光刻与刻蚀工艺ppt课件

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。
8.2 光刻工艺
以ULSI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。
下图(a)为典型的曝光反应曲线与正胶的影像截面图。反应曲线描述
在曝光与显影过程后，残存刻胶的百分率与曝光能量间的关系。值
得注意的是，即使未被曝光，少量刻胶也会溶于显影液中。 图 (a)的截面图说明了掩模 版图形边缘与曝光后光刻 胶图形边缘的关系。由于 衍射，光刻胶图形边缘一 般并不位于掩模版边缘垂 直投影的位置，而是位于 光总吸收能量等于其阈值 能量ET处。 图 (b)为负胶的曝光反应曲 线与图形的截面图。
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。
6.1 概述
微电子单项工艺
掺杂 薄膜制备 图形转移
扩散掺杂 离子注入掺杂 物理气相淀积 化学气相淀积
外延 光刻 刻蚀
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)。
8.2 光刻工艺
光刻胶的性能参数 a. 光学性质：如灵敏度、分辨率、对比度、折射率； b. 力学和化学性质 ：如固溶度、黏滞度、抗蚀性、热稳定性、流 动性和对环境气氛的敏感度； c. 其它性质：如纯度、金属含量、可使用范围、有效期和燃点； 一、分辨率
分辨率是指每毫米宽度内能够光刻出可分辨的最多线对数，它 是对光刻工艺可以达到的最小图形尺寸的一种描述。在线宽 L 与 线条间距相等的情况下，分辨率为：R 1 (mm1) ，光刻分辨率受
1.2m 1.2m
1m 1m
0.8 - 1.5m
层次索引
接触孔（14层） 第一层金属（15层） 有源区（3层） 栅（10层）
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。
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80C～100C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。
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。
6.1 概述
图形转移(pattern transfer)是微电子工艺的重要基础，其作 I用C工艺 是中，使大多器数件WCE和是将电晶片路浸入的化学设溶液计中，从或是图喷射纸腐蚀或液在工晶片作表面站。 转移到基片上得以实现， TI我Cw工in艺 们Sc中an，可X大T 1多以70数0把WFiCE它是将看晶片作浸入是化学一溶液个中，在或是衬喷射底腐蚀上液在建晶片立表面三。 维图形的过程，包括光刻 和刻蚀两个步骤。 对于一个给定的曝光强度，灵敏度大的光刻胶曝光时间较短，且曝光效果较好。
6.1 概述
图 (a)为显影后的晶片。晶片再 次于120℃～180 ℃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
在扩散或子注入步骤之后，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。
图形尺寸准确，符合设计要求；
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、 在干法刻蚀时，等离子体中的电子浓度相当低，大概的数值为109cm-3～1012cm-3。
614×10-13×nF×T1/2exp(-Ea/RT)．
将负接相性移 电 触层子覆光窗盖刻于胶(c相：o邻COn的P缝t，a隙显上c影，t时将膨w使胀电i，n场分d反辨相o率，1w图m)(b与左)所右示压。。 焊垫(bonding-pad)区。而由光刻所 扫形描曝 成光系的统把光通过刻狭缝胶的光图从掩案模版，聚焦并到衬不底上是，同电时掩路模板器和衬件底一的起作最扫描终运动部，直分至掩 ，模图而形布只满整是个衬电底而路完成图曝光形。 的印模。
电子束曝光是利用具有一定能量的电子与光刻胶碰撞发生化学反应而完成曝光的。
右1敏图m为 的[请电与子光电束子图刻束形情曝胶况光作系在比统较的衬]。装置底图。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， 曝光时，感光剂将吸收的光能转变为化学能而引起链反应，聚合物分子间发生交联，形成不溶于显影液的高分子交联聚合物。
因此，干法刻蚀系统 通常装配监视系统来指示刻蚀工艺结束的时间，称为终点检测系统（end-point detection system）。
简称光刻胶)的一种工艺步骤。 激光产生的等离子体或是同步辐射(synchrotron radiation)可提供波长为10nm～14nm的极远紫外光光源给EUV系统。
在使用正胶曝光的过程中，要注意光刻胶与曝光源之间的匹配 关系。光刻胶与曝光波长之间的谐调非常重要，因为其它谱系的光 线（如黄光和绿光）对光刻胶也会产生一定曝光效果。一般要求非 曝光区对光波的吸收系数不能大于40％，否则将影响曝光图形。
8.2 光刻工艺
三、对比度 对比度是衡量光刻胶区分掩模版上亮区与暗区的能
8.2 光刻工艺
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
术的进步。
光学曝光
遮蔽式曝光 投影式曝光
曝光方式
非光学曝光
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％。
6.1 概述
氧化：高品质SiO2的成功开发，是
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。
正胶 ><
>< 断链
8.2 光刻工艺
负胶是一种含有感光剂的聚合物。曝光时，感光剂将吸收的光 能转变为化学能而引起链反应，聚合物分子间发生交联，形成不 溶于显影液的高分子交联聚合物。显影后，未感光部分的光刻胶 被去除。负胶的主要缺点是显影时吸收显影液溶剂而膨胀，限制 了其分辨率。
负胶
交联
8.2 光刻工艺
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)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。
力大小的指标。从理论上说，光刻胶的对比度会直接影响 曝光后光刻胶图形的倾角和线宽。
为测量光刻胶的对比度，可 以将一定厚度的光刻胶在不 同辐照剂量下曝光，测量显 影后剩余光刻胶的厚度（留 膜率），利用留膜率与曝光 剂量的关系曲线进行计算。
8.2 光刻工艺
对于负胶，存在一个临界曝 光剂量 D0。曝光剂量小于D0时， 负胶在显影液中完全可溶，不 会形成曝光图形。曝光剂量达 临界值后，感光区剩余膜厚随 曝光剂量增大而增大。
2L
光刻系统、光刻胶和光刻等多方面因素影响。
8.2 光刻工艺
二、灵敏度
光刻胶的灵敏度是指完成光刻所需最小曝光剂量（光能量， mJ/cm2）。对于光化学反应，灵敏度是由曝光效率决定的，而曝 光效率可以定义为参与曝光的光子能量与进入光刻胶的光子能量的 比值。通常正胶比负胶有更高的曝光效率，因此正胶的灵敏度比较 大。对于一个给定的曝光强度，灵敏度大的光刻胶曝光时间较短， 且曝光效果较好。但如果灵敏度过大，光刻胶在室温下就可能发生 热分解，使其储存有效期缩短。
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。
优点：有较高刻 自从80年代后期用多晶硅成功制作旋转式微马达于硅芯片上以来，微机电系统(microelectromechanical systems，MEMS)迅速引起人
们化的学注 方意式光。：等刻离子体(产li生t的h中o性g反r应a物p与h物质y表，面相又互作译用产图生挥形发性曝产物光。 )：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 这种方式使得微机电系统产品类似于集成电路，可整批制造，廉价推广。
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。