集成电路制造技术
第八章 光刻与刻蚀工艺
西安电子科技大学
微电子学院
戴显英
2013年9月
主要内容
光刻的重要性
光刻工艺流程
光源
光刻胶
分辨率
湿法刻蚀
干法刻蚀
第八章 光刻与刻蚀工艺
IC制造中最重要的工艺：①决定着芯片的最小特征尺寸
②占芯片制造时间的40-50%③占制造成本的30%
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；
第八章 光刻与刻蚀工艺
特征尺寸与栅长的摩尔定律
与特征尺寸相应的光源
第八章 光刻与刻蚀工艺
接触式与投影式光刻机
掩模版
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。
掩膜版尺寸：
①接触式接近式和投影式曝光机：1∶1
②分步重复投影光刻机（Stepper）：4∶1；5∶1；
10∶1
Clean Room净化间
洁净等级：尘埃数/m3；
（尘埃尺寸为μm）
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μm）
10级：≤350，光刻、制版；
1级：≤ 35，光刻、制版；
光刻工艺的基本步骤
• 涂胶 Photoresist coating
• 曝光 Exposure
• 显影 Development
光刻工艺
Photolithography Process
光刻工艺的主要步骤
涂胶
前烘
曝光
后烘
显影
坚膜
1)清洗硅片
Wafer Clean
2)预烘和打底胶
Pre-bake and Primer Vapor
3、涂胶 Photoresist Coating
4、前烘 Soft Bake
光刻工艺流程
5、对准 Alignment
6、曝光 Exposure
7、后烘 Post Exposure Bake
8、显影 Development
光刻工艺流程
9、坚膜 Hard Bake
10、图形检测 Pattern Inspection
光刻工艺流程
光刻1－清洗
光刻2－预烘和打底膜
SiO2:亲水性；光刻胶：疏水性；
预烘：去除Si片水汽，增强光刻
胶与表面的黏附性；大约1000C；
打底膜：涂HMDS（六甲基乙硅氮
烷），去掉SiO2表面的-OH，增强
光刻胶与表面的黏附性。
RCA标准清洗
光刻工艺流程
光刻3－涂胶 Spin Coating
圆片放置在涂胶机的真空卡盘上
高速旋转
液态光刻胶滴在圆片中心
光刻胶以离心力向外扩展
均匀涂覆在圆片表面
EBR: Edge bead removal边缘修复
①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√
旋转涂胶 Spin Coating
光刻工艺流程
光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系
与涂胶旋转速率成反比
与光刻胶粘性成正比
光刻4－前烘Soft Bake
Baking Systems
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－感光剂反应（胶膜硬化），不易溶于显影液，导致显
影不干净。
光刻工艺流程
5-6、对准与曝光 Alignment and Exposure
Most critical process for IC fabrication
Most expensive tool (stepper) in an IC fab.
Determines the minimum feature size
Currently 45nm and pushing to 32 nm
接触式曝光机
接近式曝光机
投影式曝光机
步进式曝光机（Stepper）
1）对准和曝光设备
--光刻机
光刻工艺流程
接触式曝光示意图
步进-重复（Stepper）
曝光示意图
接近式曝光示意图
投影式曝光示意图
光学曝光、X射线曝光、电子束曝光
①光学曝光－紫外，深紫外
高压汞灯：紫外(UV），300－450nm；
i线365nm，h线405nm，g线436nm。
准分子激光：KrF：λ= 248nm；
ArF：λ= 193nm；
F2激光器： λ= 157nm。
高压汞灯紫外光谱
2）曝光光源：
光刻工艺流程
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（适于制备光刻版）
；
X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。
极短紫外光（EUV）：λ＝10—14nm
②下一代曝光方法
光刻工艺流程
商用X-ray光刻机
光刻7－曝光后烘焙（后烘，PEB）
烘焙温度高于光刻胶玻璃化转变温度（Tg）
光刻胶分子发生热运动
过曝光和欠曝光的光刻胶分子发生重分布
平衡驻波效应，平滑光刻胶侧墙，
目的：提高分辨率
光刻工艺流程
光刻胶中的驻波效应
光刻8－显影(Development)
显影液溶解掉光刻胶中软化部分（曝光的正胶或未曝光
的负胶）
从掩膜版转移图形到光刻胶上
三个基本步骤:显影、漂洗、干燥
光刻工艺流程
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。
光刻工艺流程
光刻8－显影(Development)
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；
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。
光刻工艺流程
光刻8－显影(Development)
正常显影
过显影
不完全显影
欠显影
显影后剖面
光刻8－显影(Development)
光刻工艺流程
光刻9－坚膜
（Hard Bake）
蒸发PR中所有有机溶剂
提高刻蚀和注入的抵抗力
提高光刻胶和表面的黏附性
坚膜温度: 100 到1300C
坚膜时间：1 到2 分钟
坚膜工艺：
烘箱、红外灯
坚膜不足：光刻胶不能充分聚合，黏附性变差，显影
时易浮胶、钻蚀。
过坚膜：光刻胶流动造成分辨率变差，易翘曲和剥落
若T>300℃：光刻胶分解，失去抗蚀能力。
坚膜控制
正常坚膜 过坚膜
光刻工艺流程
光刻10－图形检测（Pattern Inspection）
• 检查发现问题，剥去光刻胶，重新开始
– 光刻胶图形是暂时的
– 刻蚀和离子注入图形是永久的
• 光刻工艺是可以返工的， 刻蚀和注入以后就不能再返工
• 检测手段：SEM（扫描电子显微镜）、光学显微镜
问题：能否用光学显微镜检查μm尺寸的图形?
不能。因为特征尺寸 ( mm = 250nm) 小于可见光
的波长，可见光波长为390nm (紫光) to 750nm (红光)。
光刻工艺流程
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线条间隔也是L），则分辨率R为
R＝1/(2L) (mm-1)
1.影响R的主要因素：
①曝光系统（光刻机）：如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。
表1 影响光刻工艺效果的一些参数
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
分辨率
① 对光子：p=h/λ，故 。
物理含义：光的衍射限制了线宽≥ λ/2。
最高分辨率限制：
②对电子、离子：具有波粒二象性（德布罗意波），则
，
最细线宽：
a. E给定：m↑→ΔL↓→R↑，即R离子 > R电子
b. m给定：E↑→ΔL↓→R↑
分辨率
3.光衍射影响分辨率
衍射光
投射光
强度
偏离的折射
光
被凸镜收
集的衍射
光
波长越短，衍射越弱
光学凸镜能够收集衍射
光并增强图像
分辨率
1）数值孔径NA
（Numerical Aperture）
NA：表示凸镜收集衍射光的能力
NA = 2 r0 / D
– r0 : 凸镜的半径
– D ： 目标（掩膜）与凸镜的距离
NA越大，凸镜收集更多的衍射光，产生更尖锐的图形
可产生、可重复的最小特征尺寸
由曝光系统的光波长和数值孔径决定
分辨率表达式：R=K1λ/NA
K1 为系统常数, λ光波长, NA 数值孔径。
2）分辨率 R
Resolution
分辨率
提高NA
– 更大的凸镜, 可能很昂贵而不实际
– 减小DOF（焦深），会引起制造困难
减小光波长λ
– 开发新光源, PR和设备
– 波长减小的极限：UV到DUV, 到EUV, 到X-Ray
减小K1
– 相移掩膜（Phase shift mask）
3)提高分辨率的途径
分辨率
光刻胶-
Photoresist(PR)
光敏性材料：光照时发生
化学分解或聚合反应
临时性地涂覆在硅片表面
通过曝光转移设计图形到
光刻胶上
类似于照相机胶片上涂覆
的光敏材料
正性胶和负性胶
Negative
Photoresist
负性光刻胶
－负胶
Positive
Photoresist
正性光刻胶
－正胶
曝光后
不可溶解
曝光后
可溶解
显影时未曝
光的被溶解
显影时曝光
的被溶解
便宜 高分辨率
负胶Negative hotoresists：
Comparison of
Photoresists
光刻胶-Photoresist(PR)
正胶Positive Photoresists：
聚合反应：显影时光照部分不
溶解留下，未光照部分溶解；
分辨率低
分解反应：显影时光照部分被
溶解，未光照部分留下
分辨率高
正胶（重氮萘醌）的光分解机理
光刻胶-Photoresist(PR)
负胶（聚乙烯醇肉桂酸脂）的光聚合机理
光刻胶-Photoresist(PR)
1)聚合物材料
固体有机材料
光照下不发生化学反应
作用：保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性
2)感光材料
当被曝光时发生光化学反应而改变溶解性
正性光刻胶：由不溶变为可溶
负性光刻胶：由可溶变为不溶
光刻胶基本组成
光刻胶-Photoresist(PR)
3)溶剂
使光刻胶在涂到硅片表面之前保持液态
允许采用旋涂的方法获得薄层光刻胶薄膜
4)添加剂 不同的添加剂获得不同的工艺结果
增感剂：增大曝光范围；
染料：降低反射。
光刻胶基本组成
光刻胶-Photoresist(PR)
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
光刻胶光敏度S
光刻胶-Photoresist(PR)
光刻胶抗蚀能力
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。
负胶抗蚀能力大于正胶；
抗蚀性与分辨率的矛盾：分
辨率越高，抗蚀性越差；
1）紫外-汞灯
g-line（436 nm），– 常用在 μm光刻
i-line（365 nm），– 常用在 μm光刻
光源
KrF（248 nm）， μm, μm and
μm
ArF（193 nm）， < μm（目前32nm）
F2（157 nm），–应用< μm
2）深紫外DUV
--准分子激光器
3）下一代光刻
NGL(Next Generation
Lithography)
极紫外Extreme UV (EUV) lithography
波长：10-14nm
X射线X-Ray lithography
波长：1nm
电子束Electron beam (E-beam)
lithography
波长：
未来技术趋势
光源
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。
曝光方式
接触、接近、投影、步进重复
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）。
接近式曝光
曝光方式
利用光学系统，将光刻版的图形
投影在硅片上。
投影式曝光
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。
应用：3μm以下特征尺寸光刻。
曝光方式
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、10X；
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。
曝光方式
掩模版（光刻版）Mask
玻璃、石英。
要求：透光度高，热膨胀系数与掩膜材料匹配。
基版材料
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。
PSM：Phase-Shift Mask
作用：消除干涉，
提高分辨率；
原理：在Mask的透明图形
上增加一个透明的介质层
-移相器，使光通过后产
生1800的相位差。
移相掩模（PSM）
掩模版（光刻版）Mask
基本概念
刻蚀：从Si片表面去除不需要的材料，如Si、SiO2，
金属、光刻胶等
化学、物理过程或两者结合：湿法和干法
各向同性与各向异性：选择性或覆盖刻蚀
选择性刻蚀转移光刻胶上的IC设计图形到晶圆表面
其它应用: 制造掩膜, 印制电路板, 艺术品, 等等
刻蚀工艺Etch
1）栅掩膜对准 Gate Mask Alignment
2）栅掩膜曝光 Gate Mask Exposure
3）显影/坚膜/检查
Development/HardBake/Inspection
4）刻蚀多晶硅 Etch Polysilicon
刻蚀工艺举例
5）刻蚀多晶 Etch Polysilicon
6）光刻胶剥离 Strip Photoresist
7）离子注入 Ion Implantation
8）快速退火 RTA
刻蚀工艺举例
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及金属；
利用化学溶液溶解硅表面的材料
三个基本过程：刻蚀、漂洗、干燥
Si的湿法刻蚀
常用腐蚀剂
①HNO3-HF-H2O(HAC)混合液
Si+HNO3+HF→
H2[SiF6]+HNO2+H2O+H2
HNO3：强氧化剂；
HF：腐蚀SiO2；
HAC：抑制HNO3的分解；
②KOH-异丙醇
常用配方：
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
SiO2的湿法刻蚀
湿法刻蚀
Si3N4的湿法腐蚀
腐蚀液：热H3PO4，180℃；
被刻蚀材料 Si
3
N
4
SiO
2
Si
刻蚀速率
（nm/min）
10 1
热H3PO4刻蚀速率对比
湿法刻蚀
干法刻蚀：等离子体气体刻蚀（Plasma Etch）
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；
干法刻蚀
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。
等离子体刻蚀
干法刻蚀
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，Ar气；
溅射刻蚀原理
干法刻蚀
原理：同时利用了等离子刻蚀和溅射刻蚀机制(化学刻蚀和
物理刻蚀的结合)
刻蚀气体：活性等离子（化学反应）＋惰性等离子（轰击）
特点：刻蚀速率高且可控；刻蚀剖面各向异性且可控；
选择性好且可控
目前8-12英寸制造中所有图形都是由RIE刻蚀的
反应离子刻蚀
干法刻蚀
RIE试验
干法刻蚀
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↑
干法刻蚀
实际工艺：
①CF4中加入O2：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；
SiO2和Si的干法刻蚀
干法刻蚀
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
SiO2和Si的干法刻蚀
干法刻蚀
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10；
干法刻蚀
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
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）--各向同性；
氯化物（ Cl2、HCl）--各向异性，
选择性好（多晶硅/SiO2）。
干法刻蚀
铝及铝合金的干法腐蚀
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
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）
干法刻蚀
干法刻蚀和湿法刻蚀的比较
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；
