第六章--光刻与刻蚀工艺

微电子工艺学MicroelectronicProcessing第六章光刻与刻蚀工艺张道礼教授Email:[e-mail]:87542894图形转移光刻刻蚀薄膜制备掺杂扩散掺杂离子注入掺杂物理气相淀积化学气相淀积外延微电子单项工艺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(ionimplant)和金属化(metallization)。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。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。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(lateralstraggle，又译横向游走)的关系，P型区域会比所开的窗户稍微宽些。6.1概述在扩散或离子注入步骤之后，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。6.1概述图形转移(patterntransfer)是微电子工艺的重要基础，其作用是使器件和电路的设计从图纸或工作站转移到基片上得以实现，我们可以把它看作是一个在衬底上建立三维图形的过程，包括光刻和刻蚀两个步骤。光刻(lithography，又译图形曝光)：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，使光敏的光刻胶在衬底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，简称光刻胶)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(contactwindow)与压焊垫(bonding-pad)区。而由光刻所形成的光刻胶图案，并不是电路器件的最终部分，而只是电路图形的印模。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(≈0.2～0.4m)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。6.1概述光刻（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。非光学曝光光学曝光遮蔽式曝光投影式曝光曝光方式电子束曝光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％。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。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。层次索引接触孔（14层）第一层金属（15层）有源区（3层）栅（10层）1m1m1.2m1.2m0.8-1.5m8.2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:photoactivecompound）。依其对光照的反应分成正性光刻胶与负性光刻胶。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。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。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（436nm）和i线（365nm）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。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。交联负胶8.2光刻工艺下图(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：，光刻分辨率受光刻系统、光刻胶和光刻等多方面因素影响。11()2RmmL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。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。8.2光刻工艺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。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。当曝光剂量达到D100以上时，感光区剩余膜厚最终达到初始时负胶的厚度。因此，负胶的对比度取决于曲线的曝光剂量取对数坐标之后得到的斜率。负胶光刻胶对比度曲线曝光剂量光刻胶留膜率8.2光刻工艺正胶的感光区剩余膜厚与曝光剂量的关系如右图所示。D0为感光区光刻胶在显影液中完全不溶，即在光刻胶上不产生曝光图形所允许的最大曝光剂量。D100为感光区光刻胶在显影液中完全可溶所需的最小曝光剂量。可以看出，感光区剩余膜厚随曝光剂量的增加逐渐减小。对比度与该曲线外推斜率的绝对值有关：曝光剂量光刻胶留膜率正胶光刻胶对比度曲线1010001log(/)DD8.2光刻工艺在理想曝光过程中，辐照在光刻胶上的投影区域应该与掩模版的透光区域完全相同，其它区域没有辐照投影。但在实际曝光过程中，由于衍射和散射的影响，光刻胶所受辐照具有一定分布，因此显影后剩余光刻胶层的侧面通常有一定斜坡。侧墙的倾斜角度与光刻胶对比度和膜厚有关。光刻胶对比度越高，剩余光刻胶层侧墙越陡。而光刻胶层侧墙陡度越大，线宽测量的精确度越高。同时，侧墙陡峭的光刻胶层可以减小刻蚀过程中的钻蚀效应，提高图形转移分辨率。显影后的理想光刻胶剖面+__8.2光刻工艺另一个可以从对比度中得到的光刻胶性能指标是调制传输函数（MTF），它可以用来描述曝光图形的质量：其中Imax和Imin分别为曝光图形上最大和最小辐照强度。光刻胶临界调制传输函数（CMTF）为：CMTF的典型值约为0.4。如果一个实际光刻图形的MTF小于所用光刻胶的CMTF，则光刻图形上的最小尺寸线条不能被分辨。反之，则可能被分辨。对比度与CMTF的关系为：对于曝光系统，如果该系统对各种线条的MTF均已知，则根据光刻胶对比度可计算出该系统能够形成的最小图形尺寸。10001000CMTFDDDDmaxminmaxminMTFIIII1/1/101CMTF101ImaxImin8.2光刻工艺改进光刻胶技术a.多层光刻胶技术（MLR）：采用性质不同的多层光刻胶，利用其抗蚀性、对比度等