第八章 光刻与刻蚀工艺

主 讲：毛 维mwxidian@126.com

西安电子科技大学微电子学院

绪论 光刻：通过光化学反应，将光刻版（ mask ）上的图形 转移到光刻胶上。 刻蚀：通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到 Si 片上

光刻三要素： ①光刻机 ②光刻版（掩膜版） ③光刻胶 ULSI 对光刻的要求： 高分辨率；高灵敏的光刻胶； 低缺陷；精密的套刻对准；

绪论

光刻胶三维图案

线宽 间隙

厚度

衬底

光刻胶

绪论

集成电路芯片的显微照片

绪论

接触型光刻机

步进型光刻机

绪论 掩膜版与投影掩膜版

投影掩膜版（ reticle ）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。

光掩膜版（ photomask ）常被称为掩膜版 (mask) ，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。

绪论 掩膜版的质量要求： 若每块掩膜版上图形成品率＝ 90 ％，则6 块光刻版，其管芯图形成品率＝（ 90 ％） 6＝ 53 ％；10 块光刻版，其管芯图形成品率＝（ 90 ％） 10 ＝ 35 ％；15 块光刻版，其管芯图形成品率＝（ 90 ％） 15 ＝ 21 ％；最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。

绪论 特征尺寸（关键尺寸）

关键尺寸常用做描述器件工艺技术的节点或称为某一代。 0.25μm 以下工艺技术的节点是 0.18μm 、 0.15μm 、 0.1μm 等。

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。而大的套准容差会减小电路密度， 即限制了器件的特征尺寸，从而降低 IC 性能。

绪论 Clean Room

洁净等级：尘埃数 /m3；（尘埃尺寸为 0.5μm ） 10 万级：≤ 350 万，单晶制备； 1 万级：≤ 35 万，封装、测试； 1000 级：≤ 35000 ，扩散、 CVD ； 100 级：≤ 3500 ，光刻、制版； 深亚微米器件（尘埃尺寸为 0.1μm ） 10 级：≤ 350 ，光刻、制版； 1 级：≤ 35 ，光刻、制版；

8.1 光刻工艺流程 主要步骤： 涂胶、前烘、曝光、显影、 坚膜、刻蚀、去胶。 两种基本工艺类型： 负性光刻和正性光刻。

n-Si

SiO2

光刻胶

光照

掩膜版

负性光刻

n-Si

SiO2

光刻胶掩膜版

光照

不透光

n-Si

SiO2

SiO2 腐蚀液

光刻胶

n-Si

光刻胶

n-Si

紫外光 紫外光

岛状

曝光区域变成交互链结，可抗显影液之化学物质。

光刻胶显影后的图案

窗口

光阻曝光区域

光刻胶上的影子

玻璃掩膜版上的铬图案

硅基板硅基板

光刻胶光刻胶氧化层氧化层

光刻胶光刻胶

氧化层氧化层硅基板硅基板

负性光刻

n-Si

SiO2

光刻胶

光照

掩膜版

正性光刻

n-Si

SiO2

光刻胶掩膜版

光照

不透光

n-Si

SiO2

SiO2 腐蚀液

光刻胶

n-Si

光刻胶

n-Si

正性光刻

photoresist

silicon substrateoxide oxide

silicon substrate

photoresist

紫外光 紫外光

岛状

曝光的区域溶解去除

光刻显影后呈现的图案

光刻胶上阴影

光刻胶曝光区域

光刻掩膜版之铬岛

窗口

硅基板硅基板光刻胶光刻胶

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的光刻胶结构图案

窗口

基板

光刻胶岛

石英铬岛

负光刻胶用所需的光刻图案 ( 与所要的图案相反 )

正光刻胶用所需的光刻图案 ( 与所要的图案相同 )

8.1 光刻工艺流程

PMOSFET NMOSFET

CMOS 反相器之横截面

CMOS 反相器之上视图

光刻层决定后续制程的精确性。

光刻图案使各层有适当的位置、方向及结构大小，以利于蚀刻及离子植入。

8.1 光刻工艺流程8.1.1 涂胶1. 涂胶前的 Si 片处理 ( 以在 SiO2表面光刻为例 ) SiO2:亲水性；光刻胶：疏水性；①脱水烘焙 : 去除水分②HMDS ：增强附着力 HMDS ：六甲基乙硅氮烷—— (CH3)6Si2NH 作用：去掉 SiO2表面的 -OH

HMDS 热板脱水烘焙和气相成底膜

8.1 光刻工艺流程8.1.1 涂胶2. 涂胶①对涂胶的要求：粘附良好，均匀，薄厚适当 胶膜太薄－针孔多，抗蚀性差； 胶膜太厚－分辨率低（分辨率是膜厚的 5－ 8倍）②涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂√

8.1 光刻工艺流程8.1.2 前烘①作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥； 增加胶膜与 SiO2 （ Al 膜等）的粘附性及耐磨性。②影响因素：温度，时间。 烘焙不足（温度太低或时间太短）——显影时易浮胶， 图形易变形。

烘焙时间过长——增感剂挥发，导致曝光时间增长， 甚至显不出图形。 烘焙温度过高——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

显影液，导致显影不干净。

在真空热板上软烘

8.1 光刻工艺流程8.1.3 曝光： 光学曝光、 X射线曝光、电子束曝光①光学曝光－紫外，深紫外ⅰ ）光源： 高压汞灯：产生紫外 (UV ）光， 光谱范围为 350 ~ 450nm 。 准分子激光器：产生深紫外 (DUV ）光， 光谱范围为 180n

m～ 330nm 。 KrF ： λ= 248nm ； ArF ： λ= 193nm ； F2： λ= 157nm 。

8.1 光刻工艺流程ⅱ ）曝光方式 a. 接触式：硅片与光刻版紧密接触。 b. 接近式：硅片与光刻版保持 5-50μm 间距。 c. 投影式：利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上

8.1 光刻工艺流程②电子束曝光： λ ＝几十 ~100Å ； 优点： 分辨率高； 不需光刻版（直写式）； 缺点：产量低；

③X射线曝光 λ ＝ 2 ~ 40Å ，软 X射线； X射线曝光的特点：分辨率高，产量大。

8.1 光刻工艺流程8.1.4 显影①作用：将未感光的负胶或感光的正胶溶解去除，显现 出所需的图形。 ②显影液：专用 正胶显影液：含水的碱性显影液，如KOH 、 TMAH (四甲基氢氧化胺水溶液 ) ，等。 负胶显影液：有机溶剂，如丙酮、甲苯等。 例， KPR （负胶）的显影液：

丁酮－最理想； 甲苯－图形清晰度稍差；

三氯乙烯－毒性大。

8.1 光刻工艺流程③影响显影效果的主要因素： ⅰ）曝光时间； ⅱ）前烘的温度与时间； ⅲ）胶膜的厚度； ⅳ）显影液的浓度； ⅴ）显影液的温度； ④显影时间适当 t太短：可能留下光刻胶薄层→阻挡腐蚀 SiO2(金属）

→氧化层“小岛”。 t太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶 →图形边缘破坏。

8.1 光刻工艺流程8.1.5 坚膜①作用：使软化、膨胀的胶膜与硅片粘附更牢； 增加胶膜的抗蚀能力。②方法ⅰ）恒温烘箱： 180－ 200℃， 30min ；ⅱ）红外灯：照射 10min ，距离 6cm 。③温度与时间ⅰ）坚膜不足：腐蚀时易浮胶，易侧蚀；ⅱ）坚膜过度：胶膜热膨胀→翘曲、剥落 →腐蚀时易浮胶或钻蚀。

若 T>300℃：光刻胶分解，失去抗蚀能力。

8.1 光刻工艺流程8.1.6 腐蚀（刻蚀）①对腐蚀液（气体）的要求： 既能腐蚀掉裸露的 SiO2（金属），又不损伤光刻胶。②腐蚀的方法ⅰ)湿法腐蚀：腐蚀剂是化学溶液。 特点：各向同性腐蚀。ⅱ)干法腐蚀：腐蚀剂是活性气体，如等离子体。 特点：分辨率高；各向异性强。8.1.7 去胶①湿法去胶 无机溶液去胶： H2SO4（负胶）； 有机溶液去胶：丙酮（正胶）；②干法去胶： O2等离子体；

8.2 分辨率 分辨率 R—— 表征光刻精度 光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。

表示方法：每 mm 最多可容纳的线条数。 若可分辨的最小线宽为 L （线条间隔也 L ），

则 R ＝ 1/(2L) (mm-1)1. 影响 R 的主要因素：①曝光系统（光刻机）： X射线（电子束）的 R 高于紫外光。②光刻胶：正胶的 R 高于负胶；③其他：掩模版、衬底、显影、工艺、操作者等。

8.2 分辨率2. 衍射对 R 的限制 设一任意粒子（光子、电子），根据不确定关系，有 ΔLΔp≥h 粒子束动量的最大变化为 Δp=2p ，相应地

若 ΔL 为线宽，即为最细线宽，则 最高分辨率

p

hL

2

h

p

LR

2

1max

)(1 1

max mmR

2

L ① 对光子： p=h/λ ，故 。

上式物理含义：光的衍射限制了线宽≥ λ/2 。 最高分辨率： ②对电子、离子：具有波粒二象性（德布罗意波），则 ，

最细线宽： 结论： a. E给定： m↑→ΔL↓→R↑ ，即 R 离子 > R 电子

b. m给定： E↑→ΔL↓→R↑

2

2

1mVE mVp mE

h2

mE

h

2

mE

hL

22

h

p

LR

2

1max

8.3 光刻胶的基本属性1. 类型：正胶和负胶①正胶：显影时，感光部分 溶解，未感光部分 不溶解；②负胶：显影时，感光部分 不溶解，不感光部 分溶解。

8.3 光刻胶的基本属性2. 组份：基体（树脂）材料、感光材料、溶剂；例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（负胶）①基体、感光剂－聚乙烯醇肉桂酸脂 浓度： 5-10%

②溶剂－环己酮 浓度： 90－ 95 ％③增感剂－ 5-硝基苊 浓度： 0.5-1%

聚乙烯醇肉桂酸脂（ KPR ）的光聚合反应

8.3 光刻胶的基本属性8.3.1 对比度 γ 表征曝光量与光刻胶留膜率的关系； 以正胶为例 临界曝光量 D0：使胶膜开始溶解所需最小曝光量； 阈值曝光量 D100：使胶膜完全溶解所需最小曝光量；

8.3.1 对比度 γ 直线斜率（对比度）：

对正胶

对负胶 γ越大，光刻胶线条边缘越陡。

)/(log

1

)/(log

1

010010010 DDDD Cp

)/(log

1

)/(log

10

10100010igg

n DDDD

8.3 光刻胶的基本属性8.3.3 光敏度 S ——完成所需图形的最小曝光量； 表征： S=n/E ， E- 曝光量（ lx·s ，勒克斯 ·秒）； n- 比例系数； 光敏度 S 是光刻胶对光的敏感程度的表征； 正胶的 S 大于负胶8.3.4 抗蚀能力 表征光刻胶耐酸碱（或等离子体）腐蚀的程度。 对湿法腐蚀：抗蚀能力较强； 干法腐蚀：抗蚀能力较差。 正胶抗蚀能力大于负胶； 抗蚀性与分辨率的矛盾：分辨率越高，抗蚀性越差；

8.3 光刻胶的基本属性8.3.5 黏着力 表征光刻胶与衬底间粘附的牢固程度。 评价方法：光刻后的钻蚀程度，即钻蚀量越小，粘附性越好。

增强黏着力的方法：①涂胶前的脱水； ②HMDS ； ③提高坚膜的温度。

8.3.6 溶解度和黏滞度8.3.7 微粒数量和金属含量8.3.8 存储寿命

8.5 抗反射涂层工艺8.5.1 驻波效应 穿过光刻胶膜到达衬底表面，并在衬底表面被反射 又回到光刻胶中反射光波与光刻胶中的入射光波发生 干涉，形成驻波。 影响：导致曝光的线宽发生变化。8.5.2 底层抗反射涂层 (BARC) 作用：利用 反射光波的干涉，减弱驻波效。 制作： PVD法、 CVD法。

8.6 紫外光曝光 光源：紫外（ UV ）、深紫外（ DUV ）； 方法：接触式、接近式、投影式。 光谱能量

紫外（ UV ）光一直是形成光刻图形常用的能量源，并会在接下来的一段时间内继续沿用（包括 0.1μm 或者更小的工艺节点的器件制造中）。

大体上说，深紫外光 (DUV) 指的是波长在 300nm 以下的光。

8.6.1 水银弧光灯（高压汞灯）光源 波长： UV ， 350－ 450nm ， used for 0.5 ， 0.35μm ； g线： λ=436nm ， h线： λ=405nm ， i线： λ=365nm 。

对于光刻曝光的重要 UV 波长

UV 波长 (nm)

波长名 UV 发射源

436 G线 汞灯405 H线 汞灯365 I线 汞灯248 深紫外 (DUV) 汞灯或氟化氪 (krF) 准分子激

光193 深紫外 (DUV) 氟化氩 (ArF) 准分子激光157 真空紫外 (VU

V)氟 (F2) 准分子激光

部分电磁频谱可见光

射频波微波红外光射线 UVX射线

f (Hz) 1010101010101010 1010 4681012141622 1820

(m) 420-2-4-6-8-14 -10-12 1010101010101010 1010

365 436405248193157

gh iDUVDUVVUV

(nm)

在光学曝光中常用的 UV波长

8.6 紫外光曝光8.6.3 准分子激光 DUV 光源 准分子：只在激发态下存在，基态下分离成原子。 波长： DUV ， 180nm ~ 330nm 。 KrF-λ= 248nm ， for 0.25 ， 0.18μm ， 0.13μm ； ArF-λ= 193nm ， for < 0.13μm （ 90nm ， 65nm ）；

F2 - λ= 157nm ， for 100-70nm 。8.6.4 接近式曝光 硅片与光刻版保持 5 ~ 50μm 间距。 优点：光刻版寿命长。 缺点：光衍射效应严重 -- 分辨率低 （线宽 >3μm ）。

8.6.5 接触式曝光 硅片与光刻版紧密接触。 优点：光衍射效应小，分辨率高。 缺点：对准困难，掩膜图形易损伤，成品率低。8.6.6 投影式曝光 利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上。 优点：光刻版不受损伤，对准精度高。 缺点：光学系统复杂，对物镜成像要求高。 用于 3μm 以下光刻。

投影式曝光原理： 两像点能够被分辨的最小间隔： δy=1.22λf/D 引入数值孔径 NA 描述透镜性能： NA=nsinα=D/2f n— 透镜到硅片间的介质折射率； α— 像点张角 故 δy=0.61λ/NA 若 NA=0.4, λ=400nm, δy=0.61μm. 若 n增大， NA增大，则 δy 减小，即分辨率提高。 传统式： n=1(空气）， NA( 最大） =0.93 ， 最小分辨率 -52nm. 浸入式： n>1(水）， λ=193nm ， NA( 最大） =1.2 ， 最小分辨率 -40nm.

分步重复投影光刻机 --Stepper采用折射式光学系统和 4X~5X 的缩小透镜。 光刻版： 4X~5X ； 曝光场：一次曝光只有硅片的一部分； 采用了分步对准聚焦技术。

8.7 掩模版（光刻版）的制造8.7.1 基版材料：玻璃、石英。 要求：透光度高，热膨胀系数与掩膜材料匹配。

8.7.2 掩膜材料： ①金属版（ Cr 版）： Cr2O3抗反射层 /金属 Cr / Cr2O3基层

特点：针孔少，强度高，分辨率高。②乳胶版－卤化银乳胶 特点：分辨率低（ 2-3 μm ），易划伤。8.7.4 移相掩模（ PSM ） PSM ： Phase-Shift Mask 作用：消除干涉，提高分辨率； 原理：利用移相产生干涉，抵消图形边缘的光衍射效应。

8.8 X 射线曝光 曝光方法：接近式曝光。 X射线光源：通过高能电子束轰击一个金属靶产生。 （波长为 2～ 40 埃） 优点：小尺寸曝光。 缺点：存在图形的畸变 (半影畸变 δ 和几何畸变∆ ) 。

半影畸变 δ 几何畸变∆X射线曝光

8.9 电子束直写式曝光 曝光原理：电子与光刻胶碰撞作用，发生化学反应。 适用最小尺寸：≤ 0.1~0.25μm 电子束曝光的分辨率主要取决于电子散射的作用范围。 ( 缺点 ) 邻近效应——由于背散射使大面积的光刻胶层发生程度不 同的曝光，导致大面积

的图形模糊，造成曝 光图形出现畸变。 减小邻近效应的方法：减小入射电子束的能量，或采用低原子序 数的衬底与光刻

胶。 SCALPEL 技术： 采用原子序数低的 SiNX薄膜和原子序数高的 Cr/

W 制作的掩模版，产生散射式掩膜技术。 特点 : 结合了电子束曝光的高分 辨率和光学分步重复投影 曝光的高效率； 掩模版制备更加简单。

8.10 ULSI 对图形转移的要求8.10.1 图形转移的保真度 ( 腐蚀的各向异性的程度： )

式中： V1— 测向腐蚀速率； VV—纵向腐蚀速率； h— 腐蚀层的厚度； —图形测向展宽量。 若 A=1 ，表示图形转移过程产无失真；

若 A=0 ，表示图形失真严重 (各向同性腐蚀 )

8.10.2 选择比 两种不同材料在腐蚀的过程中被腐蚀的速率比。作用：描述图形转移中各层材料的相互影响

h

dmdf

V

VA

V 211 1

0 dmdf

hdmdf 2

0 dmdf

8.11 湿法刻蚀 特点：各相同性腐蚀。 优点：工艺简单，腐蚀选择性好。 缺点：钻蚀严重（各向异性差），难于获得精细图形。 （刻蚀 3μm 以上线条） 刻蚀的材料： Si 、 SiO2、 Si3N4；8.11.1 Si 的湿法刻蚀 常用腐蚀剂①HNO3-HF-H2O(HAC)混合液： HNO3：强氧化剂； HF ：腐蚀 SiO2； HAC ：抑制 HNO3的分解； Si+HNO3+HF→H2[SiF6]+HNO2+H2O+H2

②KOH-异丙醇

衬底

膜

胶

8.11.2 SiO2 的湿法腐蚀 常用配方 (KPR 胶）： HF: NH4F: H2O=3ml:6g:10ml

(HF 溶液浓度为 48 ％ )

HF ：腐蚀剂， SiO2+HF→H2[SiF6]+H2O

NH4F ：缓冲剂， NH4F→NH3↑+HF

8.11.3 Si3N4 的湿法腐蚀 腐蚀液：热 H3PO4(130~150 )℃ 。

8.12 干法腐蚀 优点： 各向异性腐蚀强； 分辨率高； 刻蚀 3μm 以下线条。 类型：①等离子体刻蚀：化学性刻蚀；②溅射刻蚀：纯物理刻蚀；③反应离子刻蚀（ RIE ）：结合① 、②；

ICP-98C 型高密度等离子体刻蚀机

SLR 730 负荷锁定 RIE 反应离子刻蚀系统

8.12.1 干法刻蚀的原理 ① 等离子体刻蚀原理 a.产生等离子体 : 刻蚀气体经辉光放电后，成为具有很强化学活性的离子及游离基 -- 等离子体。

CF4 RF CF3

*、 CF2*

、 CF* 、 F*

BCl3 RF BCl3* 、 BCl2

* 、 Cl*

b. 等离子体活性基团与被刻蚀材料发生化学反应。 特点：选择性好； 各向异性差。 刻蚀气体： CF4 、 BCl3、 CCl4、 CHCl3、 SF6等。

8.12.1 干法刻蚀的原理② 溅射刻蚀原理a. 形成能量很高的等离子体；b. 等离子体轰击被刻蚀的材料， 使其被撞原子飞溅出来，形成刻蚀。 特点：各向异性好；选择性差。 刻蚀气体：惰性气体；③ 反应离子刻蚀原理 同时利用了溅射刻蚀和等离子刻蚀机制； 特点：各向异性和选择性兼顾。 刻蚀气体：与等离子体刻蚀相同。

8.12.2 SiO2 和 Si 的干法刻蚀 刻蚀剂： CF4、 CHF3、 C2F6、 SF6、 C3F8 ； 等离子体： CF4 → CF3

*、 CF2*

、 CF* 、 F*

化学反应刻蚀： F*+Si→SiF4↑ F*+SiO2→ SiF4↑+O2↑ CF3

*+SiO2→ SiF4↑+CO↑+CO2↑

刻蚀总结：湿法刻蚀（刻蚀 3μm 以上线条） 优点：工艺简单，选择性好。 缺点：各向异性差，难于获得精细图形。干法腐蚀（刻蚀 3μm 以下线条） 优点：各向异性强；分辨率高。

实际工艺：①CF4中加入 O2

作用：调整选择比； 机理： CF4+O2→F*+O*+COF*+COF2+CO+CO2

（初期： F*比例增加；后期： O2比例增加） O2吸附在 Si 表面，影响 Si 刻蚀；②CF4中加 H2

作用：调整选择比； 机理： F*+H*(H2)→HF

CFX*(x≤3)+Si→SiF4+C(吸附在 Si 表面）

CFX*(x≤3)+SiO2→ SiF4+CO+CO2+COF2

8.12.3 Si3N4 的干法刻蚀 刻蚀剂：与刻蚀 Si 、 SiO2相同。 Si3N4＋ F*→ SiF4↑+N2↑ 刻蚀速率：刻蚀速率介于 SiO2与 Si 之间； （ Si-N 键强度介于 Si-O 键和 Si-Si 键）选择性： ①CF4： 刻蚀 Si3N4/SiO2 --选择性差； ②CHF3：刻蚀 Si3N4/SiO2 --选择性为 2-4 。 刻蚀 Si3N4/Si -- 选择性为 3-5 ； 刻蚀 SiO2/Si -- 选择性大于 1

0 ；

8.12.4 多晶硅与金属硅化物 的干法刻蚀

多晶硅 /金属硅化物结构： MOS 器件的栅极； 栅极尺寸：决定 MOSFET 性能的关键； 金属硅化物： WSi2、 TiSi2； 腐蚀要求： 各向异性和选择性都高 --干法腐蚀； 刻蚀剂： CF4、 SF6、 Cl2、 HCl ； 腐蚀硅化物： CF4+ WSi2→ WF4↑+SiF4↑+C

Cl2 + WSi2→ WCl4↑+SiCl4↑ 腐蚀 poly-Si ：氟化物（ CF4、 SF6） -- 为各向同性刻蚀； 氯化物（ Cl2、 HCl ） -- 为各向异

性刻蚀，选择 性好（对多晶硅 /SiO2）。

8.12.5 铝及铝合金的干法腐蚀 铝及铝合金的用途：栅电极、互连线、接触； 铝合金： Al-Si 、 Al-Au 、 Al-Cu ； 刻蚀方法： RIE 、等离子体； 刻蚀剂： BCl3、 CCl4、 CHCl3； Cl*+ Al → AlCl3↑

Cl*+ Al-Si → AlCl3↑+ SiCl4 ↑

Cl*+ Al-Cu → AlCl3↑+ CuCl2 （不挥发） 几个工艺问题：①Al2O3的去除：溅射、湿法腐蚀；②CuCl2的去除：湿法腐蚀、溅射；③刻蚀后的侵蚀： HCl+Al → AlCl3↑+H2