低速排风会 导致显影模块中雾状显影液的剩余,剩余的显影液会落在硅 片上与光刻胶发生反应。 显影后检查 ? 显影后检查的目的:为了查找光刻胶中形成图形的缺陷。 ? 显影后检查出现有问题的硅片有两种处理方法: ? ? 1 如果由先前操作造成的硅片问题无法接受,那么硅 片就报废; 2 如果问题与光刻胶中图形的质量有关,那么硅片就 需要返工; 刻工艺的过程称为硅片返工。 ? 硅片返工:将硅片表面的光刻胶剥离,然后重新进行光学光 显影检查的返工流程 UV光 HMDS 光刻胶 掩膜版 1. 气相成底膜 2. 旋转涂胶 3. 软烘 4. 对准和曝光 5. 曝光后烘焙 O2 不合格硅片 等离子体 去胶清洗 返工 离子注入 8. 显影后检查 7. 坚膜烘焙 6. 显影 合格硅片 刻蚀 坚膜 烘焙 ? 显影后的热烘叫做坚膜烘焙,目的是蒸发掉剩余的溶 剂使光刻胶变硬,提高光刻胶对硅片表面的粘附性. 这一步是稳固光刻胶,对下面的刻蚀和离子注入过程 非常关键。 ? 坚膜烘焙通常在硅片轨道系统的热板上或生产线的炉 子中进行。充分加热后,光刻胶变软并发生流动。较 高的坚膜温度会引起光刻胶轻微流动,从而造成光刻 图形变形。 ? 正胶的坚膜烘焙温度约为120度到140度,这比软烘的 温度要高,但也不能太高,否则光刻胶就会流动从而破 坏图形。 高温下变软的光刻胶流动 光刻胶 刻蚀 刻蚀的定义:用化学或物理的方法有选择地从硅片表面去除不 需要的材料的过程。 刻蚀的目的:在涂胶的硅片上正确地复制掩膜图形。有图形的 光刻胶层在刻蚀中不受到腐蚀源显著的侵蚀,这层掩蔽膜用来 在刻蚀中保护硅片上的特殊区域而选择性地刻蚀掉未被光刻胶 保护的区域。 。 ? 刻蚀的两种工艺:干法刻蚀和湿法刻蚀。 ? 干法刻蚀:把硅片表面曝露于气态中产生的等离子体,等离 子体通过光刻胶中开出的窗口,于硅片发生物理或化学反应 (或这两种反应),从而去掉曝露的表面材料。它是亚微米 尺寸下刻蚀器件的最主要方法。 ? 湿法刻蚀:用液体化学剂(如酸,碱和溶剂等)以化学方式 去除硅片表面的材料。湿法刻蚀一般只用于尺寸较大的情况 下。 ? 干法刻蚀按刻蚀材料可分为三类: ? 介质刻蚀:接触孔和通孔结构的制作需要刻蚀介质,从而在 ILD中。刻蚀出窗口,而具有高深宽比的窗口刻蚀具有一定 的挑战性 栅和硅槽电容。 连线。 ? 硅刻蚀:应用于需要去除掉硅的场合,如刻蚀多晶硅晶体管 ? 金属刻蚀:主要是在金属层上去掉铝合金复合层,制作出互 ? 干法刻蚀的主要缺点: 对下层材料的差的刻蚀选择比,等离子体带来的器件损 伤和昂贵的设备。 干法刻蚀与湿法腐蚀相比的优点 1. 刻蚀剖面是各向异性,具有非常好的侧壁剖面 控制 2. 好的 CD 控制 3. 最小的光刻胶脱落或粘附问题 4. 好的片内,片间,批次间的刻蚀均匀性 5. 较低的化学制品使用和处理费用 刻蚀作用 干法刻蚀系统中,刻蚀作用是通过化学作用或物理作用, 或者化学和物理共同作用来实现,刻蚀类型的优点取决于 刻蚀工艺的目的。 物理刻蚀 溅射的表面材料 反应正离子轰 击表面 副产物的解吸 附 原子团和表面膜的表面 反应 化学刻蚀 各向异性刻蚀 各向同性刻蚀 多晶硅的刻蚀 ? 1. 2. 3. 刻蚀多晶硅通常是一个三步工艺流程: 第一步是预刻蚀,用于去除自然氧化层,硬的掩蔽层和表 面 污染物来获得均匀的刻蚀(这减少了刻蚀中作为微掩 蔽层的污染物带来的表面缺陷)。 结下来的是刻至终点的主刻蚀。这一步用来刻蚀掉大部分 的多晶硅,并不损伤栅氧化层和获得理想的各向异性的侧 壁剖面。 最后一步是过刻蚀,用于去除刻蚀残留物和剩余多晶硅, 并保证对栅氧化层的高选择比。这一步应避免在多晶硅周 围的栅氧化层形成微槽(小槽形成) 在多晶硅栅刻蚀中不期望的微槽 离子 栅氧化硅中的沟槽 光刻胶 多晶硅 栅氧化层 衬底 单晶硅的刻蚀 ? 单晶硅刻蚀主要用于制作沟槽,如器件隔离沟槽或高密度的 DRAM IC中的垂直电容制作。 ? 硅槽的刻蚀:在集成电路中硅槽要求对每一个沟槽都进行精 确控制。 硅槽的刻蚀 金属的干法刻蚀 金属的刻蚀要求主要有以下几点: 高刻蚀速率; 对下面层的高选择比,对掩蔽层和层间介质层; 高的均匀性,且CD控制很好,没有微负载效应; 没有等离子体诱导充电带来的器件损伤; 残留物污染少; 快速去胶; 不会腐蚀金属; 铝和金属的复合层:通常用氯基气体来刻蚀铝。 ? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Photoresist mask Metal etch ILD-1 LI Oxide TiN Al + Cu (1%) Ti n-well p- Epitaxial layer p+ Silicon substrate p-well 湿法腐蚀 湿法腐蚀的种类: 1、湿法腐蚀氧化硅:氧化硅用氢氟酸(HF)来湿法腐蚀。常 用被氟化铵缓冲的稀氢氟酸喷射或浸泡硅片来有选择地去 除氧化硅。氧化硅的腐蚀速率与它是热氧化硅还是淀积的 氧化硅有关,因为干氧比湿氧致密,干氧的腐蚀速率慢. 2、湿法化学剥离:由于湿法腐蚀的高选择比特性,湿法化学 剥离有时用于去除包括光刻胶和掩蔽层的表面层材料。 刻蚀检查 ? 刻蚀工艺的最后一步是进行刻蚀检查以确保刻蚀质量。这种 检查是在有图形的硅片上刻蚀和去胶全部完成后进行的,传 统上是用白光或紫外光手动显微镜来检查缺陷,如检查污点 和大的颗粒沾污。 刻蚀参数 ? 刻蚀速率 ? 刻蚀剖面 ? 刻蚀偏差 ? 选择比 ? 均匀性 ? 残留物 ? 聚合物 ? 等离子体诱导损伤 ? 颗粒沾污和缺陷 刻蚀速率 刻蚀速率:指在刻蚀过程中去掉硅片表面材料的速度,通常用 ?∕min表示。刻蚀窗口的深度称为台阶高度。为了高的产量, 希望有高的刻蚀速率。 刻蚀速率用下式来计算: 刻蚀速率=ΔT/t (? ∕min) 其中, ΔT=去掉的材料厚度(?或μm) t=刻蚀所用的时间(分) 负载效应:刻蚀速率通常正比于刻蚀浓度。要刻蚀硅片表面的 大面区域,则会耗尽刻蚀剂浓度使刻蚀速率慢下来,如果刻蚀 的面积比较小,责则刻蚀会快些,这被称为负载效应。 刻蚀速率 ?T =刻蚀掉的厚度 ?T t =刻蚀时间 刻蚀开始 刻蚀结束 刻蚀剖面 刻蚀剖面的定义:指的是被刻蚀图形的侧壁形状。 两种基本的刻蚀剖面:各向同性和各向异性刻蚀剖面。 各向同性刻蚀剖面:在所有方向上(横向和垂直方向)以 相同的刻蚀速率进行刻蚀,导致被刻蚀材料在掩膜下面产 生钻蚀而形成,这带来不希望的线宽损失,湿法刻蚀在本 质上是各向同性的。 各向异性刻蚀剖面:对于亚微米尺寸的图形来说,希望刻 蚀剖面是各向异性的。即刻蚀只在垂直于硅片表面的方向 进行,只有很少的横向刻蚀。这种垂直的侧壁使得在芯片 上可制作高密度的刻蚀图形。各向异性刻蚀大部分是通过 干法等离子体刻蚀来实现的。 各向同性刻蚀是在各个方向上以同样的速 率进行刻蚀 胶 膜 衬底 各向异性刻蚀是仅在一个方向刻蚀 胶 膜 衬底 刻蚀偏差 刻蚀偏差:是指刻蚀以后线宽或关键尺寸间距的变化。它通常是由于横向 钻蚀引起的。当刻蚀中要去除掩膜下过量的材料时,会引起被刻蚀材料的 上表面向光刻胶边缘凹进去,这样就会产生横向钻蚀。计算刻蚀偏差的公 式如下: 刻蚀偏差= Wb-Wa 其中, Wb=刻蚀前光刻胶的线宽 Wa=光刻胶去掉后被刻蚀材料的线宽 Wb 偏差 Wa 光刻 胶 偏差 光刻胶 膜 膜 衬底 衬底 刻蚀中的横向钻蚀和倾斜 钻蚀 光刻胶 过刻 膜 衬底 图 16.7 选择比 选择比:在同一刻蚀条件下一种材料与另一种材料相比刻蚀速 率快多少。它定义为被刻蚀材料的刻蚀速率与另一种材料的刻 蚀速率的比,高选择比意味着只刻除想要刻去的那一层材料。 一个高选择比的刻蚀工艺不刻蚀下一层材料(刻蚀到恰当的深 度时停止)并且保护的光刻胶也未被刻蚀。高选择比在最先进 的工艺中为了确保关键尺寸和剖面控制是必需的,特别是关键 尺寸越小,选择比要求越高。 对于被刻蚀材料和掩蔽层材料(例如光刻胶)的选择比可以通 Er 过下式计算: S= Ef Er Ef 氮化硅 氧化硅 均匀性:是一种衡量刻蚀工艺在整个硅片上或整个一批,或 批与批之间能力的 参数。均匀性与选择比有密切的关系,因 为非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。保持硅片的均匀性是 保证制造性能一致的关键。难点在于刻蚀工艺必须在刻蚀具 有不同图形密度的硅片上保持均匀性。 残留物:刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材料。 它常常覆盖在腔体内壁或被刻蚀图形的底部、为了除去刻蚀 残留物,有时在刻蚀完成后会进行过刻蚀。在一些情况下, 刻蚀残留物可以在去除光刻胶的过程中或用湿法化学腐蚀去 掉。 ? 聚合物:聚合物的形成有事是故意的,是为了在刻蚀图形的 侧壁上形成抗腐蚀膜从而防止横向刻蚀,这样做能形成高的 各向异性图形,因为聚合物能阻挡对侧壁的刻蚀,增强刻蚀 的方向性,从而实现对图形关键尺寸的良好控制。 ? 等离子体诱导损伤:包含带能离子,电子和激发分子的等离 子体可引起对硅片上的敏感器件引起等离子体诱导损伤。等 离子体损伤有时可以通过退火或湿法化学腐蚀消除。 ? 颗粒沾污:等离子体的损伤有时也由硅片表面附近的等离子 体产生的颗粒沾污而引起。颗粒沾污的控制可通过优化刻蚀 设备,合适的操作和关机,对被刻蚀的膜层选用合适的化学 气体。 聚合物侧壁钝化来提高各向异性 等离子体 光刻胶 氧化硅 硅 生产的聚合物