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1、lithography,Introduction光刻洁净室工艺流程光刻机光刻胶掩膜版,图形曝光与刻蚀,图形曝光（lithography，又译光刻术）利用掩膜版（mask）上的几何图形，通过光化学反应，将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜层上（称为光致抗蚀剂、光刻胶或光阻，resist，简称抗蚀剂）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（contact window）与压焊（bondingpad）区。,刻蚀由图形曝光所形成的抗蚀剂图案，并不是电路器件的最终部分，而只是电路图形的印模。为了产生电路图形，这些抗蚀剂图案必须再次转移至下层的器件层上。这种图案转
2、移（pattern transfer）是利用腐蚀（etching）工艺，选择性地将未被抗蚀剂掩蔽的区域去除。,图形曝光与刻蚀,ULSI对光刻有哪些基本要求？,高分辨率在集成电路工艺中，通常把线宽作为光刻水平的标志，一般也可以用加工图形线宽的能力来代表集成电路的工艺水平。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。 产品的产量 曝光时间确保光刻胶各项属性均为优异的前提下，提高光刻胶的灵敏度,ULSI对光刻有哪些基本要求？,低缺陷 缺陷关系成品率 精密的套刻对准集成电路芯片的制作需要经过多次光刻，在各次曝光图形之间要相互套准。ULSI的图形线宽在1um以下，通常采用自对准技术。大尺寸硅片上
3、的加工 ULSI的芯片尺寸为12cm2提高经济效益和硅片利用率,洁净室（1）,洁净室（2）,洁净室的等级定义方式：（1）英制系统：每立方英尺中直径大于或等于0.5um的尘埃粒子总数不准超过设计等级数值。（2）公制系统每立方米中直径大于或等于0.5um的尘埃粒子总数不准超过设计等级数值（以指数计算，底数为10）。,洁净室（3）,例子：（1）等级为100的洁净室（英制），直径大于或等于0.5um的尘埃粒子总数不超过100个/ft3（2）等级为M3.5的洁净室（公制），直径大于或等于0.5um的尘埃粒子总数不超过103.5（约3500个/m3) 100个/ft3= 3500个/m3一个英制等级100
4、的洁净室相当于公制等级M3.5的洁净室。,洁净室（4）,对一般的IC制造区域，需要等级100的洁净室，约比一般室内空气低4个数量级。 在图形曝光的工作区域，则需要等级10或1的洁净室。,lithography,Introduction光刻洁净室工艺流程光刻机光刻胶掩膜版,光刻原理（1）,掩膜版图形转移到光刻胶在光刻过程中，光刻胶受到光辐射之后发生光化学反应，其内部分子结构发生变化，在显影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。利用光刻胶的这种特性，就可以在硅片的表面涂上光刻胶薄层，通过掩膜版对光刻胶辐照，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图形。,
5、光刻胶图形转移到硅表面的薄膜在集成电路制作中，利用这层剩余的光刻胶图形作为保护膜，可以对硅表面没有被光刻胶覆盖的区域进行刻蚀，或者对这些区域进行离子注入，从而把光刻胶上的图形转移到硅表面的薄膜上去，由此形成各种器件和电路的结构，或者对未保护区进行掺杂。,光刻原理（2）,光刻原理（3）,光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变光刻过程的主要步骤： 曝光、显影、刻蚀,Process flow optical litho,光刻工艺过程,
6、涂胶 coating前烘 prebaking曝光 exposure显影 development坚膜 postbake刻蚀 etch去胶 strip检验 inspection,1、涂胶,1、涂胶,涂胶目的在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没有缺陷的光刻胶薄膜。怎样才能让光刻胶粘的牢一些？,可以开始涂胶了,怎么涂？旋转涂胶法：把胶滴在硅片，然后使硅片高速旋转，液态胶在旋转中因离心力作用由轴心沿径向（移动）飞溅出去，但粘附在硅表面的胶受粘附力的作用而留下。在旋转过程中胶所含的溶剂不断挥发，故可得到一层均匀的胶膜 怎样才算涂的好？膜厚均匀，正胶2%，负胶5%,涂胶-转速Vs膜厚,转速Vs膜厚其中：
7、T表示膜厚，S表示转速；从上式可以看出，光刻胶的膜厚与旋转速度的平方根成反比。,2、前烘（softbake）再次改善光刻胶粘附性,目的去除胶内的溶剂，提高胶的粘附力提高胶的抗机械摩擦的能力减小高速旋转形成的薄膜应力 条件:温度 ：90 to 120 时间：60s to 120s,2、前烘（softbake）再次改善光刻胶粘附性,前烘不足光刻胶与硅片黏附性变差因光刻胶中溶剂含量过高致使曝光的精确度下降前烘过量延长时间，产量降低过高的温度使光刻胶层的粘附性会因光刻胶变脆而降低过高的温度会使光刻胶中的感光剂发生反应，使光刻胶在曝光时的敏感度变差,3、曝光（Exposure）,3、曝光（Exposur
8、e）,曝光光通过掩模版照射，使照射到的光刻胶起光化学反应感光与未感光的光刻胶对碱性溶液的溶解度不同掩模版上的图案，完整地传递(Transfer)到晶片表面的光阻上目的：确定图案的精确形状和尺寸完成顺序两次光刻图案的准确套制,曝光后烘焙（PEB）,驻波效应定义：入射光与反射光间的相长和相消干涉造成的效应影响：曝光过程中，在曝光区与非曝光区边界将会出现驻波效应，影响显影后所形成的图形尺寸和分辨率改善措施：曝光后烘焙,4、显影（Development）,4、显影（Development）,原理显影时曝光区与非曝光区的光刻胶不同程度的溶解 显影过程把已曝光的硅晶片浸入显影液中，通过溶解部分光刻胶的方法
9、使胶膜中的潜影显现出来的过程 显影留下的光刻胶图形将在后续的刻蚀和离子注入工艺中作为掩膜,4、显影（Development）,显影方式：浸渍显影；旋转喷雾显影影响显影效果的因素 ：a.曝光时间； b.前烘的温度和时间；c.光刻胶的厚度；d.显影液的浓度；e.显影液的温度；f.显影液的搅拌情况,4、显影（Development）,4、显影（Development）,显影之后的检查 掩膜版选用是否正确光刻胶的质量是否满足要求（污染、划痕、气泡和条纹）图形的质量（有好的边界，图形尺寸和线宽满足要求）套准精度是否满足要求光刻是唯一可以返工的工艺步骤,5、坚膜 显影后必须进一步增强光刻胶粘附力,坚膜在光
10、刻显影后，再经过一次烘烤，进一步将胶内残留的溶剂含量由蒸发降到最低，使其硬化 坚膜的目的去除光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对硅片表面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,5、坚膜 显影后必须进一步增强光刻胶粘附力,6、去胶,6、去胶,经过刻蚀或离子注入后，将光刻胶从表面除去去胶方法湿法去胶有机溶液去胶 不腐蚀金属，去除Al上的光刻胶需用有机溶剂无机溶液去胶 干法去胶等离子体将光刻胶剥除刻蚀效果好，但有反应残留物玷污问题，故与湿法腐蚀搭配使用,lithography,Introduction光刻洁净室工艺流程光刻机分辨率曝光光源套准光刻胶,光刻机,光刻机的性能可由下面三个参
11、数来判别分辨率,光刻机的性能可由下面三个参数来判别套准精度产率对一给定的掩膜版，每小时能曝光完成的晶片数量,光刻机,光刻机发展为两大类型，即光学光刻机和非光学光刻机，如图所示。 光学光刻机采用紫 外线作为光源，而 非光学光刻机的 光源则来自电磁 光谱的其他成分。,曝光光源,曝光光源,普通光源光的波长范围大，图形边缘衍射现象严重，满足不了特征尺寸的要求。晶圆生产用的曝光光源,晶圆生产用的曝光光源最广泛使用的曝光光源是高压汞灯产生的光为紫外光（UV）三条发射线I线(365nm)H线(405nm)G线(436nm) (0.35um工艺),曝光光源,晶圆生产用的曝光光源产生的光为深紫外光（DUV）氟化
12、氪 KrF （248nm）（0.35um,0.25um,0.18 CMOS技术）氟化氩 ArF （193nm） (0.2um以下工艺）,曝光光源,曝光光源,超细线条光刻技术甚远紫外线(EUV) （13.4nm)电子束光刻 (波粒二相性，更多显示粒子性） 以上两种曝光光源比较有前景，可以对亚100nm，亚50nm的特征尺寸进行光刻X射线离子束光刻,光学曝光方法,光学曝光方法,遮蔽式曝光接触式曝光提供约1um的分辨率对掩膜版造成损伤 接近式曝光可以减小掩膜版损伤间隙会在掩膜版图案边缘造成光学衍射分辨率降低至2um5um,光学曝光方法,光学曝光方法,投影式曝光利用投影的方法，将掩膜版上图案投影至相距
13、好几厘米的晶片上。,（a）晶片整片扫描,（b）1：1步进重复,光学曝光方法,lithography,Introduction光刻洁净室工艺流程光刻机分辨率曝光光源套准光刻胶,套准精度,对准把所需图形在晶园表面上定位或对准。如果说光刻胶是光刻工艺的“材料”核心，那么对准和曝光则是该工艺的“设备”核心。图形的准确对准是保证器件和电路正常工作的决定性因素之一。,对准法则,第一次光刻只是把掩膜版上的Y轴与晶园上的平边成90，如图所示。 接下来的掩膜版都用对准 标记与上一层带有图形的 掩膜对准。对准标记是一 个特殊的图形（见图）， 分布在每个芯片图形的边 缘。经过光刻工艺对准标 记就永远留在芯片表面，同
14、时作为下一次对准使用。,对准标记,未对准种类：(a) X方向 (b) 转动 (c) 伸出,lithography,Introduction光刻洁净室工艺流程光刻机光刻胶掩膜版,光刻胶的基本属性,主要有两种光刻胶：正胶：曝光后显影时曝光部分被溶解，而没有曝光的部分留下来 邻叠氮醌类 负胶：曝光后显影时没有曝光部分被溶解，而曝光的部分留下来聚乙烯醇肉桂酸酯和聚乙烯氧乙基肉桂酸酯,基本光刻技术,61,可编辑,*实际工艺中正胶用的比较多，why?,a.分辨率高b.抗干法腐蚀的能力较强c.抗热处理的能力强d.可用水溶液显影，溶涨现象小e.可涂得较厚(2-3um)不影响分辨率，有较好台阶覆盖性f.适合1：
15、1及缩小的投影光刻负胶也有一些优点，如: 粘附性好，抗湿法腐蚀能力强等,光刻胶的主要成分,1.树脂(高分子聚合物 ) 光照不发生反应，保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性，决定光刻胶薄膜的膜厚、弹性和热稳定性等,光刻胶的主要成分,2.光敏剂（PAC） 受光辐照之后会发生化学反应,光刻胶的主要成分,3.溶剂 使光刻胶在涂到硅片表面之前保持为液态,光刻胶的基本属性,光学性质光敏度，折射率力学和化学性质固溶度、粘滞度、粘着度、抗腐蚀性、热稳定性、流动性和对环境的敏感度其它特性纯度、金属含量、可应用的范围、储存的有效期和燃点,对比度对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的倾角和线宽。光刻胶的对比度越高，光刻胶层
16、的侧面越陡，线宽描述掩模尺寸的准确度就越高。且陡峭的光刻胶在干法刻蚀中可以减小刻蚀过程中的钻蚀效应，从而提高分辨率。,光刻胶的基本属性,光刻胶的膨胀在显影过程中，若显影液渗透到光刻胶中，光刻胶的体积就会膨胀，这将导致图形尺寸发生变化，影响分辨率。正胶不发生膨胀，负胶发生膨胀现象。故正胶分辨率高于负胶，负胶可通过减小厚度来提高分辨率在相同的分辨率下，与负胶相比可以使用较厚的正胶，从而得到更好的平台覆盖并能降低缺陷的产生，同时抗干法刻蚀的能力也更强。,光刻胶的基本属性,光刻胶的基本属性,光敏度指光刻胶完成所需图形曝光的最小曝光剂量曝光剂量（mj/cm2）光强（单位面积的功率）曝光时间光敏度由曝光效
17、率决定曝光效率：参与光刻胶曝光的光子能量与进入光刻胶中的光子能量的比值 正胶比负胶有更高的曝光效率，故正胶的光敏度大，光敏度大可减小曝光时间,光刻胶的基本属性,抗刻蚀能力图形转移时，光刻胶抵抗刻蚀的能力。光刻胶对湿法腐蚀有比较好的抗腐蚀能力，对大部分的干法刻蚀，光刻胶的抗刻蚀能力则比较差 热稳定性通常干法刻蚀的工作温度比湿法腐蚀要高，所以光刻胶应能够承受200 以上的工作温度,光刻胶的基本属性,黏着力在刻蚀过程中，如果光刻胶黏附不牢就会发生钻蚀和浮胶，这将直接影响光刻的质量，甚至使整个图形丢失。增强黏附性的方法：1.涂胶前脱水处理 2.使用增粘剂（HMDS) 3.提高坚膜的循环温度,光刻胶的基
18、本属性,光刻胶的溶解度光刻胶是由溶剂溶解了固态物质（如树脂）所形成的液体，其中溶解的固态物质所占的比重称为溶解度 光刻胶的粘滞度影响甩胶后光刻胶膜厚,光刻胶的基本属性,微粒数量和金属含量光刻胶的纯净度与光刻胶中的微粒数量和金属含量有关。光刻胶的生产过程中需要经过严格的过滤和包装，且需要在使用前过滤。随存储时间的增加，光刻胶中的微粒数量还会继续增加。光刻胶中的金属含量主要指钠和钾的含量，钠和钾会带来污染，降低器件的性能。,储存寿命光刻胶中的成分随时间和温度发生变化通常正胶的寿命高于负胶的在存储期间，由于交叉链接的作用，正胶中的高分子成分会增加，感光剂不可溶，结晶成沉淀物。,光刻胶的基本属性,li
19、thography,Introduction光刻洁净室工艺流程光刻机光刻胶掩膜版,掩膜版,掩膜版上的图形代表一层IC设计，将综合的布局图按照IC工艺分成各层掩膜版，如隔离区为一层、栅极区为另一层等，这些掩膜版的组合就是一组IC工艺流程。,掩膜板的制造,传统掩膜版是在石英板上淀积薄的铬(ge)层，在铬层上形成图形。掩膜版是由电子束或者激光束直接刻写在铬层上的。通常，制作一个完整的ULSI芯片需要20到25块不同的掩膜。,掩膜版的构成石英玻璃板铬层 铬的氮化物或氧化物+铬+抗反射层掩膜版的保护膜：密封掩膜版，防止空气中的微粒以及其它形式的污染,掩膜板的制造,掩膜板的制造,掩膜版好坏的关键因素：缺陷
20、密度 缺陷的产生原因制造掩膜版时产生图形曝光时产生缺陷密度对IC成品率的影响其中：D为每单位面积致命缺陷的平均数，A为IC芯片的面积，N为掩膜版的层数,要提高大面积芯片的成品率，掩膜版的检查与清洗是非常重要的。,分辨率增强技术移相掩膜,移相掩膜（phase-shifting mask, PSM)在IC工艺中，光学图形曝光系统追求较佳的分辨率、较深的聚焦深度与较广的曝光宽容度基本原理是在掩膜版的某些透明图形上增加或减少一个透明的介质层，称为移相器，使光波通过这个介质层后产生180度的相位差，与邻近透明区域透过的光波产生干涉，从而抵消图形边缘的光衍射效应，提高曝光的分辨率。,lithography
21、,Introduction光刻刻蚀湿法刻蚀干法刻蚀,什么叫刻蚀？,刻蚀把进行光刻前所沉积的薄膜中没有被光刻胶覆盖及保护的部分，以化学反应或是物理作用的方式加以去除，以完成转移掩膜图案到薄膜上面的目的。刻蚀分类湿法刻蚀（ WET ETCHING ） ：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法干法刻蚀（ DRY ETCHING） ：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的,刻蚀术语,BIAS （偏差）腐蚀后的图形与版图的水平偏差。 TOLERANCE （容差）各批图形间的偏差。 ETCH
22、ING RATE （腐蚀速率均匀度）=（ 最高速率-最低速率 ）/（最高速率+最低速率 ）*100%,OVER ETCHING （过腐蚀） SELECTIVITY （选择性）SFS= 腐蚀FILM速率 / 腐蚀SUBSTRATE速率,会出现光刻胶的钻蚀-方向性,腐蚀剂会腐蚀衬底而改变衬底形貌-选择性,lithography,Introduction光刻刻蚀湿法刻蚀干法刻蚀,刻蚀,湿法腐蚀：湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低缺点是钻蚀严重、各向同性腐蚀，对图形的控制性较差在工业生产中一般以3um线宽为界限，小于3um普遍应用干法刻蚀技术。
23、,各向同性和异性,假设hf为下层材料的厚度，l为抗蚀剂底下的侧面钻蚀距离，可以定义各向异性的比值Af为：,其中：t为时间，而Rl和Rv则分别为水平方向与垂直方向腐蚀的速率；对各向同性腐蚀而言，RlRv，Af0；对各向异性腐蚀的极限情况而言，Rl0，Af1；,湿法刻蚀技术 （1）,Wet Etching Silicon （硅刻蚀）腐蚀液成份：HNO3、HF、CH3COOH（水） 醋酸比水好，可以抑制HNO3的分解反应方程： Si+HNO3+6HF H2SiF6+HNO3+H2+H2O混合液成份不同腐蚀速率不同各向同性腐蚀,Wet Etching Silicon Dioxide （二氧化硅刻蚀）腐
24、蚀液成份：HF、氟化氨（NH4F）水溶液反应方程：SiO2+6HF H2+SiF6+2H2O腐蚀液中加入一定的氟化氨作为缓冲剂 形成的腐蚀液称为BHF，又称作缓冲氧化层腐蚀（buffered-oxide-etch,BOE),湿法刻蚀技术 （2）,湿法刻蚀技术 （3）,Wet Etching Si3N4（氮化硅刻蚀）腐蚀液成份：180浓度为85的磷酸溶液,Wet Etching Al（铝刻蚀）腐蚀液成份:,lithography,Introduction光刻刻蚀湿法腐蚀干法刻蚀,溅射与离子束铣（xi）蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差等离子刻蚀(Plasma
25、Etching)：利用放电产生的游离基（游离态的原子、分子或原子团）与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称为RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，RIE已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术,DRY ETCHING 干法刻蚀,DRY ETCHING 干法刻蚀,干法刻蚀优点：分辨率高各向异性腐蚀能力强某些情况下腐蚀选择比大均匀性、重复性好便于连续自动操作,干法刻蚀的应用Si，Si3N4，S
26、iO2Poly-Si, 硅化物 Al及其合金 耐熔金属（Mo，W，Ta，Ti）,DRY ETCHING 干法刻蚀,湿法刻蚀工艺和干法刻蚀工艺的比较？,干法刻蚀优缺点：分辨率高各向异性腐蚀能力强均匀性、重复性好便于连续自动操作成本高，选择比一般较低,湿法刻蚀的优缺点：,成本低廉选择比高各向同性腐蚀速率难以控制,半导体工业的持续成长，是因为可将越来越小的电路图案转移到半导体晶片上。转移图案的两个主要工艺为图形曝光与刻蚀。目前大部分的图形曝光设备为光学系统，我们讲到了光学图形曝光系统的各种曝光工具、掩膜版、抗蚀剂与洁净室。限制光学图形曝光分辨率的主要原因为衍射。然而由于准分子激光、抗蚀剂化学及分辨率
27、改善技术（如相移掩膜版与光学临近修正）的进步，光学图形曝光至少在130nm“时代”将维持为主流技术。,电子束图形曝光是掩膜版制作和用于探索新器件的纳米工艺的最佳选择，其它图形曝光工艺技术为EUV、X射线图形曝光与离子束图形曝光，虽然这些技术都具有100nm或更高的分辨率，但每一个工艺都有其限制：电子束图形曝光的邻近效应、EUV图形曝光的掩膜版空片制作困难、X射线图形曝光的掩膜版制作复杂、离子束图形曝光的随机空间电荷等。目前仍无法明确指出，谁才是光学图形曝光的明显继承者。然而，一个混合搭配的方式，可以将每一种图形曝光工艺的特殊优点融合来改善分辨率和提高产率。,湿法腐蚀在半导体工艺中被广泛采用。它特别适用全面性的腐蚀。湿法化学腐蚀被用于图案的转移，然而，掩蔽层下的横向钻蚀现象将导致腐蚀图形的分辨率损失。干法刻蚀是为了得到较高精确度的图案转移。干法刻蚀和等离子体辅助刻蚀是相同的。,未来刻蚀技术的挑战是：高的刻蚀选择比、更好的临界尺寸控制、低的高宽比相关性与低等离子体导致的损伤。低压、高密度等离子体反应器能满足这些要求。当工艺由200mm发展到300mm，甚至更大的晶片是，晶片上的刻蚀均匀度更需要不断的改进，而更进一步的集成化设计，必须发展更新的气体化学以提供更好的选择比。,121,可编辑,
