第八章光刻与刻蚀工艺

集成电路制造技术第八章光刻与刻蚀工艺西安电子科技大学微电子学院戴显英2013年9月主要内容光刻的重要性光刻工艺流程光源光刻胶分辨率湿法刻蚀干法刻蚀第八章光刻与刻蚀工艺IC制造中最重要的工艺：①决定着芯片的最小特征尺寸②占芯片制造时间的40-50%③占制造成本的30%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；第八章光刻与刻蚀工艺特征尺寸与栅长的摩尔定律与特征尺寸相应的光源第八章光刻与刻蚀工艺接触式与投影式光刻机掩模版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。掩膜版尺寸：①接触式接近式和投影式曝光机：1∶1②分步重复投影光刻机（Stepper）：4∶1；5∶1；10∶1CleanRoom净化间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；光刻工艺的基本步骤•涂胶Photoresistcoating•曝光Exposure•显影Development8.1光刻工艺PhotolithographyProcess光刻工艺的主要步骤涂胶前烘曝光后烘显影坚膜1)清洗硅片WaferClean2)预烘和打底胶Pre-bakeandPrimerVapor3、涂胶PhotoresistCoating4、前烘SoftBake8.1.1光刻工艺流程5、对准Alignment6、曝光Exposure7、后烘PostExposureBake8、显影Development8.1.1光刻工艺流程9、坚膜HardBake10、图形检测PatternInspection8.1.1光刻工艺流程光刻1－清洗光刻2－预烘和打底膜SiO2:亲水性；光刻胶：疏水性；预烘：去除Si片水汽，增强光刻胶与表面的黏附性；大约1000C；打底膜：涂HMDS（六甲基乙硅氮烷），去掉SiO2表面的-OH，增强光刻胶与表面的黏附性。RCA标准清洗8.1.1光刻工艺流程光刻3－涂胶SpinCoating圆片放置在涂胶机的真空卡盘上高速旋转液态光刻胶滴在圆片中心光刻胶以离心力向外扩展均匀涂覆在圆片表面EBR:Edgebeadremoval边缘修复①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√旋转涂胶SpinCoating8.1.1光刻工艺流程光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系与涂胶旋转速率成反比与光刻胶粘性成正比光刻4－前烘SoftBakeBakingSystems①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－感光剂反应（胶膜硬化），不易溶于显影液，导致显影不干净。8.1.1光刻工艺流程5-6、对准与曝光AlignmentandExposureMostcriticalprocessforICfabricationMostexpensivetool(stepper)inanICfab.DeterminestheminimumfeaturesizeCurrently45nmandpushingto32nm接触式曝光机接近式曝光机投影式曝光机步进式曝光机（Stepper）1）对准和曝光设备--光刻机8.1.1光刻工艺流程接触式曝光示意图步进-重复（Stepper）曝光示意图接近式曝光示意图投影式曝光示意图光学曝光、X射线曝光、电子束曝光①光学曝光－紫外，深紫外高压汞灯：紫外(UV），300－450nm；i线365nm，h线405nm，g线436nm。准分子激光：KrF：λ=248nm；ArF：λ=193nm；F2激光器：λ=157nm。高压汞灯紫外光谱2）曝光光源：8.1.1光刻工艺流程电子束曝光：λ＝几十---100Å；优点：分辨率高；不需光刻版（直写式）；缺点：产量低（适于制备光刻版）；X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。极短紫外光（EUV）：λ＝10—14nm②下一代曝光方法8.1.1光刻工艺流程商用X-ray光刻机光刻7－曝光后烘焙（后烘，PEB）烘焙温度高于光刻胶玻璃化转变温度（Tg）光刻胶分子发生热运动过曝光和欠曝光的光刻胶分子发生重分布平衡驻波效应，平滑光刻胶侧墙，目的：提高分辨率8.1.1光刻工艺流程光刻胶中的驻波效应光刻8－显影(Development)显影液溶解掉光刻胶中软化部分（曝光的正胶或未曝光的负胶）从掩膜版转移图形到光刻胶上三个基本步骤:显影、漂洗、干燥8.1.1光刻工艺流程显影液：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。8.1.1光刻工艺流程光刻8－显影(Development)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；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。8.1.1光刻工艺流程光刻8－显影(Development)正常显影过显影不完全显影欠显影显影后剖面光刻8－显影(Development)8.1.1光刻工艺流程光刻9－坚膜（HardBake）蒸发PR中所有有机溶剂提高刻蚀和注入的抵抗力提高光刻胶和表面的黏附性坚膜温度:100到1300C坚膜时间：1到2分钟坚膜工艺：烘箱、红外灯坚膜不足：光刻胶不能充分聚合，黏附性变差，显影时易浮胶、钻蚀。过坚膜：光刻胶流动造成分辨率变差，易翘曲和剥落若T300℃：光刻胶分解，失去抗蚀能力。坚膜控制正常坚膜过坚膜8.1.1光刻工艺流程光刻10－图形检测（PatternInspection）•检查发现问题，剥去光刻胶，重新开始–光刻胶图形是暂时的–刻蚀和离子注入图形是永久的•光刻工艺是可以返工的，刻蚀和注入以后就不能再返工•检测手段：SEM（扫描电子显微镜）、光学显微镜问题：能否用光学显微镜检查0.25μm尺寸的图形?不能。因为特征尺寸(0.25mm=250nm)小于可见光的波长，可见光波长为390nm(紫光)to750nm(红光)。8.1.1光刻工艺流程8.1.2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线条间隔也是L），则分辨率R为R＝1/(2L)(mm-1)1.影响R的主要因素：①曝光系统（光刻机）：如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。表1影响光刻工艺效果的一些参数8.1.2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phL2hpLR21max8.1.2分辨率①对光子：p=h/λ，故。物理含义：光的衍射限制了线宽≥λ/2。最高分辨率限制：②对电子、离子：具有波粒二象性（德布罗意波），则，最细线宽：a.E给定：m↑→ΔL↓→R↑，即R离子R电子b.m给定：E↑→ΔL↓→R↑2L)(11maxmmR221mVEmVpmEh2mEh2mEhL22hpLR21max8.1.2分辨率3.光衍射影响分辨率衍射光投射光强度偏离的折射光被凸镜收集的衍射光波长越短，衍射越弱光学凸镜能够收集衍射光并增强图像8.1.2分辨率1）数值孔径NA（NumericalAperture）NA：表示凸镜收集衍射光的能力NA=2r0/D–r0:凸镜的半径–D：目标（掩膜）与凸镜的距离NA越大，凸镜收集更多的衍射光，产生更尖锐的图形可产生、可重复的最小特征尺寸由曝光系统的光波长和数值孔径决定分辨率表达式：R=K1λ/NAK1为系统常数,λ光波长,NA数值孔径。2）分辨率RResolution8.1.2分辨率提高NA–更大的凸镜,可能很昂贵而不实际–减小DOF（焦深），会引起制造困难减小光波长λ–开发新光源,PR和设备–波长减小的极限：UV到DUV,到EUV,到X-Ray减小K1–相移掩膜（Phaseshiftmask）3)提高分辨率的途径1RKNA8.1.2分辨率8.1.3光刻胶-Photoresist(PR)光敏性材料：光照时发生化学分解或聚合反应临时性地涂覆在硅片表面通过曝光转移设计图形到光刻胶上类似于照相机胶片上涂覆的光敏材料正性胶和负性胶NegativePhotoresist负性光刻胶－负胶PositivePhotoresist正性光刻胶－正胶曝光后不可溶解曝光后可溶解显影时未曝光的被溶解显影时曝光的被溶解便宜高分辨率负胶Negativehotoresists：ComparisonofPhotoresists8.1.3光刻胶-Photoresist(PR)正胶PositivePhotoresists：聚合反应：显影时光照部分不溶解留下，未光照部分溶解；分辨率低分解反应：显影时光照部分被溶解，未光照部分留下分辨率高正胶（重氮萘醌）的光分解机理8.1.3光刻胶-Photoresist(PR)负胶（聚乙烯醇肉桂酸脂）的光聚合机理8.1.3光刻胶-Photoresist(PR)1)聚合物材料固体有机材料光照下不发生化学反应作用：保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性2)感光材料当被曝光时发生光化学反应而改变溶解性正性光刻胶：由不溶变为可溶负性光刻胶：由可溶变为不溶光刻胶基本组成8.1.3光刻胶-Photoresist(PR)3)溶剂使光刻胶在涂到硅片表面之前保持液态允许采用旋涂的方法获得薄层光刻胶薄膜4)添加剂不同的添加剂获得不同的工艺结果增感剂：增大曝光范围；染料：降低反射。光刻胶基本组成8.1.3光刻胶-Photoresist(PR)完成所需图形的最小曝光量；表征：S=n/E，E-曝光量（lx·s，勒克斯·秒）；n-比例系数；光敏度S是光刻胶对光的敏感程度的表征；正胶的S大于负胶光刻胶光敏度S8.1.3光刻胶-Photoresist(PR)光刻胶抗蚀能力表征光刻胶耐酸碱（或等离子体）腐蚀的程度。对湿法腐蚀：抗蚀能力较强；干法腐蚀：抗蚀能力较差。负胶抗蚀能力大于正胶；抗蚀性与分辨率的矛盾：分辨率越高，抗蚀性越差；1）紫外-汞灯g-line（436nm），–常用在0.5μm光刻i-line（365nm），–常用在0.35μm光刻8.1.4光源KrF（248nm），0.25μm,0.18μmand0.13μmArF（193nm），0.13μm（目前32nm）F2（157nm），–应用0.10μm2）深紫外DUV--准分子激光器3）下一代光刻NGL(NextGenerationLithography)