第八章光刻与刻蚀工艺

第八章光刻与刻蚀工艺 主讲：毛维 mwxidian@126.com 西安电子科技大学微电子学院

绪论 • 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。 • 刻蚀：通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到Si片上 • 光刻三要素： ①光刻机 ②光刻版（掩膜版） ③光刻胶 • ULSI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；

间隙线宽光刻胶厚度衬底绪论光刻胶三维图案

绪论集成电路芯片的显微照片

绪论

接触型光刻机

步进型光刻机

绪论 • 掩膜版与投影掩膜版投影掩膜版（reticle）是一个石英版，它包含了要在硅片上重复生成的图形。就像投影用的电影胶片的底片一样。这种图形可能仅包含一个管芯，也可能是几个。光掩膜版（photomask）常被称为掩膜版(mask)，它包含了对于整个硅片来说确定一工艺层所需的完整管芯阵列。

绪论 • 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％）6＝53％； 10块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）10＝35％； 15块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）15＝21％；最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。

绪论 • 特征尺寸（关键尺寸）关键尺寸常用做描述器件工艺技术的节点或称为某一代。0.25μm以下工艺技术的节点是0.18μm、0.15μm、0.1μm等。 • 套准精度光刻要求硅片表面上存在的图案与掩膜版上的图形准确对准，一般而言，器件结构允许的套刻误差为器件特征尺寸的三分之一左右，当图形形成要多次用到掩膜版时，任何套准误差都会影响硅片表面上不同图案间总的布局宽容度。而大的套准容差会减小电路密度，即限制了器件的特征尺寸，从而降低 IC 性能。

绪论 • Clean Room 洁净等级：尘埃数/m3；（尘埃尺寸为0.5μm） 10万级：≤350万，单晶制备； 1万级：≤35万，封装、测试； 1000级：≤35000，扩散、CVD； 100级：≤3500，光刻、制版； • 深亚微米器件（尘埃尺寸为0.1μm） 10级：≤350，光刻、制版； 1级：≤ 35，光刻、制版；

8.1 光刻工艺流程 • 主要步骤：涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀、去胶。 • 两种基本工艺类型：负性光刻和正性光刻。

光照掩膜版 SiO2 光刻胶负性光刻 n-Si

光照掩膜版 SiO2 光刻胶不透光 n-Si

SiO2腐蚀液 SiO2 光刻胶 n-Si

光刻胶 n-Si

n-Si

曝光区域变成交互链结，可抗显影液之化学物质。曝光区域变成交互链结，可抗显影液之化学物质。紫外光光刻胶玻璃掩膜版上的铬图案光阻曝光区域岛状窗口光刻胶上的影子光刻胶氧化层氧化层硅基板硅基板光刻胶显影后的图案负性光刻

光照掩膜版 SiO2 光刻胶正性光刻 n-Si

光照掩膜版 SiO2 光刻胶不透光 n-Si

SiO2腐蚀液 SiO2 光刻胶 n-Si

光刻胶 n-Si

n-Si

曝光的区域溶解去除 紫外光光刻掩膜版之铬岛光刻胶上阴影光阻岛状窗口 photoresist 光刻胶曝光区域光刻胶 photoresist 氧化物 oxide oxide 硅基板硅基板 silicon substrate silicon substrate 氧化物光刻显影后呈现的图案正性光刻

印制在晶圆上所需求的光刻胶结构图案 光刻胶岛基板铬石英窗口岛正光刻胶用所需的光刻图案 (与所要的图案相同) 负光刻胶用所需的光刻图案 (与所要的图案相反)

CMOS反相器之上视图 光刻层决定后续制程的精确性。光刻图案使各层有适当的位置、方向及结构大小，以利于蚀刻及离子植入。 PMOSFET NMOSFET CMOS反相器之横截面 8.1 光刻工艺流程

8.1 光刻工艺流程 8.1.1 涂胶 1.涂胶前的Si片处理(以在SiO2表面光刻为例) • SiO2:亲水性；光刻胶：疏水性； ①脱水烘焙:去除水分 ②HMDS：增强附着力 • HMDS：六甲基乙硅氮烷——(CH3)6Si2NH • 作用：去掉SiO2表面的-OH HMDS热板脱水烘焙和气相成底膜

8.1 光刻工艺流程 8.1.1 涂胶 2.涂胶 ①对涂胶的要求：粘附良好，均匀，薄厚适当 • 胶膜太薄－针孔多，抗蚀性差； • 胶膜太厚－分辨率低（分辨率是膜厚的5－8倍） ②涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂√

8.1 光刻工艺流程 在真空热板上软烘 8.1.2 前烘 ①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。 ②影响因素：温度，时间。 • 烘焙不足（温度太低或时间太短）——显影时易浮胶，图形易变形。 • 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。 • 烘焙温度过高——光刻胶黏附性降低，光刻胶中的感光剂发生反应（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 ①光学曝光－紫外，深紫外 ⅰ）光源： • 高压汞灯：产生紫外(UV）光，光谱范围为350 ~ 450nm。 • 准分子激光器：产生深紫外(DUV）光，光谱范围为180nm～330nm。 KrF：λ= 248nm； ArF：λ= 193nm； F2：λ= 157nm。

8.1 光刻工艺流程 ⅱ）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5-50μm间距。 c.投影式：利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上

8.1 光刻工艺流程 ②电子束曝光： λ＝几十~100Å； • 优点：分辨率高；不需光刻版（直写式）； • 缺点：产量低； ③X射线曝光 λ＝2 ~ 40Å ，软X射线； • X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 ①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。 ②显影液：专用 • 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。 • 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 ③影响显影效果的主要因素： ⅰ）曝光时间； ⅱ）前烘的温度与时间； ⅲ）胶膜的厚度； ⅳ）显影液的浓度； ⅴ）显影液的温度； ④显影时间适当 • t太短：可能留下光刻胶薄层→阻挡腐蚀SiO2(金属） →氧化层“小岛”。 • t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 ①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。 ②方法 ⅰ）恒温烘箱：180－200℃，30min； ⅱ）红外灯：照射10min，距离6cm。 ③温度与时间 ⅰ）坚膜不足：腐蚀时易浮胶，易侧蚀； ⅱ）坚膜过度：胶膜热膨胀→翘曲、剥落 →腐蚀时易浮胶或钻蚀。若T>300℃：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） ①对腐蚀液（气体）的要求：既能腐蚀掉裸露的SiO2（金属），又不损伤光刻胶。 ②腐蚀的方法 ⅰ)湿法腐蚀：腐蚀剂是化学溶液。特点：各向同性腐蚀。 ⅱ)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。 8.1.7 去胶 ①湿法去胶 • 无机溶液去胶：H2SO4（负胶）； • 有机溶液去胶：丙酮（正胶）； ②干法去胶：O2等离子体；

8.2 分辨率 • 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。 • 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 R＝1/(2L) (mm-1) 1.影响R的主要因素： ①曝光系统（光刻机）： X射线（电子束）的R高于紫外光。 ②光刻胶：正胶的R高于负胶； ③其他：掩模版、衬底、显影、工艺、操作者等。

8.2 分辨率 2.衍射对R的限制 • 设一任意粒子（光子、电子），根据不确定关系，有 ΔLΔp≥h • 粒子束动量的最大变化为Δp=2p，相应地 • 若ΔL为线宽，即为最细线宽，则 • 最高分辨率

① 对光子：p=h/λ，故。 • 上式物理含义：光的衍射限制了线宽≥ λ/2。 • 最高分辨率： ②对电子、离子：具有波粒二象性（德布罗意波），则， • 最细线宽：结论： a. E给定：m↑→ΔL↓→R↑，即R离子 > R电子 b. m给定：E↑→ΔL↓→R↑

8.3 光刻胶的基本属性 1.类型：正胶和负胶 ①正胶：显影时，感光部分溶解，未感光部分不溶解； ②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. 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） ①基体、感光剂－聚乙烯醇肉桂酸脂 • 浓度：5-10% ②溶剂－环己酮 • 浓度：90－95％ ③增感剂－5-硝基苊 • 浓度：0.5-1% 聚乙烯醇肉桂酸脂（KPR）的光聚合反应

8.3 光刻胶的基本属性 8.3.1 对比度γ • 表征曝光量与光刻胶留膜率的关系；以正胶为例 • 临界曝光量D0：使胶膜开始溶解所需最小曝光量； • 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γ • 直线斜率（对比度）：对正胶对负胶 • γ越大，光刻胶线条边缘越陡。

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