光刻与刻蚀工艺.ppt
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1、微微电子工子工艺学学Microelectronic Processing第六章第六章 光刻与刻光刻与刻蚀工工艺张道礼道礼 教授教授Email:Email:zhang-zhang-Voice:87542894Voice:875428941.图形转移光刻刻蚀薄膜制备掺杂扩散掺杂离子注入掺杂物理气相淀积化学气相淀积外延微电子单项工艺6.1 6.1 概述概述2.基本工艺步骤:平面工艺技术已广泛应用于现今的集成电路(IC)工艺。显示平面工艺的几个主要步骤包含氧化(oxidation)、光刻(1ithography)、离子注入(ion implant)和金属化(metallization)。6.1 6.1
2、 概述概述3.氧化:氧化:高品质SiO2的成功开发,是推动硅(Si)集成电路成为商用产品主流的一大动力。一般说来,SiO2可作为许多器件结构的绝缘体,或在器件制作过程中作为扩散或离子注入的阻挡层。如在p-n结的制造过程中,SiO2薄膜可用来定义结的区域。图(a)显示一无覆盖层的硅晶片,正准备进行氧化步骤。在氧化步骤结束后,一层SiO2就会均匀地形成在晶片表面。为简化讨论,图(b)只显示被氧化晶片的上表层。6.1 6.1 概述概述4.光刻光刻技术被用来界定p-n结的几何形状。在形成SiO2之后。利用高速旋转机,将晶片表面旋涂一层对紫外光敏感的材料,称为光刻胶(photo-resist)。将晶片从
3、旋转机拿下之后图(c),在80C100C之间烘烤。以驱除光刻胶中的溶剂并硬化光刻胶,加强光刻胶与晶片的附着力。如图(d)所示,下一个步骤使用UV光源,通过一有图案的掩模版对晶片进行曝光。对于被光刻胶覆盖的晶片在其曝光的区域将依据光刻胶的型态进行化学反应。而被暴露在光线中的光刻胶会进行聚合反应,且在刻蚀剂中不易去除。聚合物区域在晶片放进显影剂(developer)后仍然存在,而未被曝光区域(在不透明掩模版区域之下)会溶解并被洗去。6.1 6.1 概述概述5.图(a)为显影后的晶片。晶片再次于120180 之间烘烤20min,以加强对衬底的附着力和即将进行的刻蚀步骤的抗蚀能力。然后,使用缓冲氢氟酸
4、作酸刻蚀液来移除没有被光刻胶保护的一。氧化硅表面,如图4(b)所示。最后,使用化学溶剂或等离子体氧化系统剥离(stripped)光刻胶。图(c)显示光刻步骤之后,没有氧化层区域(一个窗户)的最终结果。晶片此时已经完成准备工作,可接着用扩散或离子注入步骤形成p-n结。6.1 6.1 概述概述6.在扩散散方法中,没有被SiO2保护的半导体表面暴露在相反型态的高浓度杂质中。杂质利用固态扩散的方式,进入半导体晶格。在离子注入时,将欲掺杂的杂质离子加速到一高能级,然后注入半导体内。SiO2可作为阻挡杂质扩散或离子注入的阻挡层。在扩散或离子注入步骤之后,p-n结已经形成,如图(d)所示。由于被注入的离子横
5、向扩散或横向散开(lateral straggle,又译横向游走)的关系,P型区域会比所开的窗户稍微宽些。6.1 6.1 概述概述7.在扩散或离子注入步骤之后,欧姆接触和连线在接着的金属化金属化步骤完成图(e)。金属薄膜可以用物理气相淀积和化学气相淀积来形成。光刻步骤再度用来定义正面接触点,如图(f)所示。一相似的金属化步骤可用来定义背面接触点,而不用光刻工艺。一般而言,低温(500。C)的退火步骤用来促进金属层和半导体之间的低电阻接触点。随着金属化的完成,p-n结已经可以工作了。6.1 6.1 概述概述8.图形转移(pattern transfer)是微电子工艺的重要基础,其作用是使器件和电
6、路的设计从图纸或工作站转移到基片上得以实现,我们可以把它看作是一个在衬底上建立三维图形的过程,包括光刻和刻蚀两个步骤。光刻(lithography,又译图形曝光):使用带有某一层设计几何图形的掩模版(mask),通过光化学反应,经过曝光和显影,使光敏的光刻胶在衬底上形成三维浮雕图形。将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜层上(称为光致光刻胶、光刻胶或光阻,resist,简称光刻胶)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)与压焊垫(bonding-pad)区。而由光刻所形成的光刻胶图案,并不是电路器件的最终部分,而只是电路图形
7、的印模。6.1 6.1 概述概述9.在集成电路制造中,主要的光刻设备是利用紫外光(0.20.4m)的光学仪器。刻蚀:在光刻胶掩蔽下,根据需要形成微图形的膜层不同,采用不同的刻蚀物质和方法在膜层上进行选择性刻蚀。这样,去掉光刻胶以后,三维设计图形就转移到了衬底的相关膜层上。图形转移工艺是如此重要,以至一种微电子工艺技术的水平通常以光刻和刻蚀的图形线宽(特征尺寸)表示。6.1 6.1 概述概述10.光刻(lithography)是以一种被称为光刻胶的光敏感聚合物为主要材料的照相制版技术。集成电路发明至今,电路集成度提高了六个数量级以上,主要归功于光刻技术的进步。非光学曝光光学曝光遮蔽式曝光投影式曝
8、光曝光方式电子束曝光X射线曝光超紫外光曝光离子束曝光8.2 8.2 光刻工光刻工艺11.光刻工艺的重要性源于两个方面:a.微电子制造需进行多次光刻,耗费总成本的30。因此光刻是主流微电子制造过程中最复杂、昂贵和关键的工艺;b.随着器件和电路特征尺寸的不断缩小,光刻工艺已成为微电子技术进一步发展的主要瓶颈。在目前基础上进一步缩小光刻图形尺寸会遇到一系列技术上甚至理论上的难题,因此大批科学家和工程师正在从光学、物理学、化学、精密机械、自动控制以及电子技术等不同途径对光刻技术进行深入的研究和探索。8.2 8.2 光刻工光刻工艺12.以ULSI为例,对光刻技术的基本要求包括几个方面:a.高分辨率:以线
9、宽作为光刻水平的标志;b.高灵敏度光刻胶:为提高产量,希望曝光时间尽量短;c.低缺陷:光刻引入缺陷所造成的影响比其它工艺更为严重;d.精密的套刻对准:一般器件结构允许套刻误差为线宽的10;e.对大尺寸基片的加工:在大尺寸基片上光刻难度更大。层次索引接触孔(14层)第一层金属(15层)有源区(3层)栅(10层)1m1m1.2m1.2m0.8-1.5m8.2 8.2 光刻工光刻工艺13.光刻胶 光刻胶(photoresist,又称光致抗蚀剂)是一类对辐照敏感的、由碳、氢、氧等元素组成的有机高分子化合物,这类化合物中均含有一种可以由特定波长的光引发化学反应的感光剂(PAC:photoactive c
10、ompound)。依其对光照的反应分成正性光刻胶与负性光刻胶。在一定外界条件(如曝光)的作用下,光刻胶的分子结构由于光化学反应而发生变化,进而引起其化学、物理或机械性质发生相应变化,例如在显影液中的溶解度发生变化,由可溶性变为不可溶性或者相反。这样,光刻胶感光部分与未感光部分在显影液中的溶解速度就出现差异。在微电子工艺中,就是利用光刻胶的这一特性来进行光刻的。8.2 8.2 光刻工光刻工艺14.正胶和负胶图形转移光刻胶通常可分为正性胶和负性胶两类,两者经曝光和显影后得到的图形正好相反。显影时,正胶的感光区较易溶解而未感光区不溶解,所形成的光刻胶图形是掩模版图形的正映象。负胶的情况正相反,显影时
11、感光区较难溶解而未感光区溶解,形成的光刻胶图形是掩模版图形的负映象。8.2 8.2 光刻工光刻工艺15.光学光刻使用的正胶通常含有三种主要成分:酚醛树脂、感光剂和有机溶剂。曝光前的光刻胶基本上不溶于显影液。曝光时,感光剂 如 g 线(436 nm)和 i 线(365 nm)光刻时正胶中的重氮醌(DNQ),因吸收光能而导致化学结构发生变化,在显影液中的溶解度比曝光前高出很多(约100倍)。显影后,感光部分光刻胶被溶解去除。正胶 断链交联负胶8.2 8.2 光刻工光刻工艺111.邻近效近效应在光学图形曝光中,分辨率的好坏是由衍射来决定的。在电子束图形曝光中。分辨率并非由衍射光决定(因为具有数个千电
12、子伏或是更高的能量的电子,其对应的波长比0.1nm更短)而是由电子散射决定。当电子穿过光刻胶与下层的基材时,这些电子将经历碰撞而造成能量损失与路径的改变因此这些入射电子在行进中会散开,直到它们的能量完全损失或是因背散射而离开为止。8.2 8.2 光刻工光刻工艺112.8.2 8.2 光刻工光刻工艺图(a)为用计算机计算的初始能量为20keV的100个电子轨迹,射入厚硅衬底上一个厚度为0.4m的PMMA薄膜层。此电子束沿z轴方向入射,所有的电子轨迹都投影在xz平面上。此图定性显示电子分布在一个椭圆形的梨状区域内。而其直径大小与电子的穿透深度约为同一数量级(约3.5m)。另外,许多电子也因经历背散
13、射碰撞而从硅衬底反向行进进入PMMA光刻胶再离开。113.8.2 8.2 光刻工光刻工艺图(b)显示在光刻胶与衬底界面中,正散射与背散射电子的归一化分布。由于背散射的关系,这些散射电子可以有效地辐照到距曝光束中心点几微米的区域。将这些环绕区域光照的剂量加起来,可知当电子束曝光某一个区域,将会影响到附近区的曝光,此现象称为邻近效近效应。邻近效应的限制会发生在图案间的空间很小时,而修正邻近效应的方法是将图案分割成更小的区域。将每一个小区域的入射电子剂量作一些调整,使其与周围其他小区域散射的电子剂量合起来,恰为正确的曝光剂量。114.真空氦气环境二、X 射线曝光 X射线曝光(XRL)有望取代光学曝光
14、进行100nm 超微细加工。它采用类似于接近式光学曝光的遮蔽式曝光方法,X 射线通过1:1的掩模进行曝光,掩模位置距衬底1040m。X 射线曝光有效利用了电子束曝光高分辨率的特点(理论分辨率高于 50nm),且比电子束曝光更适于大规模生产。但 X射线曝光也存在一些问题尚待解决,如X 射线不易聚焦,易导致图形畸变;掩模版制备比较困难等等。接近式X射线曝光系统示意8.2 8.2 光刻工光刻工艺115.XRL图形曝光极有潜力继承光学图形曝光来制作100nm的集成电路。当利用同步辐射光储存环进行批量生产时,一般选择X射线源。它提供一个大的聚光通量,且可轻易容纳10-20台光刻机。XRL是利用类似光学遮
15、蔽接近式曝光的一种遮蔽式曝光。掩模版为XRL系统中最困难且关键的部分,而且X射线掩模版的制作比光学掩模版来得复杂。为了避免X射线在光源与掩模版间被吸收,通常曝光都在氦的环境下完成。可以利用电子束光刻胶来作为X射线光刻胶,因为当X射线被原子吸收,原子会进入激发态而射出电子。激发态原子回到基态时,会释放出X射线,此X射线被原子吸收,故此过程一直持续进行。所有这些过程都会造成电子射出,所以光刻胶在X射线照射下,就相当于被大量的二次电子照射。8.2 8.2 光刻工光刻工艺116.X 射线曝光时,波长一般选择在 0.24 nm 之间。掩模是X射线曝光系统中最困难和最关键的部分,X 射线掩模版的材料组成、
16、结构形式和制作工艺比光学掩模复杂得多。掩模衬底:低原子序数材料(如碳化硅、氮化硼、硅、铍等),用 LPCVD 制成薄膜片(1-2 m)。吸收体薄膜:高原子序数材料(如钽、钨、金及其合金),蒸发、射频溅射或电镀法制成薄膜(约0.5 m)。掩模图形:电子束扫描光刻和干法刻蚀、精细电镀等图形转移技术实现。8.2 8.2 光刻工光刻工艺117.X 射线空白掩模版基板制备工艺由于X 射线有很强的穿透力,通常用于深紫外曝光的光刻胶在 X射线波段灵敏度非常低,曝光效率通常会下降12个数量级。针对特定波长的X 射线,可以通过在光刻胶合成时掺入特定杂质来大幅提高灵敏度。此外,可以使用电子束光刻胶作为X 射线光刻
17、胶。8.2 8.2 光刻工光刻工艺118.三、超紫外光曝光 超紫外光曝光(EUV)是很有希望的下一代曝光技术。超紫外光波长1014 nm,在不降低产出率情况下,最小线宽可达30nm(以PMMA为光刻胶)。但曝光系统制造难度很大,且光刻工艺需在真空中进行。EUV 曝光系统示意8.2 8.2 光刻工光刻工艺119.激光产生的等离子体或是同步辐射(synchrotron radiation)可提供波长为10nm14nm的极远紫外光光源给EUV系统。EUV的曝光是利用掩模版的反射,而掩模版图案做在吸收膜上,此吸收膜则淀积在多层覆盖的平硅衬底或玻璃衬底做成的掩模版空片(mask blank)上。EUV反
18、射光是由掩模版上的非图案区(无吸收层区),通过四倍的微缩照相将图案转移至晶片上的薄光刻胶层。EUV图形曝光已经证实可利用波长为13nm的光源,在PMMA光刻胶上制作出50nm的图案。然而,制造EUV曝光系统将面临几项挑战,因为所有的材料对EUV光都有强的吸收能力,所以曝光过程必须在真空下进行。照相机必须使用反射透镜器件,而这些镜子必须覆盖多层的覆盖层,如此才可以产生四分之一波长的布喇格反射分布。8.2 8.2 光刻工光刻工艺另外,掩模版空片必须要覆盖多层膜,以便在波长为10nm14nm得到最大的反射率。120.四、离子束曝光 像电子束一样,当具有一定能量的离子束照射光刻胶时,可使光刻胶的溶解特
19、性发生变化,它本质上是离子注入技术的另一种应用。注入光刻胶中的离子通过弹性和非弹性碰撞,使光刻胶分子量或结构发生变化,从而导致溶解特性发生变化。由于离子的质量较大,散射作用比电子弱,几乎不存在邻近效应,因此离子束曝光比光学、X 射线或电子束曝光技术具有更高的分辨率。离子束曝光的另一个特点是,许多光刻胶(如PMMA)对离子比对电子更为灵敏,因此可缩短曝光时间。离子束曝光系统有两种:扫描聚焦束系统和掩模束系统。前者类似电子束的装置,离子源来源于 Ga+或 H+。后者类似于5倍微缩光学分步重复投影系统,通过图形掩模将100eV 的氢离子进行投影。离子束曝光的主要问题是对掩模版要求高。为提高分辨率,掩
20、模衬底材料要尽量薄(0.1m),制备难度很大。8.2 8.2 光刻工光刻工艺121.离子束曝光比光学、X射线与电子束图形曝光技术有更高的分辨率,因为离子有较高的质量而且比电子有较小的散射。它最主要的应用为修补光学图形曝光用的掩模版,因此市面上有专门针对此用途而设计的系统问世。8.2 8.2 光刻工光刻工艺122.下图为能量60keV的50个氢离子注入PMMA及不同衬底中的电脑模拟轨迹。在深度为0.4m时,所有离子散开的范围为0.1m请与电子束情况作比较。在硅衬底中,背散射几乎完全消失,只有以金为衬底时有少量的背散射。然而,离子束图形曝光可能遭受到随机(或离散)空间电荷的影响而使离子束变宽。8.
21、2 8.2 光刻工光刻工艺123.不同光刻技术比较先前讨论的图形曝光方法,都有100nm的或更好分辨率。每种都有其限制:光学法的衍射现象、电子束的邻近效应、X射线的掩模版制作复杂、EUV的掩模版空片的制作困难、离子束的随机空间电荷效应。对于IC的制造,多层掩模版是必需的,然而,所有的掩模版层并不需要都用相同的图形曝光方法。采用混合与配合的方法,可利用每一种图形曝光工艺的优点来改善分辨率与提供产率。根据半导体工业协会的设想,IC制作技术将在2010年时会达到50nm。对于每一代新技术,由于要求更小的特征尺寸与更严格的套准容差,图形曝光技术更成为推动半导体工业的关键性技术。8.2 8.2 光刻工光
22、刻工艺124.微电子工业之所以能够持续发展,是因为可以将越来越小的图形转移到衬底上的技术一直在不断提高。目前,主要的光刻设备仍是光学曝光系统。限制光学曝光分辨率的主要因素是衍射。由于准分子激光器、光刻胶化学、分辨率增强技术(如 PSM、OAI 和 OPC)和高数值孔径技术的发展,光学曝光在100nm 线宽以下仍是主流技术。电子束曝光是纳米工艺中制作掩模和探索新器件的较好技术选择。其他的曝光技术有超紫外光(EUV)、X 射线和离子束曝光等。虽然各种方法都具有 100 nm 或更高的分辨率,但每种方法都有自己的局限。目前还没有一种方法可以明显地取代光学曝光,但是混合匹配法可以利用每一种曝光方法的优
23、点来提高分辨率,同时使产出率达到最大。8.2 8.2 光刻工光刻工艺125.各种曝光系统的比较光学电子束超紫外光X射线离子束曝光机源激光灯丝激光等离子体同步加速器离子束衍射限制有没有有有没有曝光法折射折射折射直接光照全区折射分布扫描是是是是步进最高分辨率(m)0.10 R(110)R(111)。(100)、(110)与(111)的腐蚀速率比为100:16:1。一些刻蚀剂,如联氨(H2N-NH2)、乙二胺-邻苯二酚 -水三元混合液(EPW,H2N(CH2)2NH2-C6H4(OH)2-H2O)、氢氧化钾(KOH)和四甲基氢氧化铵水溶液(TMAH,(CH3)4NOH)等,可以对单晶硅进行各向异性刻
24、蚀。这种湿法刻蚀方法在MEMS器件制备上应用较多。8.3 8.3 刻刻蚀工工艺135.利用二氧化硅当掩蔽层,对晶向(oriented)的硅做各向异性腐蚀,会产生清晰的V型沟槽,沟槽的边缘为(111)晶面,且与(100)的表面有54.7o的夹角,如图(a)左边的图。如果打开的图案窗足够大或是腐蚀时间足够短,则会形成一个U型的沟槽,如图(a)右边的图。如果使用的是晶向的硅,实际上会在沟槽的边缘得到两个垂直的面,这两个面为(111)的晶面,如图(b)所示。我们可以用大的各向异性腐蚀速率来制作亚微米线宽的器件结构。8.3 8.3 刻刻蚀工工艺136.如果打开的图案窗足够大或是腐蚀时间足够短,则会形成一
25、个U型的沟槽,底部面积的宽度为:或8.3 8.3 刻刻蚀工工艺137.(100)晶向硅片刻蚀后的SEM照片8.3 8.3 刻刻蚀工工艺138.如果使用的是 晶向的硅,实际上会在沟槽的边缘得到两个垂直的面,这两个面为(111)的晶面。8.3 8.3 刻刻蚀工工艺139.二、二、二氧化硅的刻二氧化硅的刻蚀 二氧化硅的湿法刻蚀通常采用添加或不添加氟化铵(NH4F)的氢氟酸(HF)稀释溶液,化学反应式为:在HF中加入 NH4F 可以控制溶液的 pH 值,并且补充氟离子在反应过程中的损耗,保持稳定的刻蚀速率:加入氟化铵的氢氟酸溶液称为氢氟酸缓冲溶液(BHF:buffered HF solution)或氧
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