光刻与刻蚀.

天津工业大学Chap.8光刻与刻蚀工艺光刻的重要性及要求1光刻工艺流程23湿法刻蚀与干法刻蚀技术45曝光光源、曝光方式以及掩膜版光刻工艺的分辨率及光刻胶天津工业大学光刻与刻蚀的定义光刻工艺的重要性：IC设计流程图，需要光刻图案用来定义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。图形加工图形曝光（光刻，Photolithography）图形转移（刻蚀，Etching）天津工业大学光刻技术在IC流程中的重要性天津工业大学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天津工业大学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。123掩膜版上的图形天津工业大学洁净度等级：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）天津工业大学§8.1光刻工艺流程涂胶前烘曝光显影后烘刻蚀去胶天津工业大学硅片清洗天津工业大学预烘及涂增强剂天津工业大学涂胶天津工业大学前烘天津工业大学掩模版对准天津工业大学曝光天津工业大学曝光后烘培天津工业大学显影天津工业大学后烘及图形检测天津工业大学刻蚀天津工业大学刻蚀完成天津工业大学去胶天津工业大学离子注入天津工业大学快速热处理及合金天津工业大学预烘及涂增强剂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）来增加黏附性天津工业大学涂胶（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：旋涂法天津工业大学旋涂天津工业大学旋涂天津工业大学旋涂天津工业大学旋涂天津工业大学边沿清除天津工业大学边沿清除天津工业大学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）天津工业大学前烘目的：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）天津工业大学前烘方法天津工业大学显影目的：显现出曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形，显影时曝光区和非曝光区的光刻胶溶解速度反差越大，显影得到的图形对比度越高。正胶：感光区域显影溶解，所形成的是掩膜板图形的正映像负胶：反之方法：喷洒显影液静止显影漂洗、旋干天津工业大学天津工业大学正胶和负胶天津工业大学显影中可能存在的问题天津工业大学显影设备天津工业大学喷洒显影液天津工业大学静止显影天津工业大学去除显影液天津工业大学去离子水清洗天津工业大学显影全过程天津工业大学曝光后烘培目的：降低驻波效应，形成均匀曝光天津工业大学曝光后烘培天津工业大学后烘（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)天津工业大学刻蚀目的：选择性地将未被光刻胶掩蔽的区域去除方法：干法刻蚀湿法刻蚀质量指标：分辨率；选择性天津工业大学去胶目的：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）天津工业大学§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)(211mmLR天津工业大学物理学意义：限制因素是衍射光子：粒子：对于光子：波长越短，分辨率越高；对于微观粒子：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hpL1;22maxRphphLmEhL22天津工业大学光刻参数对工艺效果的影响分辨率对准片间控制批间控制产量曝光系统XXXXXXXXX衬底XXXXXX掩膜XX－XX光刻胶XXXXXXXXX显影剂X－XXXXX润湿剂－－XXX－工艺XXXXXXXX操作员XXXXXXXX天津工业大学§8.3光刻胶的基本属性正胶与负胶：天津工业大学光刻胶的组成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，同时也决定了光刻胶薄膜的其他物理特性；感光材料（PAC）：受光辐照后会发生化学反应，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（增加光吸收能力）等。天津工业大学正胶与负胶天津工业大学正胶与负胶负胶的缺点：显影过程为先溶胀再溶解，非曝光区树脂的溶涨降低分辨率；溶剂（二甲苯）造成环境污染正胶的优点：显影过程是逐层溶解，非曝光区不受影响，分辨率高天津工业大学对比度光刻胶膜厚——曝光剂量响应曲线对比度：正胶：负胶：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)/()(1212XXYYr)/(log1010DDrcp)/(log1010iggnDDr天津工业大学其他特性光敏度膨胀性抗刻蚀能力和热稳定性黏着力溶解度和黏滞度微粒含量和金属含量储存寿命理想的曝光图形实际的曝光图形正胶负胶理想曝光图形与实际图形的差别天津工业大学§8.4曝光系统曝光系统光学曝光系统非光学曝光系统紫外（UV）深紫外（DUV）电子束曝光系统X射线曝光系统离子束曝光系统按光源分类：天津工业大学8.4.1紫外（UV）光源水银弧光灯光源i线（365nm）h线（405nm）g线（436nm）缺点：波长较长，限制分辨率能量利用率低（2％）准直性差天津工业大学深紫外（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，波长更短，空间相干低，分辨率高缺点：脉冲式发射，能量峰值大，易造成损伤天津工业大学特征尺寸与曝光波长天津工业大学8.4.2曝光方式（Exposure）曝光方式遮蔽式Shadesystem投影式projectionsystem接触式Contactprinter接近式proximityprinter天津工业大学接近式曝光（proximityprinter）接近式曝光（3um）由于光的衍射，导致最小线宽LCD=1.4(Sλ)1/2减少了掩膜版的损坏，但分辨率受到限制。天津工业大学接触式曝光(contactprinter)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，降低成品率天津工业大学接触式曝光机天津工业大学投影式曝光(projectionsystem)最小尺寸：Lmin＝0.61λ/NA（亚微米级工艺）优点：1.分辨率高；2.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；3.可进行等比例缩小曝光缺点：结构复杂，工艺要求高，产率低扫描方式：1：1步进重复M：1缩小的步进重复天津工业大学天津工业大学数值孔径（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。sin/20nDrNA天津工业大学M:1缩小的步进重复曝光天津工业大学天津工业大学ASM2500/5000投影光刻机Electron-BeamLithographyElectron-BeamDirectWritingLithography8.0um5.0um3.0um2.0um1.3um0.8um0.5um0.35um0.25um0.18um0.13um90nm65nm45nm32nm22nm分辨率增强技术使光学光刻不断突破分辨率极限196819711974197719801983198619891992199519982001200420072010201320161968197119741977198019831986198919921995199820012004200720102013201616K1M16M1G16G436nmG线10-2.0um接触式光刻436nmG线2.0--0.5um投影光刻365nmI线0.08--0.28um投影光刻248nmKrF0.5--0.13um投影光刻+OPC193nmArF0.18--0.1umKrF+PSM+OPC+OAI光刻工艺特征尺寸芯片集成度ArF+浸没透镜+PSM+OPC+OAI157nmF2EUV,EPL,ML2.IPL，PXL，PELEUV=extremeultravioletEPL=electronprojectionlithographyML2=masklesslithographyIPL=ionprojectionlithographyPXL=proximityx-raylithographyPEL=proximityelectronlithography1×1012256×10964×10916×1094×1091×109256×10664×10616×1064×1061×106256×10364×10316×1034×1031×103546nmE线--10um接触式光刻光学曝光区MEFMaskErrorFactor掩模精度控制技术光学光刻技术潜力挖掘区RETResolutionEnhancementTechnologyLFDLithographyFriendlyDesignrules分辨率增强技术与光刻工艺友好协同的设计技术198019801980年左右曾经有人预言：光刻线宽不能小于1微米；1989年曾经有预言：到1997年光刻技术将走到尽头；1994年也曾经有比较乐观的长期预测：2007年线宽达到0.1微米（保守的预计为0.5微米），这些预测都被光刻技术神话般的进步的步伐远远抛在后头。下一代光刻技术NGLNextGenerationLithography天津工业大学8.4.3分辨率增强技术RETL=K1(λ/NA)开发更短波长的曝光光源546(e-line),436(g-line),365(i-line),248(KrF),193(ArF),157(F2),EUV电子束(0.1-0.05Å),离子束,X射线研制大数值孔径光学透镜0.2——0.85—1.44(浸没光刻)浸没透镜技术突破移相掩模邻近效应校正离轴照明等波前工程技术高分辨率高灵敏度高抗刻蚀能力的抗蚀剂双重曝光灰化、侧壁等各种三维加工技巧的应用天津工业大学浸没透镜（Immersion）光刻的突破分辨率=提高光刻分辨率有三种途径。一是缩短曝光光源波长，需要高昂的设备原理性换代；二是改善工艺因子K1，其代价是缩小了制造工艺窗口，同时还需要改变集成电路版图的设计规则、改善光刻胶的工艺和分辨率增强技术，但还难以满足45nm节点生产的需求；所以需要回过头来在改善光学系统数值孔径上做文章了（即第三条途径）。目前要继续提高光学透镜的数值孔径需要设计更大口径更复杂的镜头已经不太切合实际，因此光刻专家们根据高倍油浸显微镜提高分辨率的原理，设法在曝光镜头的最后一个镜片与硅片之间增加高折射率介质以达到提高分辨率的目的，因为提高该介质的折射率可以加大光线的折射程度，等效地加大镜头口径尺寸与数值孔径，同时可以显著提高焦深（DOF）和曝光工艺的宽容度（EL）。天津工业大学焦深（DOF）与数值孔径和波长天津工业大学分辨率越高，焦深越小；太小的焦深会导致曝光不均匀，要求光刻胶更薄，更平坦。天津工业大学Immersion光刻sin11nkNAk最后一个透镜抗蚀剂硅片传统的光刻机(空气中)折射率n=