lithographylithographyvIntroductionv光刻光刻洁净室室工工艺流程流程光刻机光刻机光刻胶光刻胶掩膜版掩膜版图形曝光与刻蚀图形曝光与刻蚀v 图形曝光（形曝光（lithography，又，又译光刻光刻术）利用利用掩膜版（掩膜版（mask）上的几何）上的几何图形形，通，通过光化光化学反学反应，将，将图案案转移到覆盖在移到覆盖在半半导体晶片上的感体晶片上的感光薄膜光薄膜层上上（称（称为光致抗光致抗蚀剂、光刻胶或光阻，、光刻胶或光阻，resist，简称抗称抗蚀剂）的一种工）的一种工艺步步骤 这些些图案可用来案可用来定定义集成集成电路中各种不同区域路中各种不同区域，如离子注入、接触窗（如离子注入、接触窗（contact window）与）与压焊（bondingpad）区。）区。v 刻刻蚀由由图形曝光所形成的抗形曝光所形成的抗蚀剂图案，并不是案，并不是电路路器件的最器件的最终部分，而只是部分，而只是电路路图形的印模。形的印模。为了了产生生电路路图形，形，这些些抗抗蚀剂图案案必必须再次再次转移移至至下下层的器件的器件层上上。这种种图案案转移（移（pattern transfer）是利用）是利用腐腐蚀（etching）工）工艺，选择性地将未被抗性地将未被抗蚀剂掩蔽的区域去除。掩蔽的区域去除。图形曝光与刻蚀图形曝光与刻蚀ULSIULSI对光刻有哪些基本要求？对光刻有哪些基本要求？v高分辨率高分辨率在集成在集成电路工路工艺中，通常把中，通常把线宽作作为光刻水平光刻水平的的标志，一般也可以用志，一般也可以用加工加工图形形线宽的能力的能力来来代表集成代表集成电路的工路的工艺水平。水平。v高灵敏度的光刻胶高灵敏度的光刻胶光刻胶的灵敏度是指光刻胶的感光速度。光刻胶的灵敏度是指光刻胶的感光速度。 产品的品的产量量曝光曝光时间确保光刻胶各确保光刻胶各项属性均属性均为优异的前提下，提高异的前提下，提高光刻胶的灵敏度光刻胶的灵敏度ULSIULSI对光刻有哪些基本要求？对光刻有哪些基本要求？v 低缺陷低缺陷 缺陷关系成品率缺陷关系成品率v 精密的套刻精密的套刻对准准集成集成电路芯片的制作需要路芯片的制作需要经过多次光刻，在各次曝光多次光刻，在各次曝光图形之形之间要相互套准。要相互套准。ULSI的的图形形线宽在在1um以下，通常采用自以下，通常采用自对准技准技术。v大尺寸硅片上的加工大尺寸硅片上的加工 ULSI的芯片尺寸的芯片尺寸为12cm2提高提高经济效益和硅片利用率效益和硅片利用率洁净室（1）洁净室（2）v 洁净室的等室的等级定定义方式：方式：（1）英制系）英制系统：每立方英尺中直径大于或等于每立方英尺中直径大于或等于0.5um的的尘埃粒子埃粒子总数数不准超不准超过设计等等级数数值。（2）公制系）公制系统每立方米中直径大于或等于每立方米中直径大于或等于0.5um的的尘埃粒子埃粒子总数不数不准超准超过设计等等级数数值（以指数（以指数计算，底数算，底数为10）。）。洁净室（3）v 例子：例子：（1）等）等级为100的的洁净室（英制），直径大于室（英制），直径大于或等于或等于0.5um的的尘埃粒子埃粒子总数不超数不超过100个个/ft3（2）等）等级为M3.5的的洁净室（公制），直径大于室（公制），直径大于或等于或等于0.5um的的尘埃粒子埃粒子总数不超数不超过103.5（约3500个个/m3)v 100个个/ft3= 3500个个/m3一个英制等一个英制等级100的的洁净室相当于公制等室相当于公制等级M3.5的的洁净室。室。洁净室（洁净室（4 4）v 对一般的一般的IC制造区制造区域，需要域，需要等等级100的的洁净室，室，约比一般室比一般室内空气低内空气低4个数量个数量级。v 在在图形曝光的工形曝光的工作区域，作区域，则需要需要等等级10或或1的的洁净室。室。lithographylithographyvIntroductionv光刻光刻洁净室室工工艺流程流程光刻机光刻机光刻胶光刻胶掩膜版掩膜版光刻原理（光刻原理（1 1）v 掩膜版掩膜版图形形转移到转移到光刻胶光刻胶在光刻在光刻过程中，光刻胶受到光程中，光刻胶受到光辐射之后射之后发生光生光化学反化学反应，其内部分子，其内部分子结构构发生生变化，化，在在显影影液中光刻胶感光部分与未感光部分的溶解速度液中光刻胶感光部分与未感光部分的溶解速度相差非常大。相差非常大。利用光刻胶的利用光刻胶的这种特性，就可以在硅片的表面种特性，就可以在硅片的表面涂上光刻胶薄涂上光刻胶薄层，通，通过掩膜版掩膜版对光刻胶光刻胶辐照，照，从而使某些区域的光刻胶感光之后，再从而使某些区域的光刻胶感光之后，再经过显影就可以在光刻胶上留下掩膜版的影就可以在光刻胶上留下掩膜版的图形。形。v光刻胶光刻胶图形形转移到转移到硅表面的薄膜硅表面的薄膜在集成在集成电路制作中，利用路制作中，利用这层剩余的光刻胶剩余的光刻胶图形作形作为保保护膜，可以膜，可以对硅表面没有被光刻胶覆硅表面没有被光刻胶覆盖的区域盖的区域进行刻行刻蚀，或者，或者对这些区域些区域进行离子行离子注入，从而把注入，从而把光刻胶上的光刻胶上的图形形转移到硅表面的移到硅表面的薄膜上去，由此形成各种器件和薄膜上去，由此形成各种器件和电路的路的结构，构，或者或者对未保未保护区区进行行掺杂。光刻原理（2）光刻原理（3）v光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机光光刻刻胶胶又又叫叫光光致致抗抗蚀剂，它它是是由由光光敏敏化化合合物物、基体基体树脂和有机溶脂和有机溶剂等混合而成的等混合而成的胶状液体胶状液体光光刻刻胶胶受受到到特特定定波波长光光线的的作作用用后后，导致致其其化化学学结构构发生生变化化，使使光光刻刻胶胶在在某某种种特特定定溶溶液液中中的溶解特性改的溶解特性改变v光刻光刻过程的主要步程的主要步骤： 曝光、曝光、显影、刻影、刻蚀 Resist coat(wafer track)etch (ion implantation)Develop(wafer track)Expose(illumination tool)resist strip positive tonenegative tonemaskresistsubstrateProcess flow optical lithoProcess flow optical litho光刻工艺过程光刻工艺过程v涂胶涂胶coatingv前烘前烘prebakingv曝光曝光exposurev显影影developmentv坚膜膜postbakev刻刻蚀etchv去胶去胶stripv检验inspection 1 1、涂胶、涂胶1 1、涂胶、涂胶v涂胶目的涂胶目的在硅片表面形成厚度均匀、附着性在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没、并且没有缺陷的光刻胶薄膜。有缺陷的光刻胶薄膜。v怎怎样才能才能让光刻胶粘的牢一些？光刻胶粘的牢一些？可以开始涂胶了可以开始涂胶了v 怎么涂？怎么涂？旋旋转涂胶法：把胶滴在硅片，然后使硅片高速旋涂胶法：把胶滴在硅片，然后使硅片高速旋转，液液态胶在旋胶在旋转中因离心力作用由中因离心力作用由轴心沿径向（移心沿径向（移动）飞溅出去，但粘附在硅表面的胶受粘附力的作用而留出去，但粘附在硅表面的胶受粘附力的作用而留下。在旋下。在旋转过程中胶所含的溶程中胶所含的溶剂不断不断挥发，故可得到，故可得到一一层均匀的胶膜均匀的胶膜 v 怎怎样才算涂的好？才算涂的好？膜厚均匀，正胶膜厚均匀，正胶2%2%，负胶胶5% 5% 涂胶涂胶-转速转速VsVs膜厚膜厚v 转速速Vs膜厚膜厚其中：其中：T表示膜厚，表示膜厚，S表示表示转速；从上式可以看出，速；从上式可以看出，光刻胶的膜厚与旋光刻胶的膜厚与旋转速度的平方根成反比。速度的平方根成反比。2 2、前烘（、前烘（softbakesoftbake）再次改善光刻胶粘附性再次改善光刻胶粘附性v 目的目的去去除胶内的溶除胶内的溶剂，提高胶的粘附力，提高胶的粘附力提高胶的抗机械摩擦的能力提高胶的抗机械摩擦的能力减小高速旋减小高速旋转形成的薄膜形成的薄膜应力力v 条件条件:温度温度 ：90 to 120 时间：60s to 120s2 2、前烘（、前烘（softbakesoftbake）再次改善光刻胶粘附性）再次改善光刻胶粘附性v前烘不足前烘不足光刻胶与硅片黏附性光刻胶与硅片黏附性变差差因光刻胶中溶因光刻胶中溶剂含量含量过高致使曝光的精确度下降高致使曝光的精确度下降v前烘前烘过量量延延长时间，产量降低量降低过高的温度使光刻胶高的温度使光刻胶层的粘附性会因光刻胶的粘附性会因光刻胶变脆而降脆而降低低过高的温度会使光刻胶中的感光高的温度会使光刻胶中的感光剂发生反生反应，使光刻，使光刻胶在曝光胶在曝光时的敏感度的敏感度变差差3 3、曝光（、曝光（ExposureExposure）3 3、曝光（、曝光（ExposureExposure）v 曝光曝光光通光通过掩模版掩模版照射，使照射到的光刻胶起光化学反照射，使照射到的光刻胶起光化学反应感光与未感光的光刻胶感光与未感光的光刻胶对碱性溶液的溶解度不同碱性溶液的溶解度不同掩模版上的掩模版上的图案，完整地案，完整地传递(Transfer)到晶片表面的到晶片表面的光阻上光阻上v目的：目的：确定确定图案的精确形状和尺寸案的精确形状和尺寸完成完成顺序两次光刻序两次光刻图案的准确套制案的准确套制曝光后烘焙（曝光后烘焙（PEBPEB）v 驻波效波效应定定义：入射光与反射光：入射光与反射光间的相的相长和相消干涉造和相消干涉造成的效成的效应影响：曝光影响：曝光过程中，在曝光区与非曝光区程中，在曝光区与非曝光区边界界将会出将会出现驻波效波效应，影响，影响显影后所形成的影后所形成的图形形尺寸和分辨率尺寸和分辨率改善措施：曝光后烘焙改善措施：曝光后烘焙4 4、显影（、显影（DevelopmentDevelopment）4 4、显影（、显影（DevelopmentDevelopment）v 原理原理显影影时曝光区与非曝光区的光刻胶曝光区与非曝光区的光刻胶不同程度不同程度的溶解的溶解v 显影影过程程把已曝光的硅晶片浸入把已曝光的硅晶片浸入显影液中，通影液中，通过溶解溶解部分光刻胶的方法使部分光刻胶的方法使胶膜中的潜影胶膜中的潜影显现出来出来的的过程程v 显影留下的光刻胶影留下的光刻胶图形将在后形将在后续的刻的刻蚀和离子注入工和离子注入工艺中中作作为掩膜掩膜4、显影（Development）v显影方式：影方式：浸浸渍显影；影；旋旋转喷雾显影影v影响影响显影效果的因素影效果的因素 ：a.曝光曝光时间； b.前烘的温度和前烘的温度和时间；c.光刻胶的厚度；光刻胶的厚度；d.显影液的影液的浓度；度；e.显影液的温度；影液的温度；f.显影液的影液的搅拌情况拌情况4、显影（Development）4、显影（Development）v显影之后的影之后的检查 掩膜版掩膜版选用是否正确用是否正确光刻胶的光刻胶的质量是否量是否满足要求（足要求（污染、划痕、气泡染、划痕、气泡和条和条纹）图形的形的质量（有好的量（有好的边界，界，图形尺寸和形尺寸和线宽满足足要求）要求）套准精度是否套准精度是否满足要求足要求v光刻是唯一可以返工的工光刻是唯一可以返工的工艺步步骤5、坚膜 显影后必须进一步增强光刻胶粘附力显影后必须进一步增强光刻胶粘附力v坚膜膜在在光光刻刻显影影后后，再再经过一一次次烘烘烤烤，进一一步步将将胶胶内内残留的溶残留的溶剂含量由蒸含量由蒸发降到最低，使其硬化降到最低，使其硬化 v坚膜的目的膜的目的去去除除光光刻刻胶胶中中剩剩余余的的溶溶剂，增增强光光刻刻胶胶对硅硅片片表表面的附着力面的附着力提提高高光光刻刻胶胶在在刻刻蚀和和离离子子注注入入过程程中中的的抗抗蚀性性和和保保护能力能力5、坚膜 显影后必须进一步增强光刻胶粘附力显影后必须进一步增强光刻胶粘附力6 6、去胶、去胶6 6、去胶、去胶v 经过刻刻蚀或离子注入后，将光刻胶从表面除去或离子注入后，将光刻胶从表面除去v去胶方法去胶方法湿法去胶湿法去胶有机溶液去胶有机溶液去胶不腐不腐蚀金属，去除金属，去除Al上的光刻胶需用有机溶上的光刻胶需用有机溶剂无机溶液去胶无机溶液去胶 干法去胶干法去胶等离子体将光刻胶剥除等离子体将光刻胶剥除刻刻蚀效果好，但有反效果好，但有反应残留物玷残留物玷污问题，故与湿法腐，故与湿法腐蚀搭配使搭配使用用 lithographylithographyvIntroductionv光刻光刻洁净室室工工艺流程流程光刻机光刻机分辨率曝光光源分辨率曝光光源套准套准光刻胶光刻胶光刻机光刻机v 光刻机的性能可由下面三个参数来判光刻机的性能可由下面三个参数来判别分辨率分辨率v 光刻机的性能可由下面三个参数来判光刻机的性能可由下面三个参数来判别套准精度套准精度产率率对一一给定的掩膜版，每小定的掩膜版，每小时能曝光完成的晶能曝光完成的晶片数量片数量光刻机光刻机v光刻机光刻机发展展为两大两大类型，即光学光刻机和非光型，即光学光刻机和非光学光刻机，如学光刻机，如图所示。所示。光学光刻机采用紫光学光刻机采用紫外外线作作为光源，而光源，而非光学光刻机的非光学光刻机的光源光源则来自来自电磁磁光光谱的其他成分。的其他成分。 曝光光源曝光光源曝光光源曝光光源v普通光源普通光源光的波光的波长范范围大，大，图形形边缘衍射衍射现象象严重，重，满足不了特征尺寸的要求。足不了特征尺寸的要求。v晶晶圆生生产用的曝光光源用的曝光光源v晶晶圆生生产用的曝光光源用的曝光光源最广泛使用的曝光光源是最广泛使用的曝光光源是高高压汞灯汞灯产生的光生的光为紫外光（紫外光（UV）三条三条发射射线I线(365nm)H线(405nm)G线(436nm) (0.35um工工艺)曝光光源曝光光源v晶晶圆生生产用的曝光光源用的曝光光源产生的光生的光为深紫外光（深紫外光（DUV）氟化氟化氪 KrF （248nm）（0.35um,0.25um,0.18 CMOS技技术）氟化氟化氩 ArF （193nm） (0.2um以下工以下工艺）曝光光源曝光光源曝光光源曝光光源v超超细线条光刻技条光刻技术甚甚远紫外紫外线(EUV) （13.4nm)电子束光刻子束光刻 (波粒二相性，更多波粒二相性，更多显示粒子性）示粒子性）以上两种曝光光源比以上两种曝光光源比较有前景，可以有前景，可以对亚100nm，亚50nm的特征尺寸的特征尺寸进行光刻行光刻X射射线离子束光刻离子束光刻光学曝光方法光学曝光方法光学曝光方法光学曝光方法v遮蔽式曝光遮蔽式曝光接触式曝光接触式曝光提供提供约1um的分辨率的分辨率对掩膜版造成掩膜版造成损伤 接近式曝光接近式曝光可以减小掩膜版可以减小掩膜版损伤间隙会在掩膜版隙会在掩膜版图案案边缘造成光学衍射造成光学衍射分辨率降低至分辨率降低至2um5um光学曝光方法光学曝光方法光学曝光方法光学曝光方法v 投影式曝光投影式曝光利用投影的方法，将掩膜版上利用投影的方法，将掩膜版上图案投影至相距好几厘案投影至相距好几厘米的晶片上。米的晶片上。（a）晶片整片）晶片整片扫描描（b）1：1步步进重复重复光学曝光方法光学曝光方法lithographylithographyvIntroductionv光刻光刻洁净室室工工艺流程流程光刻机光刻机分辨率曝光光源分辨率曝光光源套准套准光刻胶光刻胶套准精度套准精度v对准准把所需把所需图形在晶园表面上定位或形在晶园表面上定位或对准。准。v如果如果说光刻胶是光刻工光刻胶是光刻工艺的的“材料材料”核心核心，那么那么对准和曝光准和曝光则是是该工工艺的的“设备”核心核心。图形的准确形的准确对准是保准是保证器件和器件和电路正常工作路正常工作的决定性因素之一。的决定性因素之一。对准法则对准法则v第一次光刻第一次光刻只是把掩膜版上的只是把掩膜版上的Y轴与晶园上的平与晶园上的平边成成90，如，如图所示。所示。接下来的掩膜版都用接下来的掩膜版都用对准准标记与上一与上一层带有有图形的形的掩膜掩膜对准。准。对准准标记是一是一个特殊的个特殊的图形（形（见图），），分布在每个芯片分布在每个芯片图形的形的边缘。经过光刻工光刻工艺对准准标记就永就永远留在芯片表面，同留在芯片表面，同时作作为下一次下一次对准使用。准使用。对准标记对准标记 未对准种类：未对准种类：(a) X方向方向 (b) 转动转动 (c) 伸出伸出lithographylithographyvIntroductionv光刻光刻洁净室室工工艺流程流程光刻机光刻机光刻胶光刻胶掩膜版掩膜版光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v主要有两种光刻胶：主要有两种光刻胶：正胶正胶：曝光后：曝光后显影影时曝光部分被溶解，而没有曝光部分被溶解，而没有曝光的部分留下来曝光的部分留下来 邻叠氮叠氮醌类 负胶胶：曝光后：曝光后显影影时没有曝光部分被溶解，而没有曝光部分被溶解，而曝光的部分留下来曝光的部分留下来聚乙聚乙烯醇肉桂酸醇肉桂酸酯和聚和聚乙乙烯氧乙基肉桂酸氧乙基肉桂酸酯基本光刻技术基本光刻技术* *实际工艺中正胶用的比较多，实际工艺中正胶用的比较多，why?why?va.分辨率高分辨率高vb.抗干法腐抗干法腐蚀的能力的能力较强vc.抗抗热处理的能力理的能力强vd.可用水溶液可用水溶液显影，溶影，溶涨现象小象小ve.可涂得可涂得较厚厚(2-3um)不影响分辨率，有不影响分辨率，有较好台好台阶覆盖性覆盖性vf.适合适合1：1及及缩小的投影光刻小的投影光刻v负胶也有一些胶也有一些优点，如点，如: : 粘附性好，抗湿法腐粘附性好，抗湿法腐蚀能力能力强等等光刻胶的主要成分v1.树脂脂(高分子聚合物高分子聚合物 ) 光照不光照不发生反生反应，保，保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性，决定光刻胶薄膜的膜厚、性，决定光刻胶薄膜的膜厚、弹性和性和热稳定性等定性等 光刻胶的主要成分v 2.光敏光敏剂（PAC） 受光受光辐照之后会照之后会发生化学反生化学反应光刻胶的主要成分v3.溶溶剂 使光刻胶在涂到硅片表面之前保持使光刻胶在涂到硅片表面之前保持为液液态光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v光学性光学性质光敏度，折射率光敏度，折射率v力学和化学性力学和化学性质固溶度、粘滞度、粘着度、抗腐固溶度、粘滞度、粘着度、抗腐蚀性、性、热稳定定性、流性、流动性和性和对环境的敏感度境的敏感度v其它特性其它特性纯度、金属含量、可度、金属含量、可应用的范用的范围、储存的有效存的有效期和燃点期和燃点v对比度比度对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的倾角和角和线宽。光刻胶的光刻胶的对比度越高，光刻胶比度越高，光刻胶层的的侧面越陡，面越陡，线宽描述掩模尺寸的准确度就越高。且陡峭的描述掩模尺寸的准确度就越高。且陡峭的光刻胶在干法刻光刻胶在干法刻蚀中可以减小刻中可以减小刻蚀过程中的程中的钻蚀效效应，从而提高分辨率。，从而提高分辨率。光刻胶的基本属性v光刻胶的膨光刻胶的膨胀在在显影影过程中，若程中，若显影液渗透到光刻胶中，影液渗透到光刻胶中，光刻胶光刻胶的体的体积就会膨就会膨胀，这将将导致致图形尺寸形尺寸发生生变化，化，影影响分辨率。响分辨率。正胶不正胶不发生膨生膨胀，负胶胶发生膨生膨胀现象象。故正胶分辨。故正胶分辨率高于率高于负胶，胶，负胶可通胶可通过减小厚度来提高分辨率减小厚度来提高分辨率在相同的分辨率下，与在相同的分辨率下，与负胶相比可以使用胶相比可以使用较厚的正厚的正胶胶，从而得到更好的平台覆盖并能降低缺陷的，从而得到更好的平台覆盖并能降低缺陷的产生，生，同同时抗干法刻抗干法刻蚀的能力也更的能力也更强。光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v光敏度光敏度指光刻胶完成所需指光刻胶完成所需图形曝光的最小曝光形曝光的最小曝光剂量量曝光曝光剂量（量（mj/cm2）光）光强（单位面位面积的功率）的功率）曝光曝光时间光敏度由曝光效率决定光敏度由曝光效率决定曝光效率：参与光刻胶曝光的光子能量与曝光效率：参与光刻胶曝光的光子能量与进入光刻入光刻胶中的光子能量的比胶中的光子能量的比值 正胶比正胶比负胶有更高的曝光效率胶有更高的曝光效率，故正胶的光敏度大，故正胶的光敏度大，光敏度大可减小曝光光敏度大可减小曝光时间光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v抗刻抗刻蚀能力能力图形形转移移时，光刻胶抵抗刻，光刻胶抵抗刻蚀的能力。的能力。光刻胶光刻胶对湿法腐湿法腐蚀有比有比较好的抗腐好的抗腐蚀能力，能力，对大部大部分的干法刻分的干法刻蚀，光刻胶的抗刻，光刻胶的抗刻蚀能力能力则比比较差差v 热稳定性定性通常干法刻通常干法刻蚀的工作温度比湿法腐的工作温度比湿法腐蚀要高，所要高，所以光刻胶以光刻胶应能能够承受承受200 以上的工作温度以上的工作温度光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v黏着力黏着力在刻在刻蚀过程中，如果光刻胶黏附不牢就会程中，如果光刻胶黏附不牢就会发生生钻蚀和浮胶和浮胶，这将直接影响光刻的将直接影响光刻的质量，甚至量，甚至使整个使整个图形形丢失。失。增增强黏附性的方法：黏附性的方法：1.涂胶前脱水涂胶前脱水处理理 2.使用增粘使用增粘剂（HMDS) 3.提高提高坚膜的循膜的循环温度温度光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v光刻胶的溶解度光刻胶的溶解度光刻胶是由溶光刻胶是由溶剂溶解了固溶解了固态物物质（如（如树脂）脂）所形成的液体，其中溶解的固所形成的液体，其中溶解的固态物物质所占的所占的比重称比重称为溶解度溶解度v 光刻胶的粘滞度光刻胶的粘滞度影响甩胶后光刻胶膜厚影响甩胶后光刻胶膜厚光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性v 微粒数量和金属含量微粒数量和金属含量光刻胶的光刻胶的纯净度度与光刻胶中的微粒数量和金属与光刻胶中的微粒数量和金属含量有关。含量有关。光刻胶的生光刻胶的生产过程中需要程中需要经过严格的格的过滤和包和包装，且需要在使用前装，且需要在使用前过滤。随存。随存储时间的增加，的增加，光刻胶中的微粒数量光刻胶中的微粒数量还会会继续增加。增加。光刻胶中的金属含量主要指光刻胶中的金属含量主要指钠和和钾的含量的含量，钠和和钾会会带来来污染，降低器件的性能。染，降低器件的性能。v储存寿命存寿命光刻胶中的成分随光刻胶中的成分随时间和温度和温度发生生变化化通常正胶的寿命高于通常正胶的寿命高于负胶的胶的在存在存储期期间，由于交叉，由于交叉链接的作用，正胶中的接的作用，正胶中的高分子成分会增加，感光高分子成分会增加，感光剂不可溶，不可溶，结晶成沉晶成沉淀物淀物。光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性lithographylithographyvIntroductionv光刻光刻洁净室室工工艺流程流程光刻机光刻机光刻胶光刻胶掩膜版掩膜版掩膜版掩膜版v 掩膜版上的掩膜版上的图形代表形代表一一层IC设计，将，将综合的合的布局布局图按照按照IC工工艺分成分成各各层掩膜版，如隔离区掩膜版，如隔离区为一一层、栅极区极区为另一另一层等，等，这些掩膜版的些掩膜版的组合就是一合就是一组IC工工艺流程。流程。掩膜板的制造掩膜板的制造v传统掩膜版是在石英板上淀掩膜版是在石英板上淀积薄的薄的铬(ge)层，在在铬层上形成上形成图形形。v掩膜版是由掩膜版是由电子束子束或者或者激光束直接刻写激光束直接刻写在在铬层上的。上的。v通常，制作一个完整的通常，制作一个完整的ULSI芯片需要芯片需要20到到25块不同的掩膜不同的掩膜。v掩膜版的构成掩膜版的构成石英玻璃板石英玻璃板铬层铬的氮化物或氧化物的氮化物或氧化物+铬+抗反射抗反射层掩膜版的保掩膜版的保护膜：密封掩膜版，防止空气中的膜：密封掩膜版，防止空气中的微粒以及其它形式的微粒以及其它形式的污染染掩膜板的制造掩膜板的制造掩膜板的制造掩膜板的制造v 掩膜版好坏的关掩膜版好坏的关键因素：缺陷密度因素：缺陷密度v 缺陷的缺陷的产生原因生原因制造掩膜版制造掩膜版时产生生图形曝光形曝光时产生生v缺陷密度缺陷密度对IC成品率的影响成品率的影响其中：其中：D为每每单位面位面积致命缺陷的平均数，致命缺陷的平均数，A为IC芯片芯片的面的面积，N为掩膜版的掩膜版的层数数要要提提高高大大面面积积芯芯片片的的成成品品率率，掩掩膜膜版版的的检检查查与与清清洗洗是是非非常常重重要要的的。79讲课课件分辨率增强技术移相掩膜分辨率增强技术移相掩膜v 移相掩膜（移相掩膜（phase-shifting mask, PSM)在在IC工工艺中，中，光学光学图形曝光系形曝光系统追求追求较佳的分佳的分辨率、辨率、较深的聚焦深度与深的聚焦深度与较广的曝光广的曝光宽容度容度基本原理是在掩膜版的某些透明基本原理是在掩膜版的某些透明图形上增加或形上增加或减少一个透明的介减少一个透明的介质层，称，称为移相器，使光波移相器，使光波通通过这个介个介质层后后产生生180度的相位差，与度的相位差，与邻近透明区域透近透明区域透过的光波的光波产生干涉，从而抵消生干涉，从而抵消图形形边缘的光衍射效的光衍射效应，提高曝光的分辨率提高曝光的分辨率。81讲课课件lithographylithographyvIntroductionv光刻光刻v刻刻蚀湿法刻湿法刻蚀干法刻干法刻蚀什么叫刻蚀？什么叫刻蚀？v刻刻蚀把把进行光刻前所沉行光刻前所沉积的薄膜中没有被光刻胶覆盖的薄膜中没有被光刻胶覆盖及保及保护的部分，以化学反的部分，以化学反应或是物理作用的方式加以去除，或是物理作用的方式加以去除，以完成以完成转移掩膜移掩膜图案到薄膜上面的目的。案到薄膜上面的目的。v刻刻蚀分分类湿湿法法刻刻蚀（ WET ETCHING ） ：利利用用液液态化化学学试剂或溶液通或溶液通过化学反化学反应进行刻行刻蚀的方法的方法干干法法刻刻蚀（ DRY ETCHING） ：主主要要指指利利用用低低压放放电产生生的的等等离离子子体体中中的的离离子子或或游游离离基基(处于于激激发态的的分分子子、原原子子及及各各种种原原子子基基团等等)与与材材料料发生生化化学学反反应或或通通过轰击等等物理作用物理作用而达到刻而达到刻蚀的目的的目的刻蚀术语刻蚀术语 v BIAS （偏差）（偏差）腐腐蚀后的后的图形与版形与版图的水平偏差的水平偏差。v TOLERANCE （容差）（容差）各批各批图形形间的偏差。的偏差。v ETCHING RATE （腐（腐蚀速率均匀度）速率均匀度）=（ 最高速率最高速率-最低速率最低速率 ）/（最高速率（最高速率+最低速率最低速率 ）* *100%vOVER ETCHING （过腐腐蚀）v SELECTIVITY （选择性）性）SFS= 腐腐蚀FILM速率速率 / 腐腐蚀SUBSTRATE速速率率会出现光刻胶的钻蚀会出现光刻胶的钻蚀-方向性方向性腐蚀剂会腐蚀衬底而改变衬底形貌腐蚀剂会腐蚀衬底而改变衬底形貌-选择性选择性lithographylithographyvIntroductionv光刻光刻v刻刻蚀湿法刻湿法刻蚀干法刻干法刻蚀刻蚀刻蚀v湿法腐湿法腐蚀：湿法化学刻湿法化学刻蚀在半在半导体工体工艺中有着广泛中有着广泛应用用优点是点是选择性好性好、重复性好、生、重复性好、生产效率高、效率高、设备简单、成本低、成本低缺点是缺点是钻蚀严重、重、各向同性腐各向同性腐蚀，对图形的控形的控制性制性较差差在工在工业生生产中一般以中一般以3um线宽为界限，小于界限，小于3um普遍普遍应用干法刻用干法刻蚀技技术。各向同性和异性各向同性和异性 假假设hf为下下层材料的厚度，材料的厚度，l为抗抗蚀剂底下的底下的侧面面钻蚀距离，可以定距离，可以定义各各向异性的比向异性的比值Af为：其中：其中：t为时间，而，而Rl和和Rv则分分别为水平方向与垂直方向水平方向与垂直方向腐腐蚀的速率；的速率；对各向同性腐各向同性腐蚀而言，而言，RlRv，Af0；对各向异性腐各向异性腐蚀的极限情况而言，的极限情况而言，Rl0，Af1； 湿法刻蚀技术 （1）v Wet Etching Silicon （硅刻（硅刻蚀）腐腐蚀液成份：液成份：HNO3、HF、CH3COOH（水）（水）醋酸比水好，可以抑制HNO3的分解反反应方程：方程：Si+HNO3+6HF H2SiF6+HNO3+H2+H2O混合液成份不同腐混合液成份不同腐蚀速率不同速率不同各向同性腐各向同性腐蚀v Wet Etching Silicon Dioxide （二氧化硅刻（二氧化硅刻蚀）腐腐蚀液成份：液成份：HF、氟化氨（、氟化氨（NH4F）水溶液）水溶液反反应方程：方程：SiO2+6HF H2+SiF6+2H2O腐腐蚀液中加入一定的氟化氨作液中加入一定的氟化氨作为缓冲冲剂形成的腐形成的腐蚀液称液称为BHF，又称作，又称作缓冲氧化冲氧化层腐腐蚀（buffered-oxide-etch,BOE) 湿法刻蚀技术湿法刻蚀技术 （2） 湿法刻蚀技术湿法刻蚀技术 （3 3）v Wet Etching Si3N4（氮化硅刻（氮化硅刻蚀）腐腐蚀液成份：液成份：180浓度度为85的磷酸溶液的磷酸溶液v Wet Etching Al（铝刻刻蚀）腐腐蚀液成份液成份:lithographylithographyvIntroductionv光刻光刻v刻刻蚀湿法腐湿法腐蚀干法刻干法刻蚀v溅射与离子束射与离子束铣（xi）蚀：通通过高能惰性气体离子的物高能惰性气体离子的物理理轰击作用刻作用刻蚀，各向异性性好，但，各向异性性好，但选择性性较差差v等离子刻等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放利用放电产生的游离基生的游离基（游离（游离态的原子、分子或原子的原子、分子或原子团）与材料）与材料发生化学反生化学反应，形成形成挥发物，物，实现刻刻蚀。选择性好、性好、对衬底底损伤较小，小，但各向异性但各向异性较差差v反反应离子刻离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称称为RIE)：通通过活性离子活性离子对衬底的物理底的物理轰击和化学反和化学反应双重作用刻双重作用刻蚀。具有具有溅射刻射刻蚀和等离子刻和等离子刻蚀两者的两者的优点，同点，同时兼有各向兼有各向异性和异性和选择性好的性好的优点。目前，点。目前，RIE已成已成为VLSI工工艺中中应用最广泛的主流刻用最广泛的主流刻蚀技技术DRY ETCHING DRY ETCHING 干法刻蚀干法刻蚀DRY ETCHING DRY ETCHING 干法刻蚀干法刻蚀v 干法刻干法刻蚀优点：点：分辨率高分辨率高各向异性腐各向异性腐蚀能力能力强某些情况下腐某些情况下腐蚀选择比大比大均匀性、重复性好均匀性、重复性好便于便于连续自自动操作操作v干法刻干法刻蚀的的应用用Si，Si3N4，SiO2Poly-Si, 硅化物硅化物 Al及其合金及其合金 耐熔金属（耐熔金属（Mo，W，Ta，Ti）DRY ETCHING DRY ETCHING 干法刻蚀干法刻蚀湿法刻蚀工艺和干法刻蚀工艺的比较？湿法刻蚀工艺和干法刻蚀工艺的比较？干法刻干法刻蚀优缺点：缺点：分辨率高分辨率高各向异性腐各向异性腐蚀能力能力强均匀性、重复性好均匀性、重复性好便于便于连续自自动操作操作v成本高，成本高，选择比一般比一般较低低湿法刻湿法刻蚀的的优缺点：缺点：成本低廉成本低廉选择比高比高v各向同性各向同性v腐腐蚀速率速率难以控制以控制v半半导体工体工业的持的持续成成长，是因，是因为可将越来越小的可将越来越小的电路路图案案转移到半移到半导体晶片上。体晶片上。转移移图案的两个主要案的两个主要工工艺为图形曝光与刻形曝光与刻蚀。v目前大部分的目前大部分的图形曝光形曝光设备为光学系光学系统，我，我们讲到到了光学了光学图形曝光系形曝光系统的各种曝光工具、掩膜版、抗的各种曝光工具、掩膜版、抗蚀剂与与洁净室。限制光学室。限制光学图形曝光分辨率的主要原形曝光分辨率的主要原因因为衍射。然而由于准分子激光、抗衍射。然而由于准分子激光、抗蚀剂化学及分化学及分辨率改善技辨率改善技术（如相移掩膜版与光学（如相移掩膜版与光学临近修正）的近修正）的进步，光学步，光学图形曝光至少在形曝光至少在130nm“时代代”将将维持持为主流技主流技术。v电子束子束图形曝光是掩膜版制作和用于探索新器件的形曝光是掩膜版制作和用于探索新器件的纳米工米工艺的最佳的最佳选择，其它，其它图形曝光工形曝光工艺技技术为EUV、X射射线图形曝光与离子束形曝光与离子束图形曝光，形曝光，虽然然这些技些技术都具有都具有100nm或或更高的分辨率，但每一个工更高的分辨率，但每一个工艺都有其限制：都有其限制：电子束子束图形曝形曝光的光的邻近效近效应、EUV图形曝光的掩膜版空片制作困形曝光的掩膜版空片制作困难、X射射线图形曝光的掩膜版制作复形曝光的掩膜版制作复杂、离子束、离子束图形曝光的随机形曝光的随机空空间电荷等。荷等。v目前仍无法明确指出，目前仍无法明确指出，谁才是光学才是光学图形曝光的明形曝光的明显继承者。承者。然而，一个混合搭配的方式，可以将每一种然而，一个混合搭配的方式，可以将每一种图形曝光工形曝光工艺的特殊的特殊优点融合来改善分辨率和提高点融合来改善分辨率和提高产率。率。v 湿法腐湿法腐蚀在半在半导体工体工艺中被广泛采用。它中被广泛采用。它特特别适用全面性的腐适用全面性的腐蚀。湿法化学腐。湿法化学腐蚀被被用于用于图案的案的转移，然而，掩蔽移，然而，掩蔽层下的横向下的横向钻蚀现象将象将导致腐致腐蚀图形的分辨率形的分辨率损失。失。v干法刻干法刻蚀是是为了得到了得到较高精确度的高精确度的图案案转移。干法刻移。干法刻蚀和等离子体和等离子体辅助刻助刻蚀是相同是相同的。的。v 未来刻未来刻蚀技技术的挑的挑战是：高的刻是：高的刻蚀选择比、更比、更好的好的临界尺寸控制、低的高界尺寸控制、低的高宽比相关性与低等比相关性与低等离子体离子体导致的致的损伤。低。低压、高密度等离子体反、高密度等离子体反应器能器能满足足这些要求。当工些要求。当工艺由由200mm发展展到到300mm，甚至更大的晶片是，晶片上的刻，甚至更大的晶片是，晶片上的刻蚀均匀度更需要不断的改均匀度更需要不断的改进，而更，而更进一步的集一步的集成化成化设计，必，必须发展更新的气体化学以提供更展更新的气体化学以提供更好的好的选择比。比。