第8章-光刻与刻蚀工艺

东华理工大学第8章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东华理工大学光刻与刻蚀的定义光刻工艺的重要性：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。图形加工图形曝光（光刻，Photolithography）图形转移（刻蚀，Etching）东华理工大学光刻技术在IC流程中的重要性东华理工大学ULSI中对光刻的基本要求35％的成本来自于光刻工艺光刻的要求图形转移技术组成：•掩膜版/电路设计•掩膜版制作•光刻光源曝光系统光刻胶分辨率（高）曝光视场（大）图形对准精度（高）——1/3最小特征尺寸产率（throughput）（大）缺陷密度（低）东华理工大学空间图像潜在图像东华理工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掩膜版上的图形东华理工大学洁净度等级：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）东华理工大学§8.1光刻工艺流程涂胶前烘曝光显影后烘刻蚀去胶东华理工大学硅片清洗东华理工大学预烘及涂增强剂东华理工大学涂胶东华理工大学前烘东华理工大学掩模版对准东华理工大学曝光东华理工大学曝光后烘培东华理工大学显影东华理工大学后烘及图形检测东华理工大学刻蚀东华理工大学刻蚀完成东华理工大学去胶东华理工大学离子注入东华理工大学快速热处理及合金东华理工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，六甲基乙硅氮烷）来增加黏附性东华理工大学涂胶（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：旋涂法匀胶机东华理工大学旋涂边沿清除东华理工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）东华理工大学前烘目的：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）东华理工大学前烘方法热板东华理工大学显影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浸入式东华理工大学东华理工大学正胶和负胶东华理工大学显影中可能存在的问题东华理工大学喷洒式显影设备东华理工大学喷洒显影液--静止显影东华理工大学去除显影液---去离子水清洗东华理工大学浸入式显影全过程东华理工大学曝光后烘培目的：降低驻波效应，形成均匀曝光东华理工大学曝光后烘培东华理工大学后烘（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)东华理工大学刻蚀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；选择性东华理工大学去胶目的：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）东华理工大学§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东华理工大学物理学意义：限制因素是衍射光子：粒子：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hpL/1;2//maxRhpLmEhL22东华理工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东华理工大学§8.3光刻胶的基本属性正胶与负胶：东华理工大学光刻胶的组成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，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：染色剂等东华理工大学正胶与负胶东华理工大学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）造成环境污染东华理工大学对比度光刻胶膜厚——区分亮区和暗区的能力)/()(1212XXYYr)/(log1010DDrcp)/(log1010iggnDDr东华理工大学对比度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，提高分辨率对比度依赖于工艺参数，如：显影液、前烘时间、曝光后及坚膜的温度，光源波长和硅片的表面形貌等东华理工大学其他特性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minmaxminmaxIIIIMTFminmaxminmaxIIIICMTF光刻胶调制转移函数：临界调制转移函数：东华理工大学空间图像与光刻胶对比度结合，直接决定潜像的质量CMTFMTF，胶才能分辨空间图形g线和i线胶CMTF0.4，DUV胶为0.1～0.2。110110/1/100DDDDCMTFff作业临界调制传递函数CMTF(criticalmodulationtransferfunction)：胶分辨图形所需的最小光学传递函数MTF。局部曝光区域决定图形的陡直度f东华理工大学其他特性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储存寿命东华理工大学§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东华理工大学紫外（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％）准直性差东华理工大学深紫外（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，损伤东华理工大学曝光方式（Exposure）曝光方式遮蔽式Shadesystem投影式projectionsystem接触式Contactprinter接近式proximityprinter东华理工大学三种硅片曝光模式及系统接触式接近式投影式1:1曝光系统东华理工大学接近式曝光（proximityprinter）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，但分辨率受到限制东华理工大学接触式曝光(contactprinter)接触式曝光：掩模板与衬底接触S=0，分辨率得到提高（1－3um)尘埃粒子产生，导致掩膜版损坏，降低成品率东华理工大学投影式曝光(projectionsystem)最小尺寸：Lmin＝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，产率低扫描方式：1：1步进重复M：1缩小的步进重复东华理工大学东华理工大学东华理工大学投影式——远场衍射（Fraunhofer）像平面远离孔径，在孔径和像之间设置镜头爱里斑df22.1df22.1中心极大半径＝投影式曝光(projectionsystem)东华理工大学两个爱里斑之间的分辨率(瑞利判据):sin61.0)sin2(22.122.1nfnfdfy＝sinnNA数值孔径：收集衍射光的能力。n为折射率最小尺寸NAky1k1=0.6-0.8提高分辨率：NA，，k1理论计算人眼爱里斑~20m分辨率：100mn投影式曝光——分辨率东华理工大学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，从而得到更小特征尺寸及更大的分辨率。fDNA2投影式曝光——数值孔径东华理工大学为轴上光线到极限聚焦位置的光程差。根据瑞利判据：cos4/很小时，2/)]2/1(1[4/22NAfd2sin焦深NA，焦深22)(NAkDOF投影式曝光——焦深东华理工大学东华理工大学东华理工大学焦深像平面光刻胶IC技术中，焦深只有1m，甚至更小聚焦在光刻胶的中间，优化分辨率东华理工大学东华理工大学M:1缩小的步进重复曝光东华理工大学提高分辨率的方法光源NGL:X射线(5Å)，电子束(0.62Å)，离子束(0.12Å)光源波长(nm)术语技术节点汞灯436g线0.5m汞灯365i线0.5/0.35mKrF(激光)248DUV0.25/0.13mArF(激光)193193DUV90/65…32nmF2(激光)157VUVCaF2lenses激光激发Xe等离子体13.5EUVReflectivemirrors1、UsinglightsourcewithshorterlNAky1东华理工大学东华理工大学2.光学光刻分辨率增强技术(RET)光学临近修正OPC(opticalproximitycorrection)在光刻版上进行图形修正，来补偿衍射带来的光刻图形变形东华理工大学OPC实例东华理工大学Maskdesignandresistprocess[nm]k14360.83650.62480.3-0.41930.3-0.4NAkR1Resistchemistry436,365nm:Photo-Active-Component(PAC)248,193nm:Photo-Acid-Generator(PAG)Contrast436,365nm:=2-3,(Qf/Q02.5)248,193nm:=5-10(Qf/Q01.3)3、光刻胶对比度改进东华理工大学4、离轴照明技术OAI(off-axisillumination)可以减小对分辨率的限制、增加成像的焦深且提高了MTF东华理工大学OAI的原理11)1(SNAky例如：当1＝NA（1＋S）时，δy可以提高1倍！东华理工大学实现方式：环形照明四极照明两极照明实现与传统照明方式相同的分辨率，可以用较小NA，所以焦深可以增加在投影曝光系统中，掩模图形的空间像的对比度（MTF）依赖于投影物镜中参与成像的1级以上衍射光的比例。由于收集了较多高频信号，离轴照明技术通过降低成像光束中的低频成分来提高高频成分在总光强中的比例，从而提高了空间像的对比度。NAkR122)(NAkDOF11)1(SNAky东华理工大学Lensfabrication[nm]NA4360.15-0.453650.35-0.602480.35-0.821930.60-0.93StateoftheArt:=193nm,k1=0.3,NA=0.93R60nm=1.36R40nmNumericalAperture:NA=nsinImmersionLithography36.144.12NAnOHnH2O5.增加数值孔径——浸入式光刻东华理工大学东华理工大学45,32,22nmTechnologynodes全氟聚烷基醚油东华理工大学EUV东华理工大学Minimumfeatures