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1、现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 1 1图形曝光与光刻图形曝光与光刻现代半导体器现代半导体器件物理与工艺件物理与工艺Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices2004,7,30现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 2 2图形曝光与刻蚀图形曝光与刻蚀图形曝光（lithography）是利用掩模版（mask）上的几何图形，通过光化学反应，将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜层上（光致
2、抗蚀剂、光刻胶、光阻）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、接触窗与压焊垫区。而由图形曝光所形成的抗蚀剂图案，并不是电路器件的最终部分，而只是电路图形的印模。为了产生电路图形，这些抗蚀剂图案不像再次转移至下层的器件层上。这种图案转移是利用腐蚀工艺，选择性地将未被抗蚀剂掩蔽的区域除去。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 3 3光学图形曝光洁净室光学图形曝光洁净室在集成电路制造中，主要的图形曝光设备是利用紫外光=0.2-0.4m的光学仪器。主要讨论曝光装置、掩模版、抗蚀剂与分辨率。尘埃粒子在掩
3、模版图案上所造成的不同腐蚀的影响在IC制造中必须要求洁净的厂房，特别是图形曝光的工作区域，因为尘埃可能会粘附于晶片或掩模版上造成器件的缺陷从而是电路失效。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 4 4英制系统等级数值是每立方英尺中直径大于或等于0.5 um的尘埃粒子总数不准超过设计等级数值。公制系统等级数值是每立方米中直径大于或等于0.5um的尘埃粒子总数不准超过设计等级数值（以指数计算，底数为10）。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 5 5光刻机光
4、刻机光刻机的性能由三个参数判断：分辨率、套准精度与产率。分辨率：能精确转移到晶片表面抗蚀剂膜上图案的最小尺寸；套准精度：后续掩模版与先前掩模版刻在硅片上的图形相互对准的程度；产率：对一给定的掩模版，每小时能曝光完成的晶片数量。光学曝光方法：遮蔽式曝光和投影式曝光。遮蔽式曝光：可分为掩模版与晶片直接接触的接触式曝光和二者紧密相邻的接近式曝光。若有尘埃或硅渣嵌入掩模版中，将造成掩模版永久性损坏，在后续曝光的晶片上形成缺陷。投影式曝光：在掩模版与晶片间有一距离，10-50um。但这一间隙会在掩模版图案边缘造成光学衍射。导致分辨率退化。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂
5、林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 6 6现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 7 7投影式曝光现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 8 8对遮蔽式曝光，最小线宽（临界尺寸）可用下式表示其中，是曝光光源的波长，g是掩模版与晶片间的间隙距离。当与g减小时，可以得到lCD缩小的优势。然而，当给定一个g，任何大于g的微尘粒子都会对掩模版造成损坏。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光
6、刻 9 9一个投影系统的分辨率可以表示为是光源波长，k1为与工艺有关的参数，DNA是数值孔径。 DNA的定义为N是影像介质的折射率，是圆锥体光线聚于晶片上一点的半角度值。其聚焦深度为现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 1010简单的成像系统现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 1111由于有较高的光强度与稳定度，高压汞灯被广泛用作曝光光源。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 1
7、212掩模版掩模版用于IC制造的掩模版通常为缩小倍数的掩模版。掩模版的第一步为设计者用CAD系统完整地将版图描绘出来。然后将CAD得到的数据信息传送到电子束图形曝光的图形产生器。再将图案直接转移至对电子束敏感的掩模版上。掩模版是由融凝硅土的基底覆盖一层铬膜组成。电路图案先转移至电子敏感层进而转移至底下的铬膜层，掩模版便完成了。一般而言，一组完整的IC工艺流程包含10-20道不同的掩模版。标准尺寸的掩模版衬底由15 10cm2、0.6cm厚的融凝硅土制成。掩模版尺寸是为了满足4:1与5:1的曝光机中透镜透光区域的尺寸。厚度的要求是避免衬底扭曲而造成图案位移的错误。融凝硅土衬底则利用其热膨胀系数低
8、，对短波长光的透射率高与高机械强度。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 1313IC掩模版现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 1414缺陷密度是掩模版好坏的主要原因之一。掩模版缺陷可能在制造掩模版时或是接下来的图形曝光工艺步骤中产生。即使是一个很小的掩模版缺陷密度都会对IC的成品率产生很大的影响。成品率的定义是：每一晶片中正常的芯片数与中芯片数之比。若取一级近似，某一层掩模版与成品率Y之间的关系式为D为每单位面积致命缺陷的平均数；A为IC芯片的面积
9、。若D对所有的掩模版层都是相同值（如N10层），则最后成品率为现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 151510道掩模版的成品率，每道掩模版中包含不同缺陷密度所产生的影响现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 1616抗蚀剂抗蚀剂抗蚀剂是对光敏感的化合物，依其对光照的反应分成正性和负性。正性抗蚀剂：被曝光的区域将变得较易溶解，可以在显影步骤时较容易被去除。所产生的图案将会与掩模版上的图案一样。负性抗蚀剂：被曝光区域的抗蚀剂将变得较难溶解，所产生的图案与掩
10、模版上的相反。正性抗蚀剂包括：感光化合物、树脂基材和有机溶剂；曝光后，曝光区的感光化合物因吸光改变了本身的化学结构而可以溶解于显影液中。负性抗蚀剂包括：聚合物和感光化合物合成。曝光后，感光化合物吸收光变成化学能而引起聚合物链反应，是聚合物分子发生交联，变得难溶解于显影液中。缺点：显影中抗蚀剂吸收显影液而膨胀，限制了分辨率。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 1717现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 1818曝光、显影后残存抗蚀剂的百分率与曝光能量
11、有关。值得注意的是，即使未被曝光，少量抗蚀剂也会溶解。当曝光能量增加，抗蚀剂的溶解度也会增加，直到阈值能量ET时，抗蚀剂完全溶解。正抗蚀剂的灵敏度定义为曝光区域抗蚀剂完全溶解时所需的能量。除ET外，另一称为反差比（）参数也用来表征抗蚀剂。值越大，即表示曝光能量增加时，抗蚀剂溶解度增加越快，可得陡峭的图形。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 1919正性和负性抗蚀剂现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 2020三层抗蚀剂的工艺步骤现代半导体器件物理与工
12、艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 2121图案转移图案转移现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 2222相关的图案转移工艺还有剥离与浮脱技术。1、旋涂抗蚀剂2、曝光3、显影4、淀积金属膜5、浸泡腐蚀液中现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 2323分辨率增加技术分辨率增加技术在IC工艺中，提供较佳的分辨率、较深的聚焦深度 与较广的曝光宽容度一直是光学图形曝光系统发展的挑战。已经可以用缩短光刻机的波长
13、与发展新的抗蚀剂来克服。另外，开发了新的技术，如相移掩模版。传统掩模版的透光区的电场是相同的，由于衍射与分辨率使得晶片上的电场分散开来。相邻缝隙的衍射使得光被干涉而增强缝隙间的电场强度。因此两个投影的像若太接近，就不容易分辨出来。相移掩模版（PSM）是将相移层覆盖于相邻的缝隙上，使得电场反相。要反相，使用一透明层，厚度满足：光学邻近修正（OPC）利用邻近的次解析几何图案来修正图像，因而改善成像能力。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 2424现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学
14、图形曝光与光刻图形曝光与光刻 2525新一代图形曝光技术新一代图形曝光技术高产率、好的分辨率、低成本且容易操作是曝光技术的基本要求。为了满足深亚微米工艺，光学图形曝光技术仍未解决。虽然可以利用PSM和OPC来延长光学图形曝光的使用期限，但是复杂的掩模版制作与检查并不是容易解决的。另外，掩模版成本也很高。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 2626电子束图形曝光电子束图形曝光电子束图形曝光主要用于掩模版的制作，只有相当少数装置用于将电子束直接对抗蚀剂曝光而不需掩模版。优点：可以参数亚微米的几何抗蚀剂图案、高自动化及高精度控
15、制的操作、比光学图形曝光有较大的聚焦深度与不同掩模版可直接在半导体晶片上描绘图案。缺点：电子束光刻机产率低，在分辨率小于0.25um时，约为每小时10片晶片。这对生产掩模版、需求量小的定制电路或验证性电路是足够了。而对不用掩模版的直写形成图案方式，设备必须尽可能提供产率，故要采用与器件最小尺寸相容的最大束径。聚焦电子束扫描主要分成两种形式：顺序扫描、向量扫描。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 2727顺序扫描（左）和矢量扫描现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图
16、形曝光与光刻 2828现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 2929现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 3030SCALPELSCALPEL利用电子束投影的图形曝光技术，SCALPEL系统（散射角度限制的投影电子束图形曝光），此技术集电子束图形曝光特有的高分辨率和工艺宽容度（聚焦深度20-30um，传统为1um）以及高产率。图12.15现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 313
17、1SCALPELwritingstrategy 现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 3232电子束抗蚀剂电子束抗蚀剂电子束抗蚀剂是一种聚合物，其性质与一般光学用抗蚀剂类似。换言之，通过光照造成抗蚀剂产生化学或物理变化，这种变化可使抗蚀剂产生图案。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 3333邻近效应邻近效应在光学图形曝光中，分辨率的好坏是由衍射来决定的。在电子束图形曝光中，分辨率好坏是由电子散射决定的。当电子穿过抗蚀剂与下层的基材时，这些电子将经历碰
18、撞而造成能量损失与路径的改变。因此入射电子在行进中会散开，直到能量完全损失或是因背散射而离开为止。100个能量为20keV的电子在PMMA中的运动轨迹模拟在抗蚀剂与衬底界面间，正向散射与背散射的剂量分布现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 3434极远紫外光图形曝光（极远紫外光图形曝光（EUVEUV）EUV技术极有肯成为下一代图形曝光系统技术。可将曝光波长延伸到30 nm而不会降低产率。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 3535因为EUV光束很窄，
19、必须利用光束扫描方式将描述电路图案的掩模版层完全扫描。EUV已经证实可利用波长为13nm的光源，在PMMA抗蚀剂上制作出50 nm的图案。挑战：所以的材料对EUV光都有强的吸收能力，所以曝光过程必须在真空下进行。照相机必须使用反射透镜器件，而且必须覆盖多层的覆盖层才可以参数1/4波长的布喇格反射分布。掩模版空片必须覆盖多层膜，以便在波长为10-14nm得到最大的反射率。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 3636X X射线图形曝光（射线图形曝光（XRLXRL）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
20、路。当利用同步辐射光储存环进行批量生产时，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。可以利用电子束抗蚀剂来作为X射线抗蚀剂，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，所以抗蚀剂在X射线照射下，就相当于被大量的二次电子照射。现代半导体器件物理与工艺
21、现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 3737现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 3838X射线图形曝光的几何效应现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 3939离子束图形曝光离子束图形曝光离子束图形曝光比光学、X射线与电子束图形曝光技术有更高的分辨率，因为离子有较高的质量而且比电子有较小的散射。最主要的应用为修补光学图形曝光用的掩模版。下图为60keV的50个氢离子注入PMMA及不同衬底中的电脑模拟轨迹
22、。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 4040不同图形曝光方法的比较不同图形曝光方法的比较先前讨论的图形曝光方法，都有100nm的或更好分辨率。每种都有其限制：光学法的衍射现象、电子束的邻近效应、X射线的掩模版制作复杂、EUV的掩模版空片的制作困难、离子束的随机空间电荷效应。对于IC的制造，多层掩模版是必需的，然而，所有的掩模版层并不需要都用相同的图形曝光方法。采用混合与配合的方法，可利用每一种图形曝光工艺的优点来改善分辨率与提供产率。根据半导体工业协会的设想，IC制作技术将在2010年时会达到50nm。对于每一代新技术
23、，由于要求更小的特征尺寸与更严格的套准容差，图形曝光技术更成为推动半导体工业的关键性技术。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 4141各种图形曝光技术的比较如下光学248/193nmSCALPELEUVX射线离子束光刻机光源激光电子束极远紫外线同步辐射离子束衍射限制有没有有有没有曝光法折射式折射式折射式直接光照全区折射式步进与扫描是是是是步进机200mm硅晶片的产率（片/h）4030-3520-303030掩模版缩小倍率4x4x4x1x4x光学邻近修正需要不需要需要需要不需要辐射路径穿透穿透反射穿透印刷式抗蚀剂单层或多层
24、单层单层表面成像单层单层化学放大抗蚀剂是是不是是不是现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 4242各种曝光系统的分辨率与硅片产率的关系现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 4343湿法化学腐蚀（湿法化学腐蚀（WCEWCE）WCE在半导体工艺中广泛使用，从半导体晶片被切割开始，WCE就用在研磨与抛光上，以获得平整与无损伤的表面。热氧化与外延前，化学清洗去除污染。尤其适合将多晶硅、氧化物、氮化物、金属与III-V族化合物等作整片的腐蚀。WCE包括三种主要步
25、骤：1、反应物通过扩散方式到达反应表面；2、化学反应在表面发生；3、反应生成物通过扩散离开表面。搅动、腐蚀液的温度都会影响腐蚀速率。IC工艺中，大多数WCE是将晶片浸入化学溶液中，或是喷射腐蚀液在晶片表面。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 4444腐蚀速率均匀度可用腐蚀速率的百分比均匀度来表示：WCE的基本机制现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 4545硅的腐蚀硅的腐蚀对半导体而言，WCE通常是先将表面氧化，然后再将氧化层以化学反应加以溶解。对硅
26、而言，常见的腐蚀剂为硝酸（HNO3）和氢氟酸（HF）水可以作为上述腐蚀剂的稀释剂，然而醋酸比水要好，它可减缓硝酸的溶解。一些腐蚀剂溶解某些单晶硅晶面的速率比其他晶面快，造成各向异性的腐蚀。原因在晶面的化学键密度不同。在硅的各向异性腐蚀时，使用KOH和异丙醇酒精的混合液。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 4646现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 4747利用二氧化硅当掩蔽层，对晶向的硅做各向异性腐蚀，会产生清晰V型沟槽，沟槽的边缘为(111)晶面
27、，锲与(100)的表面有54.7夹角。如果打开的图案窗足够大或是腐蚀时间足够短，则会形成一个U型的沟槽，底部面积的宽度为：或现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 4848如果使用的是 晶向的硅，实际上会在沟槽的边缘得到两个垂直的面，这两个面为(111)的晶面。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 4949二氧化硅的腐蚀二氧化硅的腐蚀加入氟化铵（NH4F）是提供缓冲的HF溶液，又称作缓冲氧化层腐蚀（BOE）。加入氟化铵可以控制酸碱度，并且可以补充氟离子的
28、缺乏，可以维持稳定的腐蚀效果。二氧化硅也可以利用气相的HF来腐蚀，在腐蚀亚微米的图案方面深具潜力，因为工艺容易控制。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 5050氮化硅与多晶硅的腐蚀氮化硅与多晶硅的腐蚀氮化硅可以在室温下用高浓度的HF、缓冲HF或沸腾的磷酸溶液腐蚀。由于浓度为85%的磷酸溶液在180时对二氧化硅的腐蚀非常慢，所以可利用它来作氮化硅相对二氧化硅的选择性腐蚀。腐蚀多晶硅与腐蚀单晶硅类似，然而多晶硅有较多的晶粒边界，所以腐蚀速率比较快。未来确保栅极氧化层不被腐蚀，腐蚀溶液通常要加以调整。掺杂物的浓度和温度可影响多
29、晶硅的腐蚀速率。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 5151铝腐蚀铝腐蚀铝和铝合金的薄通常利用加热的磷酸、硝酸、醋酸和去离子水来腐蚀。典型的腐蚀剂是含73%的磷酸、4%的硝酸、3.5%的醋酸以及19.5%的去离子水的溶液，温度控制在30-80。铝的湿法腐蚀步骤如下：1、硝酸先将铝氧化为氧化铝；2、磷酸溶解氧化铝；铝的腐蚀速率与腐蚀剂浓度、温度、晶片的搅动、铝薄膜内的杂质或合金类型有关。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 5252介质与金属膜的湿法腐
30、蚀通常是化学液把整块材料溶解，然后转变层可溶的盐类或复合物。通常薄膜比块状材料的腐蚀速率更快。此外，微结构差、内建应力、变更化学组成比或光照等，都将使薄膜的腐蚀速率变快。表12.2现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 5353砷化镓的腐蚀砷化镓的腐蚀多种砷化镓的腐蚀已经被广泛研究，然而只有少数几种方法是各向同性的腐蚀。这是由于镓晶面与砷晶面的表面活性迥异。大多数的腐蚀剂对砷形成抛光的表面，然而对镓的表面通常会倾向产生晶格缺陷且腐蚀速率较慢。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形
31、曝光与光刻图形曝光与光刻 5454干法刻蚀干法刻蚀在图案转移的操作过程中，由图形曝光工艺所形成的抗蚀剂图案，用来当作刻蚀下层材料的掩蔽层图a。下层材料多为非晶或多晶系的薄膜。当也用WCE时，由于各向同性（垂直与水平方向）产生不需的侧向钻蚀图b。定义各向异性比值：Rl与Rv分别为水平和垂直方向的腐蚀速率，对各向同性而言，R1Rv，Af0.WCE的缺点：横向钻蚀，使得图案的分辨率降低。实际上，各向同性腐蚀薄膜的厚度应该是预期分辨率的三分之一或是更小，若分辨率小于薄膜的厚度，就必须使用各向异性腐蚀。在ULSI中，未了从抗蚀剂图案上得到高准确度的图案转移，发展了干法刻蚀。现代半导体器件物理与工艺现代半
32、导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 5555干法刻蚀干法刻蚀现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 5656基本等离子体理论基本等离子体理论等离子休由完全电离或部分电离的气体离子、电子及中子组成。当足够强的电场加于气体使气休击击穿并电离时，就产生等离子体。等离子体由自由电子触发，这些自由电于是加负偏压的电极的场发射或由其它方法产生的。自由电子从电场获得动能，并在气体内的运动过程中与气体分子碰撞而损失能量，这些能量使气体分子电离，即产生自由电子，这些自由电子又从电场中获得动能，使上述
33、过程不断继续下去。因此当外电压大于击穿电压后，就在整个反应腔内形成持续的等离子体。用于干法刻蚀的等离子体内的电子浓度比较低，一般为10cm-3至1012cm-3数量级，在1Torr压强下，气体分子浓度比电子浓度大104至I07倍，气体的平均温度在50-100记之间，因此，等离子辅助干法刻蚀是一种低温工艺过程。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 5757刻蚀机制、等离子体探测与终点的控制刻蚀机制、等离子体探测与终点的控制等离子体刻蚀是利用基态或中性激发态物质的化学反应，将固态薄膜去除。等离子体刻蚀通常被气体放电所形成的带能
34、量离子所增强或引发。刻蚀机制刻蚀工艺包括5个步骤：1、刻蚀过程开始与等离子体刻蚀反应物的产生；2、反应物通过扩散的方式穿过滞留气体层到达表面；3、反应物被表面吸收；4、通过化学反应产生挥发性化合物；5、化合物离开表面回到等离子体气流中，接着被抽气泵抽出。基本刻蚀方式为：物理方式：溅射刻蚀，正离子高速轰击表面；化学方式：等离子体产生的中性反应物与物质表面相互作用产生挥发性产物。化学方式有高腐蚀速率、高的选择比与低的离子轰击导致的缺陷，但有各向同性的刻蚀轮廓。物理方式可以产生各向同性的轮廓，但伴随低的选择比与高的离子轰击导致的缺陷。将二者结合，如反应离子刻蚀（RIE）。现代半导体器件物理与工艺现代
35、半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 5858现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 5959等离子体探测等离子体探测大多数的等离子体工艺中发出的射线范围在红外光到紫外光之间，一个简单的缝隙方法是利用光学发射光谱仪（OES）来测量这些发射光谱的强度与波长的关系。利用观测到的光谱波峰与已知的发射光谱比较，通过可以决定出中性或离子物质的存在。物质相对的密度，也可以通过观察等离子体参数改变时光强度的改变而得到。这些由主要刻蚀剂或副产物所引起的发射信号在刻蚀终点开始上升或下降。现代半导体器
36、件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 6060终点控制终点控制干法刻蚀与湿法刻蚀的不同在于干法刻蚀对下层材料无法呈现足够的选择比。因此，必须配备一个用来探测刻蚀工艺结束点的监视器，即终点探测系统。激光干涉度量法用来持续控制晶片表面的刻蚀速率与终止点。在刻蚀过程中，从晶片表面反射的激光会来回振荡，这个振荡的发生是因为刻蚀层界面的上界面与下界面的反射光的相位干涉。因此这一层材料必须透光或半透光才能观测到振荡现象。振荡周期与薄膜厚度的变化关系为：现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图
37、形曝光与光刻 6161刻蚀时间（任意单位）反射系数（任意单位）硅化物多晶硅硅化物/多晶硅刻蚀实验曲线现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 6262反应等离子体刻蚀技术与设备反应等离子体刻蚀技术与设备一个反应等离子体刻蚀反应器包括一个真空腔、抽气泵系统、电源供应产生器、压力探测器、流量控制器与终点探测器等。刻蚀设备类型扩散机制压强范围/Torr桶形刻蚀化学0.1-10下游式等离子体刻蚀化学0.1-10反应离子刻蚀化学与物理0.01-1磁性增强RIE化学与物理0.01-1磁约束三极式RIE化学与物理0.001-0.1电子回旋共
38、振等离子体刻蚀（ECR）化学与物理0.001-0.1电感耦合等离子体（ICP）化学与物理0.001-0.1变压器耦合等离子体（TCP）表面波等离子体或螺旋波等离子体刻蚀化学与物理0.001-0.1现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 6363 1 10 100 10001101001000低于高密度ECR，ICP低压整批RIE单片晶片RIE桶状等离子体刻机现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 6464反应离子刻蚀（反应离子刻蚀（RIERIE）RIE已被
39、广泛用于微电子工业，装置图如下所示。此刻蚀系统比传统的“桶装”刻蚀系统选择比要低，是由于强烈的物理溅射的关系。然而，选择比可以选择适当的化学刻蚀来改善。平行板系统RFRF现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 6565电子回旋共振（电子回旋共振（ECRECR）等离子体刻蚀机）等离子体刻蚀机大多数的等离子体抗蚀机，除了三极RIE外，都无法提供独立控制等离子体参数的能力。导致轰击损伤的严重问题。ECR结合微波电源与静电场来驱使电子沿磁场线作一定角频率的回旋。当此频率等于外加微波频率时，电子能量与外加磁场产生共振耦合，造成大量的分
40、解与电离。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 6666其他高密度等离子体刻蚀机其他高密度等离子体刻蚀机由于ULSI的线宽持续缩小，逼近传统的RIE系统极限，除了ECR系统外，其他形式的高密度等离子体源（HDP），如电感耦合等离子体源（ICP）、变压器耦合等离子体源（TCP）、表面波耦合等离子体源（SWP）也已开始发展。这些设备拥有高等离子体密度与低工艺压强。另外，HDP等离子体源对衬底的损伤较小（因为衬底有独立的偏压源与侧电极电势），并有高的的各向异性（因为在低压下工作但有高活性的等离子体密度）。然而，由于其复杂且成本较
41、高，这些系统可能不会使用于非关键性的工艺，如侧壁间隔与平坦化工艺。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 6767等离子体RFRF介电板现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 6868集成等离子体工艺集成等离子体工艺半导体晶片都是在洁净室里加工制作，以减少大气中的尘埃污染。当器件尺寸缩小，尘埃的污染成为一个严重的问题。为了减少尘粒的污染，集成等离子体设备利用晶片操作机将晶片置于高真空环境中从一个反应腔移到另一个反应腔。同时可以增加产率。现代半导体器件物理与
42、工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 6969TiW刻蚀腔AlCu刻蚀腔钝化层剥蚀腔真空装载锁住腔卡式装/卸载腔现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 7070反应等离子体刻蚀的应用反应等离子体刻蚀的应用等离子体刻蚀系统已由应用于简单、整批的抗蚀剂剥蚀快速发展到大的单片晶片加工。下表列举了不同刻蚀工艺所用到的一些化学剂。被刻蚀材料刻蚀用的化学药品深Si沟槽HBr/NF3/O2/SF6浅Si沟槽HBr/Cl2/O2多晶硅HBr/Cl2/O2, HBr/O2, BCl3/Cl2
43、, SF6AlBCl3/Cl2, SiCl4/Cl2, HBr/Cl2AlSiCuBCl3/Cl2N2W只有SF6, NF3/Cl2TiW只有SF6WSi2，TiSi2，CoSi2CCl2F2/NF3, CF4/Cl2, Cl2/N2/C2F6SiO2CF4/CHF3/Ar, C2F6, C3F8/CO, C5F8, CH2F2Si3N4CHF3/O2, CH2F2, CH2CHF2现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 7171硅沟槽刻蚀硅沟槽刻蚀当器件尺寸缩小时，晶片表面用作隔离DRAM储存单元的储存电容与电路器件间的区
44、域也会相对减少。这些表面隔离区域可以利用硅晶片的深沟槽刻蚀，再填入适当的介质或导体物质来减少其所占的面积。深沟槽深度通常超过5um，主要是用于形成存储电容，浅的沟槽其深度通常不会超过1um，一般用于器件间的隔离。氯基或溴基的化学剂对硅有高刻蚀速率，且对以二氧化硅为掩蔽层的硅刻蚀有高选择比。HBr+NF3+SF6+O2混合气可用于形成深度约7um的沟槽电容，此气体也用于浅沟槽的刻蚀。亚微米的深硅沟槽刻蚀时，常可观测到与高宽比有管的刻蚀，这是因深窄沟槽中的离子与中性原子的输运会受到限制。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 7
45、272图为硅沟槽平均刻蚀速率与高宽比的关系0 10 20 30 40 50 0.2 0.4 0.6 0.8现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 7373多晶硅与多晶硅化物栅极刻蚀多晶硅与多晶硅化物栅极刻蚀多晶硅与多晶硅化物（即多晶硅上覆盖有低电阻金属硅化物）常用作MOS器件的栅极材料。各向异性刻蚀及对栅极氧化层的高选择比是栅极刻蚀时最重要的需求。例如，对1G DRAM而言，其选择比需超过150（即多晶硅化物与栅极氧化层的刻蚀速率比为150:1）。另外，为符合各向异性刻蚀与高选择比的要求，等离子体技术的趋势是利用一相对低的功
46、率产生低压与高密度的等离子体。大多数氯基与溴基化合物可用于栅极刻蚀而得到所需的各向异性与选择比。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 7474介质刻蚀介质刻蚀定义介质层（尤其是二氧化硅与氮化硅）的图案是先进半导体制造技术中的关键工艺。因为具有较高的键结合能量，介质的刻蚀必须利用氟基增强等离子体。垂直的图案轮廓可通过侧壁钝化来实现，通常将含碳的氟化物加入等离子体中（CF4、CHF3、C4F8）。必须使用轰击能量较高的离子才能将此聚合物形成的钝化层从氧化层上去除，以及将反应物质与氧化物表面混合形成的SiFx的产物。低压强操作与
47、高等离子体密度有利于高宽比有关的刻蚀，然而HDP会产生高温电子并接着产生高比例的分解离子与自由基，它比RIE或是磁性增强RIE产生更多的活性自由基与离子。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 7575金属导线刻蚀金属导线刻蚀AlAlIC制作中，金属层的刻蚀是一个相当重要的步骤。铝、铜与钨是金属导线常用的材料，它们通常需要各向异性刻蚀。氟与铝反应产生非挥发性的AlF3，在1240时，其蒸汽压只有1Torr。氯基化学剂常用于铝的刻蚀。氯对铝有极高的化学刻蚀速率并且在刻蚀时会有横向钻蚀现象。将含碳气体或是氮气加入反应中，可在侧壁
48、产生钝化层而得到各向异性刻蚀。暴露于大气环境中是铝刻蚀的另一个问题。Al侧壁上残留的氯与抗蚀剂容易与常压下的水气形成HCl腐蚀铝。在晶片暴露与大气前，先临场通入CF4等离子体，用F取代Cl；然后再通入氧等离子体去除抗蚀剂；紧接着立刻将晶片浸入去离子水中，如此可避免Al的腐蚀。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 7676CuCuCu是Al的后起之秀，低的电阻率与高的抗电迁移性能。然而，铜的卤化物挥发性较低，室温下的等离子体刻蚀并不容易。刻蚀铜膜的温度需高于200。因此，铜的金属导线制作使用“嵌入式”工艺而不用刻蚀。嵌入式工
49、艺包括：1、平坦的介电层上刻蚀出沟槽或渠道；2、金属填入沟槽中来作为连线导线；3、化学机械抛光。在两层嵌入式工艺中，牵涉了一系列的洞（接触孔或通孔）的刻蚀出来并以金属填入，然后CMP。嵌入式工艺的优点是免掉了金属刻蚀的步骤，而铜刻蚀正是IC工业从铝改成铜导线时最担心的问题。现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 7777两层嵌入式工艺中不同的工艺步骤抗蚀剂刻蚀停止层抗蚀剂连线通孔现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 7878W WLPCVD W已广泛用于接触孔填塞与第一层金属层，这是因为钨有完美的淀积均匀覆盖性。氟基与氯基化合物均可以刻蚀钨，且生成挥发性产物。利用钨全面回蚀得到钨插栓是钨刻蚀的一项重要应用。SiO2TiN阻挡层WAlCuWSiO2AlCu现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学桂林电子科技大学图形曝光与光刻图形曝光与光刻 7979Thanks forThanks forlisteninglistening
