冲剂， NH4FNH3+HF 8.8.3 Si3N4的湿法腐蚀n腐蚀液：热H3PO4，180；8.9 干法腐蚀n优点： 各向异性腐蚀强； 分辨率高；

13、刻蚀3m以下线条。n类型：等离子体刻蚀：化学性刻蚀；溅射刻蚀：纯物理刻蚀；反应离子刻蚀（RIE）：结合 、；8.9.1 干法刻蚀的原理n等离子体刻蚀原理a.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性的离子及游离基-等离子体。 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。n特点：选择性好； 各向异性差。n刻蚀气体： CF4 、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。8.9.1 干法刻蚀的原理溅射刻蚀原理a.形成能量很高的等离子体；b.等离子体轰击被刻蚀的材料， 使其被撞原子飞溅

14、出来，形成刻蚀。n特点：各向异性好；n 选择性差。n刻蚀气体：惰性气体；8.9.1 干法刻蚀的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；n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。8.9.2 SiO2和Si的干法刻蚀n刻蚀剂：CF4、CHF3、C2F6、SF6、C3F8 ； n等离子体： CF4 CF3*、CF2* 、CF* 、F*n化学反应刻蚀： F*+SiSiF4 F*+SiO2 SiF4+O2 CF3*+SiO2 SiF4+CO+CO2 n实际工艺：CF4中加入O2 作用：调整选择比； 机理： CF4+O2F*+O*+COF*+COF2+CO+CO2 （

15、初期： F*比例增加；后期：O2比例增加） O2吸附在Si表面，影响Si刻蚀；nCF4中加H2n作用：调整选择比；n机理： F*+H*(H2)HF CFX*(x3)+SiSiF4+C(吸附在Si表面） CFX*(x3)+SiO2 SiF4+CO+CO2+COF2刻蚀总结湿法刻蚀（刻蚀3m以上线条）n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。干法腐蚀（刻蚀3m以下线条）n优点：各向异性强；分辨率高； 8.9.3 Si3N4的干法刻蚀 n刻蚀剂：与刻蚀Si、SiO2相同。 Si3N4F* SiF4+N2n刻蚀速率：刻蚀速率介于SiO2与Si之间； （Si-N键强度介于Si-O

16、键和Si-Si键）选择性： CF4： 刻蚀Si3N4/SiO2 -选择性差； CHF3：刻蚀Si3N4/SiO2 -选择性为2-4。 刻蚀Si3N4/Si - 选择性为3-5； 刻蚀SiO2/Si - 选择性大于10；8.9.4 多晶硅与金属硅化物 的干法刻蚀n多晶硅/金属硅化物结构：MOS器件的栅极；n栅极尺寸：决定MOSFET性能的关键；n金属硅化物：WSi2、TiSi2；8.9.4 多晶硅与金属硅化物 的干法刻蚀n腐蚀要求： 各向异性和选择性都高- 干法腐蚀；n刻蚀剂：CF4、SF6、Cl2、HCl；n腐蚀硅化物： CF4+ WSi2 WF4+SiF4+C Cl2 + WSi2 WCl4

17、+SiCl4n腐蚀poly-Si：氟化物（ CF4、SF6）-各向同性； 氯化物（ Cl2、HCl）-各向异性， 选择性好（多晶硅/SiO2）。8.9.5 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； n铝合金： Al-Si、Al-Au、Al-Cu；n刻蚀方法：RIE、等离子体；n刻蚀剂：BCl3、CCl4、CHCl3； Cl*+ Al AlCl3 Cl*+ Al-Si AlCl3+ SiCl4 Cl*+ Al-Cu AlCl3+ CuCl2 （不挥发）8.9.5 铝及铝合金的干法腐蚀n几个工艺问题：Al2O3的去除：溅射、湿法腐蚀；CuCl2的去除：湿法腐蚀、溅射；刻蚀后的侵蚀：HCl+Al AlCl3+H2作业n1.光刻胶有哪些种类？简述它们的感光机理和特点。n2.有哪些干法刻蚀方法，它们的主要差别是什么，比较这些技术的优点和局限性。