微电子工艺学
Microelectronic Processing 第六章 光刻与刻蚀工艺
张道礼 教授 Email: zhang-daoli@ Voice: 87542894
6.1 概述
微电子单项工艺
掺杂 薄膜制备 图形转移
扩散掺杂 离子注入掺杂 物理气相淀积 化学气相淀积
外延 光刻 刻蚀
6.1 概述
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。
正胶 ><
>< 断链
8.2 光刻工艺
负胶是一种含有感光剂的聚合物。曝光时，感光剂将吸收的光 能转变为化学能而引起链反应，聚合物分子间发生交联，形成不 溶于显影液的高分子交联聚合物。显影后，未感光部分的光刻胶 被去除。负胶的主要缺点是显影时吸收显影液溶剂而膨胀，限制 了其分辨率。
负胶
交联
8.2 光刻工艺
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。
8.2 光刻工艺
光刻（lithography）是以一种被称为光刻胶的光敏感聚
生曝光图形所允许的最大曝光
剂量。D100为感光区光刻胶在 显影液中完全可溶所需的最小
曝光剂量。可以看出，感光区
剩余膜厚随曝光剂量的增加逐
渐减小。对比度与该曲线外推
斜率的绝对值有关：

1
log10 (D100 / D0 )
光刻胶留膜率
曝光剂量
正胶光刻胶对度曲线
8.2 光刻工艺
在理想曝光过程中，辐照在光刻胶上的投影区域应该与掩模版 的透光区域完全相同，其它区域没有辐照投影。但在实际曝光过程 中，由于衍射和散射的影响，光刻胶所受辐照具有一定分布，因此 显影后剩余光刻胶层的侧面通常有一定斜坡。
8.2 光刻工艺
光刻胶的性能参数 a. 光学性质：如灵敏度、分辨率、对比度、折射率； b. 力学和化学性质 ：如固溶度、黏滞度、抗蚀性、热稳定性、流 动性和对环境气氛的敏感度； c. 其它性质：如纯度、金属含量、可使用范围、有效期和燃点； 一、分辨率
分辨率是指每毫米宽度内能够光刻出可分辨的最多线对数，它 是对光刻工艺可以达到的最小图形尺寸的一种描述。在线宽 L 与 线条间距相等的情况下，分辨率为：R 1 (mm1) ，光刻分辨率受
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。
数（MTF），它可以用来描述曝光图形的质量： MTF Imax Imin
6.1 概述
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
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。
侧墙的倾斜角度与光刻胶对比度和膜厚有关。光刻胶对比度越 高，剩余光刻胶层侧墙越陡。而光刻胶层侧墙陡度越大，线宽测量 的精确度越高。同时，侧墙陡峭的光刻胶层可以减小刻蚀过程中的 钻蚀效应，提高图形转移分辨率。
+
_
_
显影后的理想光刻胶剖面
8.2 光刻工艺
Imin
Imax
另一个可以从对比度中得到的光刻胶性能指标是调制传输函
在使用正胶曝光的过程中，要注意光刻胶与曝光源之间的匹配 关系。光刻胶与曝光波长之间的谐调非常重要，因为其它谱系的光 线（如黄光和绿光）对光刻胶也会产生一定曝光效果。一般要求非 曝光区对光波的吸收系数不能大于40％，否则将影响曝光图形。
8.2 光刻工艺
三、对比度 对比度是衡量光刻胶区分掩模版上亮区与暗区的能
1.2m 1.2m
1m 1m
0.8 - 1.5m
层次索引
接触孔（14层） 第一层金属（15层） 有源区（3层） 栅（10层）
8.2 光刻工艺
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 compound）。依其对光照的反应分成正性光刻胶 与负性光刻胶。
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。
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 的印模。
6.1 概述
在集成电路制造中，主要的光刻设备是利用紫外光(≈0.2～ 0.4m)的光学仪器。
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 光刻工艺
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。
6.1 概述
图 (a)为显影后的晶片。晶片再 次于120℃～180 ℃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。
8.2 光刻工艺
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。
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。
光学曝光
遮蔽式曝光 投影式曝光
曝光方式
非光学曝光
电子束曝光 X 射线曝光 超紫外光曝光
离子束曝光
8.2 光刻工艺
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％。
当曝光剂量达到 D100 以 上时，感光区剩余膜厚最终达 到初始时负胶的厚度。因此， 负胶的对比度取决于曲线的曝 光剂量取对数坐标之后得到的 斜率。
光刻胶留膜率
曝光剂量
负胶光刻胶对比度曲线
8.2 光刻工艺
正胶的感光区剩余膜厚与
曝光剂量的关系如右图所示。
D0为感光区光刻胶在显影液中 完全不溶，即在光刻胶上不产
6.1 概述
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)。将晶片从旋转机 拿下之后[图 (c)]，在80C～100C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。
2L
光刻系统、光刻胶和光刻等多方面因素影响。
8.2 光刻工艺
二、灵敏度
光刻胶的灵敏度是指完成光刻所需最小曝光剂量（光能量， mJ/cm2）。对于光化学反应，灵敏度是由曝光效率决定的，而曝 光效率可以定义为参与曝光的光子能量与进入光刻胶的光子能量的 比值。通常正胶比负胶有更高的曝光效率，因此正胶的灵敏度比较 大。对于一个给定的曝光强度，灵敏度大的光刻胶曝光时间较短， 且曝光效果较好。但如果灵敏度过大，光刻胶在室温下就可能发生 热分解，使其储存有效期缩短。