第八章 光刻与刻蚀工艺.
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1、第八章第八章 光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺主主 讲：毛讲：毛 维维 西安电子科技大学微电子学院西安电子科技大学微电子学院绪论绪论n光刻：光刻：通过光化学反应，将光刻版（通过光化学反应，将光刻版（mask）上的图形）上的图形 转移到光刻胶上。转移到光刻胶上。n刻蚀：刻蚀：通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到Si片上片上n光刻三要素：光刻三要素： 光刻机光刻机 光刻版（掩膜版）光刻版（掩膜版） 光刻胶光刻胶nULSI对光刻的要求：对光刻的要求： 高分辨率；高灵敏的光刻胶；高分辨率；高灵敏的光刻胶； 低缺陷；精密的套刻对准；低缺陷；精密的套刻对准；绪论绪论光刻胶三
2、维图案光刻胶三维图案线宽线宽间隙间隙厚度厚度衬底衬底光光刻胶刻胶绪论绪论集成电路芯片的显微照片集成电路芯片的显微照片绪论绪论接触型光刻机接触型光刻机 步进型光刻机步进型光刻机 绪论绪论n掩膜版与投影掩膜版掩膜版与投影掩膜版 投影掩膜版投影掩膜版（reticle）是一个石英版，它包含）是一个石英版，它包含了要在硅片上重复生成的图形。就像投影用的电影了要在硅片上重复生成的图形。就像投影用的电影胶片的底片一样。这种图形可能仅包含一个管芯，胶片的底片一样。这种图形可能仅包含一个管芯，也可能是几个。也可能是几个。 光掩膜版光掩膜版（photomask）常被称为掩膜版）常被称为掩膜版(mask)，它包含了
3、对于整个硅片来说确定一工艺层所需的完它包含了对于整个硅片来说确定一工艺层所需的完整管芯阵列。整管芯阵列。绪论绪论n掩膜版的质量要求：掩膜版的质量要求： 若每块掩膜版上图形成品率若每块掩膜版上图形成品率90，则，则6块光刻版，其管芯图形成品率（块光刻版，其管芯图形成品率（90）653；10块光刻版，其管芯图形成品率（块光刻版，其管芯图形成品率（90）1035；15块光刻版，其管芯图形成品率（块光刻版，其管芯图形成品率（90）1521；最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。绪论绪论n特征尺寸（关键尺寸）特征尺寸（关键尺寸）关键尺寸常用做描述器件工艺技术
4、的节点或称为某一代。关键尺寸常用做描述器件工艺技术的节点或称为某一代。0.25m以下工艺技术的节点是以下工艺技术的节点是0.18m、0.15m、0.1m等。等。n套准精度套准精度 光刻要求硅片表面上存在的图案与掩膜版上的图形准确光刻要求硅片表面上存在的图案与掩膜版上的图形准确对准，一般而言，器件结构允许的套刻误差为器件特征尺寸对准，一般而言，器件结构允许的套刻误差为器件特征尺寸的三分之一左右，当图形形成要多次用到掩膜版时，任何套的三分之一左右，当图形形成要多次用到掩膜版时，任何套准误差都会影响硅片表面上不同图案间总的布局宽容度。而准误差都会影响硅片表面上不同图案间总的布局宽容度。而大的套准容差
5、会减小电路密度，大的套准容差会减小电路密度， 即限制了器件的特征尺寸，即限制了器件的特征尺寸，从而降低从而降低 IC 性能。性能。 绪论绪论nClean Room 洁净等级：尘埃数洁净等级：尘埃数/m3；（尘埃尺寸为；（尘埃尺寸为0.5m） 10万级：万级：350万，单晶制备；万，单晶制备； 1万级：万级：35万，封装、测试；万，封装、测试； 1000级：级：35000，扩散、，扩散、CVD； 100级：级：3500，光刻、制版；，光刻、制版；深亚微米器件（尘埃尺寸为深亚微米器件（尘埃尺寸为0.1m） 10级：级：350，光刻、制版；，光刻、制版； 1级：级： 35，光刻、制版；，光刻、制版；
6、8.1 光刻工艺流程光刻工艺流程n主要步骤：主要步骤： 涂胶、前烘、曝光、显影、涂胶、前烘、曝光、显影、 坚膜、刻蚀、去胶。坚膜、刻蚀、去胶。n两种基本工艺类型：两种基本工艺类型： 负性光刻和正性光刻。负性光刻和正性光刻。n-SiSiO2光刻胶光刻胶光照光照掩膜版掩膜版负性光刻负性光刻n-SiSiO2光刻胶光刻胶掩膜版掩膜版光照光照不透光不透光n-SiSiO2SiO2腐蚀液腐蚀液光刻胶光刻胶n-Si光刻胶光刻胶n-Si 紫外光紫外光岛状岛状曝光区域变成交互链结，曝光区域变成交互链结，可抗显影液之化学物质。可抗显影液之化学物质。光刻胶显影后的图案光刻胶显影后的图案窗口窗口光阻曝光阻曝光区域光区域
7、光光刻胶刻胶上上的的影子影子玻璃掩膜版玻璃掩膜版上的铬图案上的铬图案硅基板硅基板光光刻胶刻胶氧化层氧化层光光刻胶刻胶氧化层氧化层硅基板硅基板负性光刻负性光刻n-SiSiO2光刻胶光刻胶光照光照掩膜版掩膜版正性光刻正性光刻n-SiSiO2光刻胶光刻胶掩膜版掩膜版光照光照不透光不透光n-SiSiO2SiO2腐蚀液腐蚀液光刻胶光刻胶n-Si光刻胶光刻胶n-Si正性正性光刻光刻photoresistsilicon substrateoxideoxidesilicon substratephotoresist 紫外光紫外光岛状岛状曝光的区域曝光的区域溶解去除溶解去除光刻显影后呈现的图案光刻显影后呈现的图
8、案光光刻胶刻胶上阴影上阴影光光刻胶刻胶曝曝光区域光区域光刻掩膜光刻掩膜版之铬岛版之铬岛窗口窗口硅基板硅基板光光刻胶刻胶氧化物氧化物光阻光阻氧化物氧化物硅基板硅基板印制在晶圆上所需求印制在晶圆上所需求的光刻胶结构图案的光刻胶结构图案窗口窗口基板基板光光刻胶岛刻胶岛石英石英铬铬岛岛负光刻胶用所需的光刻图负光刻胶用所需的光刻图案案 (与所要的图案相反与所要的图案相反)正光刻胶用所需的光刻图正光刻胶用所需的光刻图案案 (与所要的图案相同与所要的图案相同)8.1 光刻工艺流程光刻工艺流程PMOSFETNMOSFETCMOS反相器之横截面反相器之横截面CMOS反相器之上视图反相器之上视图光刻层决定后续制程
9、的光刻层决定后续制程的精确性。精确性。光刻图案使各层有适当光刻图案使各层有适当的位置、方向及结构大的位置、方向及结构大小，以利于蚀刻及离子小，以利于蚀刻及离子植入。植入。8.1 光刻工艺流程光刻工艺流程8.1.1 涂胶涂胶1.涂胶前的涂胶前的Si片处理片处理(以在以在SiO2表面光刻为例表面光刻为例)nSiO2:亲水性；光刻胶：疏水性；亲水性；光刻胶：疏水性；脱水烘焙脱水烘焙:去除水分去除水分HMDS：增强附着力：增强附着力nHMDS：六甲基乙硅氮烷：六甲基乙硅氮烷(CH3)6Si2NHn作用：去掉作用：去掉SiO2表面的表面的-OHHMDS热板脱水烘焙和气相成底膜热板脱水烘焙和气相成底膜8.
10、1 光刻工艺流程光刻工艺流程8.1.1 涂胶涂胶2.涂胶涂胶对涂胶的要求：粘附良好，均匀，薄厚适当对涂胶的要求：粘附良好，均匀，薄厚适当n胶膜太薄针孔多，抗蚀性差；胶膜太薄针孔多，抗蚀性差；n胶膜太厚分辨率低（分辨率是膜厚的胶膜太厚分辨率低（分辨率是膜厚的58倍）倍）涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂8.1 光刻工艺流程光刻工艺流程8.1.2 前烘前烘作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥； 增加胶膜与增加胶膜与SiO2 （Al膜等）的粘附性及耐磨性。膜等）的粘附性及耐磨性。影响因素：温度，时间。影响因素：温度，时间。n烘焙不足（温
11、度太低或时间太短）烘焙不足（温度太低或时间太短）显影时易浮胶，显影时易浮胶， 图形易变形。图形易变形。n烘焙时间过长烘焙时间过长增感剂挥发，导致曝光时间增长，增感剂挥发，导致曝光时间增长， 甚至显不出图形。甚至显不出图形。n烘焙温度过高烘焙温度过高光刻胶黏附性降低，光刻胶中的感光光刻胶黏附性降低，光刻胶中的感光 剂发生反应（胶膜硬化），不易溶于剂发生反应（胶膜硬化），不易溶于 显影液，导致显影不干净。显影液，导致显影不干净。 在真空热板上软烘在真空热板上软烘8.1 光刻工艺流程光刻工艺流程8.1.3 曝光：曝光： 光学曝光、光学曝光、X射线曝光、电子束曝光射线曝光、电子束曝光光学曝光紫外，深紫
