光刻与刻蚀工艺PPT资料.ppt
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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。
6.16.1概述概述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。
6.16.1概述概述图(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。
6.16.1概述概述在扩散扩散方法中,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向扩散或横向散开(lateralstraggle,又译横向游走)的关系,P型区域会比所开的窗户稍微宽些。
6.16.1概述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。
6.16.1概述概述图形转移(patterntransfer)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。
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(contactwindow)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。
6.16.1概述概述在集成电路制造中,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。
6.16.1概述概述光刻(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8.28.2光刻工艺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。
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。
8.28.2光刻工艺光刻工艺以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。
层次索引接触孔(14层)第一层金属(15层)有源区(3层)栅(10层)1m1m1.2m1.2m0.8-1.5m8.28.2光刻工艺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:
photoactivecompound)。
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。
8.28.2光刻工艺光刻工艺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。
8.28.2光刻工艺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(436nm)和i线(365nm)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8.28.2光刻工艺光刻工艺邻近效应邻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。
8.28.2光刻工艺光刻工艺8.28.2光刻工艺光刻工艺图(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射碰撞而从硅衬底反向行进进入PMMA光刻胶再离开。
8.28.2光刻工艺光刻工艺图(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,此现象称为邻近效邻近效应应。
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。
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8.28.2光刻工艺光刻工艺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。
8.28.2光刻工艺光刻工艺X射线曝光时,波长一般选择在0.24nm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、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(1-2m)。
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0.5m)。
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。
8.28.2光刻工艺光刻工艺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射线光刻胶。
8.28.2光刻工艺光刻工艺三、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1014nm,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8.28.2光刻工艺光刻工艺激光产生的等离子体或是同步辐射(synchrotronradiation)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
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