硅集成电路工艺——光刻与刻蚀

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方法:干法刻蚀
湿法刻蚀
质量指标:分辨率 ; 选择性
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去胶
目的:将经过刻蚀的硅片表面留下的光刻胶去除 方法:干法去胶
(等离子体去胶、紫外光分解去胶)
湿法去胶 (无机溶液去胶、有机溶液去胶)
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§8.2 分辨率(Resolution)
定义:分辨率R表示每mm内能刻蚀出可分辨的最多线条 数,即每mm内包含有多少可分辨的线对数
湿法刻蚀优缺点
各向同性
选择性好
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典型薄膜的湿法刻蚀
Si的湿法刻蚀 常规腐蚀:硝酸+氢氟酸+水
定向腐蚀:KOH水溶液+异丙醇
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SiO2的湿法腐蚀 氢氟酸+氟化氨缓冲溶液
Si3N4的湿法腐蚀 热磷酸
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§8.8 干法刻蚀
等离子刻蚀:化学反应,高速率,高选 择比,低缺陷,但各向同性 干 法 刻 蚀 溅射刻蚀(粒子铣):物理溅射,各向 异性,低选择比,高缺陷
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二氧化硅和硅的干法刻蚀
高压等离子刻蚀
CF4+e
SiO2+4F Si+4F
CF3+F(自由基)+e
SiF4(气)+O2 SiF4 (气)
加入氧气对刻蚀的影响:刻蚀Si和SiO2的速度都加快, 且Si刻蚀速度增加更快,降低SiO2/Si刻蚀的选择性 加入氢气对刻蚀的影响:对SiO2的刻蚀影响不大,但可 减小对Si的刻蚀速度,增加SiO2/Si刻蚀的选择性
涂胶
前烘
曝光
显影
后烘
刻蚀
去胶
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硅片清洗
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预烘及涂增强剂
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涂胶
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前烘
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掩模版对准
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曝光
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曝光后烘培
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显影
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后烘及图形检测
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刻蚀
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刻蚀完成
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去胶
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离子注入
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曝光后烘培
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后烘(坚膜)
目的: 除去光刻胶中剩余的溶剂,增强光刻胶对硅片的附着力 提高光刻胶在刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性和保护能力 减少光刻胶层中的缺陷(如针孔),修正图形边缘轮廓 方法:高温处理(150℃左右) 光学稳定(UV照射)
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刻蚀
目的:选择性地将未被光刻胶掩蔽的区域去除
石英板 热扩散系数小,刻写过程中 受T影响小 对248,193nm波长通透性好 铬层
刻蚀和淀积相对容易
对光线完全不透明 掩膜版保护膜
Cr2O3 Cr CrN,CrO
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移相掩模(PSM)
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未来趋势(future Trends)
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紫外(UV)光源
水银弧光灯光源 i线(365nm) h线(405nm) g线(436nm) 缺点:能量利用率低(2%) 准直性差
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深紫外( DUV )光源
KrF、ArF、F2准分子激光器 优点:更高有效能量,各向异性,准直,波长更小, 空间相干低,分辨率高 缺点:带宽宽,脉冲式发射,能量峰值大,损伤
光刻技术在IC流程中的重要性
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ULSI中对光刻的基本要求
高分辨率
高灵敏度的光刻胶
低缺陷
精密的套刻对准 对大尺寸硅片的加工
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半导体工业中的洁净度概念
尘埃粒子的影响: 粒子1:在下面器件层产生针孔 粒子2:妨碍金属导线上电流的流动 粒子3:导致两金属区域短路,使电路失效
分辨率
曝光系统 衬底 掩膜 XX X X
对准
XX X X
片间控制
X XX -
批间控制
XX X X
产量
XX X X
光刻胶
显影剂 润湿剂 工艺 操作员
Biblioteka Baidu
XX
X - X X
X
- - X XX
XX
XX XX XX XX
XX
XX X XX X
XX
X - XX XX
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§8.3 光刻胶的基本属性
正胶与负胶:
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旋涂
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旋涂
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旋涂
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旋涂
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边沿清除
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边沿清除
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光刻胶膜的质量
质量指标: 膜厚(光刻胶本身的黏性、甩胶时间、速度) 膜厚均匀性(甩胶速度、转速提升速度) 气泡,灰尘等粘污情况(超净工作台,红、黄光照明)
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0.61λ/NA(亚微米级工艺)
优点:样品与掩膜版不接 触,避免缺陷产生
掩膜板不易损坏,可仔细 修整
缺点:结构复杂,工艺要 求高,产率低
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M:1缩小的步进重复曝光
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数值孔径(NA)
NA表示透镜收集发散光的能力,NA越大,则能得到更锐 利的图形,从而得到更小的特征尺寸及更大的分辨率。
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快速热处理及合金
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预烘及涂增强剂
去除硅片表面的水分 增强与光刻胶的黏附力(亲水性,疏水性) 温度一般为150~750℃之间 可用涂覆增强剂(HMDS,六甲基乙硅氧烷)来增加 黏附性
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涂胶(旋涂法)
目的:形成厚度均匀、附着力强、没有缺陷的光刻胶薄膜 方法:旋涂法
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曝光方式(Exposure)
接触式
曝 光 方 式 遮蔽式 Shade system Contact printer 接近式
proximity printer
投影式 projection system
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接触式曝光(contact printer)
接触式曝光 S=0,分辨率得到提高(1-3um) 尘埃粒子的产生,导致掩膜版的损坏,降低成品率
的正映像
负胶:反之
方法:喷洒显影液
静止显影
漂洗、旋干
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正胶和负胶
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显影中可能存在的问题
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显影设备
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喷洒显影液
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静止显影
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去除显影液
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去离子水清洗
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显影全过程
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曝光后烘培
目的:降低驻波效应,形成均匀曝光
前烘
目的: 使胶膜内溶剂充分挥发,干燥,降低灰尘污染 增加胶膜与下层膜的黏附性及耐磨性 区分曝光区和未曝光区的溶解速度 方法: 干燥循环热风 红外线辐射 热平板传导(100℃左右)
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前烘方法
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显影
目的:显现出曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形 正胶:感光区域显影溶解,所形成的是掩膜板图形
2 1 掩膜版上 的图形 3
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洁净度等级:
英制:每立方英尺中直径大于或等于0.5μm的尘埃粒
子总数不超过设计等级(如英制等级100) 公制:每立方米中直径大于或等于0.5μm的尘埃粒子 总数不超过设计等级(以指数计算,如等级M3.5, 则粒子总数不超过103.5个)
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§8.1 光刻工艺流程
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增加氢
增加氧
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聚合物的形成和侧壁保护
+ + +
+ 光刻胶
SiO 2
Si
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§8.9 刻蚀速率
离子能量和入射角 气体成分 气体流速 温度
离子加速反应机理: •离子轰击产生损伤或缺陷 •离子轰击直接离解反应剂 分子 •离子轰击可清除表面不挥 发性的残余物质
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提高分辨率的方法
化学增强的深紫外光刻胶 离轴照明 提高分辨率 常规基体:PAG,保护剂, 改良剂(易污染,更深 UV难应用) 深紫外基体:PMMA(聚 甲基丙烯酸甲酯,抗蚀力 不强,短储存时间)
优化焦深
扩大调焦范围曝光 曝光接触孔和通孔,需 要更深聚焦深度
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§8.5 掩膜版的制造
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其他特性
光敏度
理想的曝光图形
膨胀性 抗刻蚀能力和热稳定性 黏着力 溶解度和黏滞度
正胶 实际的曝光图形
微粒含量和金属含量
储存寿命
负胶
理想曝光图形与实际图形的差别
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§8.4 曝光系统
紫外(UV)
曝 光 系 统
光学曝光系统 深紫外(DUV) 电子束曝光系统 非光学曝光系统 X射线曝光系统 离子束曝光系统
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接近式曝光(proximity printer)
接近式曝光(>3um) 最小线宽LCD=1.4(Sλ)1/2 减少了掩膜版的损坏,但分辨率受到限制
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投影式曝光(projection system)
最小尺寸:Lmin= 扫描方式: 1:1步进重复 M:1缩小的步进重复
X射线曝光
类似接近式曝光
更大的粒子质量,更高的分辨率 纯的X射线源难以得到 掩模版的制备存在挑战 在实际生产中难以应用
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电子束直写式曝光
主要用于掩模版的制备 能达到最小的几何尺寸:
0.014 um
能够直写,无需掩模版 邻近效应导致分辨率下降
产率低
干法刻蚀:
等离子体,化学反应+物理 溅射 优点:较高的各向异性,能 形成更小的特征尺寸;等离 子体可以容易的开始和结束, 温度不敏感,工艺重复性好; 更少的颗粒玷污,很少的化 学废液 缺点:选择性比较差,设备 复杂
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缺点:各向同性,精 细线条难以刻蚀;大 量的颗粒污染,化学 废液
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对比度
光刻胶膜厚——曝光剂量响应曲线 对比度: r (Y Y ) /( X X ) 2 1 2 1
正胶:rp
1 log 10 ( Dc / D0 )
负胶:rn
1
0 i log 10 ( D g / D g )
对比度越高,侧面越陡,线宽更准确 对比度高,减少刻蚀过程中的钻蚀效应,提高分辨率
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§8.6 ULSI对图形转移的要求
dm
图形转移的保真度
各向异性度:A=1-(Vl/Vv)
df
a dm
选择比
不同材料在腐蚀过程中被腐蚀的速率比
df
均匀性
不同位置在腐蚀过程中被腐蚀的速率比
b dm
刻蚀的清洁
df c
h
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§8.7 湿法刻蚀 (Etching)
湿法刻蚀:
液态溶液,化学反应 优点:工艺简单;选择 性好;操作方便
R
1 2L
( mm )
1
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物理学意义:限制因素是衍射
光子:
L p h
L p / h / 2; Rmax 1 /
粒子:
L
h 2 2 mE
所以:能量一定,则粒子质量越大,分辨率越高
质量一定,则动能越高,分辨率越高
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光刻参数对工艺效果的影响
压力、功率密度
负载效应
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小结
掌握光刻工艺的重要性及洁净度概念
掌握光刻工艺流程(七步,目的、方法、影响因素) 理解分辨率的概念及影响因素 理解光刻胶的基本属性及对分辨率的影响 理解曝光光源,曝光方式及其对分辨率的影响 了解掩膜版的制备及移相掩膜原理 了解电子束曝光、X射线曝光及光刻的未来发展趋势 掌握湿法刻蚀和干法刻蚀的原理及优缺点
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光刻胶的组成
聚合物材料(树脂):保证光刻胶的附着性和抗腐蚀 性及其他特性,光化学反应改变溶解性
感光材料(PAC):控制或调整光化学反应,决定着曝 光时间和剂量 溶剂:将树脂溶解为液体,使之易于涂覆 添加剂:染色剂等
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正胶与负胶
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正胶与负胶
负胶的缺点: • 树脂的溶涨降低分辨率 • 溶剂(二甲苯)造成环境污染
反应粒子刻蚀:化学和物理双重作用, 各性能介于二者之间
利用等离子激活的化学反应或者利用高能离子束轰击 完成去除物质的方法
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等离子刻蚀的工艺过程
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共同点:都是利用低压状态下气体放电来形成等离子体作 为刻蚀基础
不同点:刻蚀系统压力:等>反>溅;温度:等>反>溅; 功率:反之;气流等相关可控参数。 刻蚀机制: 等离子刻蚀:(化学反应)产生-扩散-吸附-反应-解吸 溅射刻蚀:(物理溅射)产生-加速-轰击-溅射-排除
IC设计流程图,光刻图案用来定义IC中各种不同的区域,如:离子注 入区、接触窗、有源区、栅极、压焊点、引线孔等
主流微电子制造过程中,光刻是最复杂,昂贵和关键的工艺,占总成 本的1/3,一个典型的硅工艺需要15-20块掩膜,光刻工艺决定着整个 IC工艺的特征尺寸,代表着工艺技术发展水平。
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Chap.8 光刻与刻蚀工艺
光刻的重要性及要求 光刻工艺流程 光刻工艺的分辨率及光刻胶 曝光光源、曝光方式以及掩膜版 湿法刻蚀与干法刻蚀技术
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光刻与刻蚀的定义
图形曝光(光刻,Photolithography) 图形加工 图形转移(刻蚀,Etching) 光刻工艺的重要性:
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