光刻与刻蚀工艺.ppt

微电子工艺学MicroelectronicProcessing第六章光刻与刻蚀工艺 张道礼教授Email zhang daoli Voice 87542894 6 1概述 基本工艺步骤 平面工艺技术已广泛应用于现今的集成电路 IC 工艺 显示平面工艺的几个主要步骤包含氧化 oxidation 光刻 1ithography 离子注入 ionimplant 和金属化 metallization 6 1概述 氧化 高品质SiO2的成功开发 是推动硅 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 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 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 6 1概述 在扩散方法中 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 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 6 1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 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 4 m 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 1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 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 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 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 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 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 2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 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 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 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 8 2光刻工艺 下图 a 为典型的曝光反应曲线与正胶的影像截面图 反应曲线描述在曝光与显影过程后 残存刻胶的百分率与曝光能量间的关系 值得注意的是 即使未被曝光 少量刻胶也会溶于显影液中 图 a 的截面图说明了掩模版图形边缘与曝光后光刻胶图形边缘的关系 由于衍射 光刻胶图形边缘一般并不位于掩模版边缘垂直投影的位置 而是位于光总吸收能量等于其阈值能量ET处 图 b 为负胶的曝光反应曲线与图形的截面图 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 光刻分辨率受光刻系统 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 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力大小的指标 从理论上说 光刻胶的对比度会直接影响曝光后光刻胶图形的倾角和线宽 8 2光刻工艺 为测量光刻胶的对比度 可以将一定厚度的光刻胶在不同辐照剂量下曝光 测量显影后剩余光刻胶的厚度 留膜率 利用留膜率与曝光剂量的关系曲线进行计算 对于负胶 存在一个临界曝光剂量D0 曝光剂量小于D0时 负胶在显影液中完全可溶 不会形成曝光图形 曝光剂量达临界值后 感光区剩余膜厚随曝光剂量增大而增大 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 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 正胶光刻胶对比度曲线 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 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 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数 MTF 它可以用来描述曝光图形的质量 其中Imax和Imin分别为曝光图形上最大和最小辐照强度 光刻胶临界调制传输函数 CMTF 为 CMTF的典型值约为0 4 如果一个实际光刻图形的MTF小于所用光刻胶的CMTF 则光刻图形上的最小尺寸线条不能被分辨 反之 则可能被分辨 对比度与CMTF的关系为 对于曝光系统 如果该系统对各种线条的MTF均已知 则根据光刻胶对比度可计算出该系统能够形成的最小图形尺寸 8 2光刻工艺 改进光刻胶技术 a 多层光刻胶技术 MLR 采用性质不同的多层光刻胶 利用其抗蚀性 对比度等方面的不同性能完成高分辨率的光刻 主要包括 硅化学增强 Si CARL 工艺 使用对比增强层 CEL 工艺 硅烷基化光刻胶表面成像工艺 b 抗反射涂层技术 ARC 在光刻胶的表面或底部涂上一层抗反射层 对反射光线进行吸收 从而降低驻波效应 c 化学增强 CA 深紫外光刻胶技术 在深紫外光刻胶中添加光敏酸 PAG 增强光刻胶在显影液中的可溶性 与DNQ 树脂光刻胶相比 CA胶的最大优点是具有相对高的光敏度和对比度 8 2光刻工艺 光刻掩模版掩模版的作用是有选择地遮挡照射到衬底表面的光 电子束 X射线 以便在衬底光刻胶薄膜上形成需要转移的图形 常用掩模版类型有超微粒干版 乳胶版 金属硬面版以及一些满足特殊需要的掩模版 如X射线掩模 柔性掩模 凸起掩模和软片掩模等 光学光刻掩模版通常采用金属硬面版 即在玻璃基板表面淀积一层几十到几百纳米的金属或金属氧化物薄膜 如铬膜 氧化铬膜和氧化铁膜 掩模图形最终就是在这些薄膜上形成的 目前以溅射淀积的铬膜 厚度100nm左右 最常用 主要因为铬膜的淀积和刻蚀相对容易 而且对光线完全不透明 在铬膜下方通常还有一层增加黏附力的铬氮化物或氧化物膜 上方有一层厚度为20nm的Cr2O3抗反射层 8 2光刻工艺 用于IC制造的掩模版通常为缩小倍数的掩模版 reductionreticle 简称reticle 掩模版制作的第一步为电路设计者以计算机辅助设计系统完整地将电路图描绘出来 然后 将CAD得到的数据信息传送到电子束光刻的图形产生器 再将图案直接转移至对电子束敏感的掩模版上 此掩模版是由融凝硅土 fusedsilica 的基底覆盖一层铬膜组成 电路图案先转移至电子敏感层进而转移至底下的铬膜层 掩模版便完成了 8 2光刻工艺 掩模版上的图形代表一层IC设计 将综合的布局图按照IC工艺分成各层掩模版 如隔离区为一层 栅极区为另一层等 这些掩模版的组合就是一组IC工艺流程 一般而言 一组完整的IC工艺流程包含15 20道不同的掩模版 标准尺寸的掩模版衬底由15 15cm2 0 6cm厚的融凝硅土制成 掩模版尺寸是为了满足4 1与5 1的曝光机中透镜透光区域的尺寸 厚度的要求是为了避免衬底扭曲而造成图案移位的错误 融凝硅土衬底则利用其热膨胀系数低 对短波长光的透射率高与高机械强度 8 2光刻工艺 下图为已制作完成具有几何形状图案的掩模版 用于工艺评估的一些次要芯片位置也显示在掩模版上 8 2光刻工艺 光学光刻掩模版 此外 在形成掩模图形后还需要用保护膜 1 2 m厚的硝化纤维素醋酸盐 碳氟化合物 将版的表面密封 这层保护膜可以避免掩模版污染 且透光性好 结实耐清洗 长时间暴露在UV射线下仍能保持形状 8 2光刻工艺 通过微细图形加工技术在掩模材料上形成掩模图形即可得到所需要的掩模版 目前的掩模版制作 简称制版 一般分为两个阶段 a 原图数据的产生 由CAD产生作图数据 形成掩模 PG 文件 b 图形发生 由PG文件驱动和控制图形发生器 刻图机等将掩模图形转移到掩模衬底上 8 2光刻工艺 原图数据产生流程 8 2光刻工艺 版图设计 版图设计规则 8 2光刻工艺 目前的制版工艺大多采用电子束图形发生器 电子束图形发生器实际上是一台电子束曝光机 其曝光 光源 不是平行平面光 而是一束聚焦得很细的电子束 由于束斑极细 因此需曝光的图形是通过逐点被电子束照射而完成曝光全过程的 电子束制版不仅速度快 而且分辨率非常高 电子束制版的主要工艺过程为 镀铬基板涂覆EBR胶 前烘 电子束照射 显影 坚膜 刻蚀铬膜 去胶 8 2光刻工艺 8 2光刻工艺 掩模版的优劣将直接影响图形转移的质量 进而影响器件性能和成品率 通常对掩模版有以下质量要求 a 图形尺寸准确 符合设计要求 b 整套掩模版中的各块版应能依次一一套准 套准误差小 c 图形明暗区域之间的反差高 一般要求大于2 5 d 图形边缘光滑陡直 过渡区小 e 图形及整个版面基本无针孔 小岛 划痕等缺陷 光掩膜缺陷检查装置 8 2光刻工艺 f 坚固耐用 不易变形 缺陷密度是掩模版质量的一个主要指标 这里既包括掩模版制作过程也包括使用过程造成的缺陷 因此 掩模版的检查与清洁对大面积芯片获得高成品率 是至关重要的 10道掩模版的成品率 每道掩模版中包含不同缺陷密度所产生的影响 8 2光刻工艺 光学曝光系统图案的转移是利用光刻设备来完成的 光刻机的性能可由下面三个参数来判别 分辨率 resolution 套准精度 registration 与产率 throughput 又译产量 分辨率是指能精确转移到晶片表面光刻胶膜上图案的最小尺寸 套准精度是指后续掩模版与先前掩模版刻在硅片上的图形互相对准的程度 而产率则是对一给定的掩模版 每小时能曝光完成的晶片数量 8 2光刻工艺 光收集 比如通过抛物面反射镜 光过滤 选择特定波长的光 比如通过一系列的组合滤波器 混光 使曝光区域的辐照强度均匀 比如通过蜂窝透镜 光纤束等 光准直和成形 比如通过各种透镜 光收集 2 混光 7 光过滤 5 6 准直和成形 4 9 光学成像系统 8 2光刻工艺 评价光学曝光系统的指标 其中 R是分辨率 k是常数 NA是光学系统的数值孔径 它表征透镜光收集和聚焦的能力 DOF DepthofFocus 是聚焦深度 是光波长 MTF是调制传输函数 I是辐照强度 Rayleighcriterion 8 2光刻工艺 主要光学曝光系统光刻必须通过曝光系统来完成 最基本的光学曝光系统有两种 遮蔽式曝光 shadowprinting 和投影式曝光 projectionprinting 遮蔽式曝光系统又分为接触式 contactprinting 和接近式 proximityprinting 两种形式 遮蔽式曝光系统示意 8 2光刻工艺 对遮蔽式曝光 可达到的最小线宽 CD criticaldimension 约为 为曝光所用的光波波长 d为掩模版与衬底之间的距离 包括光刻胶的厚度 显然 接触式曝光的分辨率较高 可达曝光波长量级 但在实际应用中掩模版损坏和由此产生的低成品率等问题使这一工艺在大多数生产环境中并不实用 接近式曝光时掩模版与衬底之间通常保持10 50 m的距离 减小了曝光过程对掩模板的损伤 但掩模版与衬底之间的间隙会使图形边缘出现衍射 其CD值一般只能达到2 5 m 已经不适用于目前的微电子工业 8 2光刻工艺 接近式曝光系统中的衍射 8 2光刻工艺 接触式曝光系统 8 2光刻工艺 为了克服遮蔽式曝光存在的问题 出现了投影式曝光系统 它采用一套光学组件 使光通过掩模版将掩模图形投影到几厘米外涂有光刻胶的衬底上进行曝光 投影式曝光系统分为扫描和分布重复两种基本类型 扫描曝光系统把通过狭缝的光从掩模版聚焦到衬底上 同时掩模板和衬底一起作扫描运动 直至掩模图形布满整个衬底而完成曝光 分布重复曝光系统一次曝光衬底上的一块矩形区域 称为图像场 然后不断重复直至将小面积图形布满整个衬底 其掩模图形尺寸与实际图形尺寸的比例可以是1 1或者大于1 1 称为缩小光刻 以上两类曝光系统以及将两者结合在一起的分布扫描曝光系统都可以达到较好的分辨率 8 2光刻工艺 投影式曝光工作原理 8 2光刻工艺 图 a 显示一个1 1的晶片扫描投影系统 一个宽度约1mm的窄弧形像场连续地将图案从掩模版转移至晶片上 晶片上的图案尺寸与掩模版上相同 8 2光刻工艺 这个小的像场也可在保持掩模版不动的情形下 利用二维的晶片平移 通过步进 stepping 的方式来完成晶片表面的曝光 在每曝光完成一个芯片位置时 就移动晶片至下一个芯片位置 如此重复曝光步骤 图 b 与图 c 分别显示了利用1 1与缩小M 1 如10 1 即在晶片上缩小10倍 的步进重复投影法 step and repeat 的图像划分 partition 技术 8 2光刻工艺 缩小投影术可在不用重新设计步进机透镜下 在较大的晶片上转移图案 只要像场的大小 fieldsize 即晶片上的曝光面积 可以包含至少一个到数个IC芯片 当芯片尺寸超过透镜的曝光面积时 进一步的划分图像是必要的 在图 d 对一个M 1缩小的步进扫描投影 其掩模版上的像场可呈窄弧形 对步进扫描系统 晶片有一速度为v的二维平移 而掩模版则有一速度为晶片速度M倍的一维平移 8 2光刻工艺 一个投影系统的分辨率可以表示为 是光源波长 k1为与工艺有关的参数 NA是数值孔径又叫做镜口率 简写为NA 它是由物体与物镜间媒质的折射率n与物镜孔径角的一半 a 2 的正弦值的乘积 NA的定义为 N是影像介质的折射率 是圆锥体光线聚于晶片上一点的半角度值 其聚焦深度为 8 2光刻工艺 k1为另一个与工艺有关的参数 分辨率的改善可以通过缩短光源波长与增加数值孔径达到 但聚焦深度会因NA增加而衰减 光学曝光经历蓝光 436nm 紫外光 365nm 深紫外光 248nm 阶段 发展到目前的主流高分辨率波长193nm 同时 投影工具的数值孔径也有惊人提高 0 16 0 93 特征尺寸达到100nm以下 多光学元件系统中 常引入数值孔径NA描述透镜性能 并有 D 8 2光刻工艺 1 用蓝光波长计算 投影曝光系统的R可达亚微米水平 2 数值孔径 简写NA 蔡司公司的数值孔径简写CF 数值孔径是物镜和聚光镜的主要技术参数 是判断两者 尤其对物镜而言 性能高低 即消位置色差的能力 蔡司公司的数值孔是代表消位置色差和倍率色差的能力 的重要标志 其数值的大小 分别标科在物镜和聚光镜的外壳上 孔径角又称 镜口角 是物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度 孔径角越大 进入物镜的光通亮就越大 它与物镜的有效直径成正比 与焦点的距离成反比 8 2光刻工艺 显微镜观察时 若想增大NA值 孔径角是无法增大的 唯一的办法是增大介质的折射率 值 基于这一原理 就产生了水浸系物镜和油浸物镜 因介质的折射率 值大于一 NA值就能大于一 数值孔径最大值为1 4 这个数值在理论上和技术上都达到了极限 目前 有用折射率高的溴萘作介质 溴萘的折射率为1 66 所以NA值可大于1 4 这里必须指出 为了充分发挥物镜数值孔径的作用 在观察时 聚光镜的NA值应等于或略大于物镜的NA值 数值孔径与其它技术参数有着密切的关系 它几乎决定和影响着其它各项技术参数 它与分辨率成正比 与放大率成正比 焦深与数值孔径的平方成反比 NA值增大 视场宽度与工作距离都会相应地变小 8 2光刻工艺 简单的成像系统 8 2光刻工艺 由于有较高的光强度与稳定度 所以高压汞灯被广泛用作曝光光源 右图显示汞灯光谱的几个峰值 被称为G 线 I 线与H 线的峰值波长分别为436nm 405nm与365nm 加上分辨率改善技术 5 1的I 线步进重复投影的光刻系统可以提供的分辨率为0 3 m 更先进的曝光机分别有利用248nm的KrF准分子激光 193nm的ArF准分子激光与已开发出来适合批量生产的分辨率为0 18 m 0 10 m和0 07 m的157nm的F2准分子激光 8 2光刻工艺 投影式曝光系统 8 2光刻工艺 投影式曝光系统光路 8 2光刻工艺 投影曝光时的扫描和分布重复 8 2光刻工艺 主要光学曝光系统比较 8 2光刻工艺 图案转移右图为IC电路图通过掩模版转移至表面有二氧化硅绝缘层的硅晶片上的步骤 由于光刻胶对波长大于0 5 m的光并不敏感 所以曝光过程中 晶片可置于由黄光照射的洁净室中 为了确保光刻胶的吸附力能够符合要求 晶片表面必须由亲水性 hydrophilic 改变为斥水性 hydrophobic 这种改变可以利用吸附力促进剂 如此光刻胶即可吸附于一个化学性质相近的表面 8 2光刻工艺 在IC工艺中 光刻胶的吸附力促进剂一般为HMDS 在促进剂涂完后 将晶片置于一真空吸附的旋盘上 并将2 3cm3的光刻胶滴在晶片中心处 然后晶片将被快速地加速至设定的转速 在此转速停留约30s 要涂布厚度为0 5 1 m的光刻胶 其旋转速度一般为1000至10000rpm 光刻胶的厚度与光刻胶的粘性也有关系 8 2光刻工艺 在旋涂步骤后 将晶片前烘 一般温度为90 120 时间为60 120s 此步骤会增加光刻胶对晶片的吸附力 并且将光刻胶中的部分有机溶剂去除 然后利用光学图形曝光系统 将晶片依照掩模版上的图案进行对准 并利用紫外光将光刻胶曝光 如图 b 如果使用的是正胶 被曝光的光刻胶区将会溶解于显影液中 如图 c 的左图 8 2光刻工艺 光刻胶的显影步骤 一般利用显影液将晶片淹没 再将晶片冲水并且甩干 显影完成后 为了增加光刻胶对衬底的吸附力 再将晶片后烘 postbaking 温度为100 180 然后将晶片置于腐蚀的环境中 将暴露的绝缘层腐蚀而不侵蚀光刻胶 如图 d 所示 最后将光刻胶除去 如用有机溶液溶解或等离子体氧化 留下一个绝缘体的图案 或图像 此图案与掩模版上不透光的图案是一样的 8 2光刻工艺 如果使用负胶 前面描述的步骤都一样 唯一的不同点是未被曝光的光刻胶被去除 最后的绝缘体图案与掩模版上不透光区图案反相 绝缘体图像可以当作接下来步骤的掩蔽层 如用离子注入法将掺杂离子注入暴露的半导体区域而不会注入有绝缘体保护的区域 掺杂的图案与使用负胶而设计的掩模版图案或是使用正胶而设计的互补式掩模版图案是一样的 完整的电路制作是利用图形曝光转移的步骤 将掩模版图案一层层地对准而得 8 2光刻工艺 剥离与浮脱技术因其具有高分辨率而被广泛应用于分立器件 如高功率的MESFET 然而 由于技术的推广 剥离与浮脱技术并不常被用于甚大规模集成电路 相关的图案转移工艺还有剥离与浮脱技术 life off 如下图 利用正胶在衬底上形成一光刻胶图案 图 a 与 b 再淀积薄膜 如铝 覆盖光刻胶与衬底 此层薄膜厚度必须比光刻胶薄 然后 由于光刻胶会溶解于适当的腐蚀溶液 覆盖在光刻胶上的薄膜会被剥离与浮脱而去除 图 d 8 2光刻工艺 光刻工艺流程典型的光学光刻工艺通常包括以下步骤 衬底准备 涂胶 曝光前烘干 前烘 曝光 显影 显影后烘干 坚膜 以及去胶 8 2光刻工艺 一 衬底准备衬底准备的目的是增强光刻胶对衬底的附着性 一般通过去除衬底污染 脱水烘干和使用附着力促进剂来完成 吸附水是一种普遍的污染物 采用脱水烘干可以将其大部分去除 但对于硅类衬底 包括单晶硅 多晶硅 氧化硅和氮化硅 由于表面硅原子与吸附的单层水分子形成了硅烷醇基团 必须使用化学方法去除 附着力促进剂可以与硅烷醇发生化学反应 由有机基团置换硅烷醇中的羟基 在衬底上形成疏水表面 增强光刻胶的附着力 最常用的附着力促进剂是六甲基二硅亚胺 HMDS 8 2光刻工艺 二 涂胶涂胶的目的是在衬底表面形成厚度均匀 附着性强且没有缺陷的光刻胶薄膜 在微电子工艺中 光刻胶的作用是在刻蚀或离子注入过程中保护被其覆盖的材料 因此光刻胶与衬底表面需牢固地粘附 而且胶层的厚度 均匀性和缺陷密度对光刻工艺质量影响很大 涂胶工艺一般包括三个步骤 a 将光刻胶溶液喷涂到衬底表面上 静态喷涂 动态喷涂 b 加速旋转衬底吸盘 直至达到需要的旋转速度 c 达到所需转速后 保持适当时间 使光刻胶在衬底表面形成一定厚度的均匀薄膜 8 2光刻工艺 由于衬底表面的光刻胶是借旋转离心力由中心向外移动 因此涂胶又称甩胶 经甩胶之后 留在衬底上的光刻胶不到最初的1 最终膜厚除与光刻胶黏性有关外 还与旋转速度的平方根成正比 涂胶应始终在超净环境中进行 同时喷涂的光刻胶溶液中不能含有气泡 8 2光刻工艺 三 前烘涂胶以后 曝光之前 衬底基片需要在一定温度下烘烤 以除去光刻胶薄膜中多余的溶剂 这一步骤称为前烘 除去光刻胶薄膜中多余的溶剂会产生四个结果 a 薄膜厚度减小 b 光刻胶显影时的溶解速度降低 提高了显影液对曝光区和非曝光区光刻胶的选择性 c 光刻胶与衬底结合更紧密 d 光刻胶黏度降低 受微粒污染的可能性减小 前烘时间和温度必须严格控制 温度过低和过高都会对光刻质量产生影响 通常采用干燥循环热风 红外线辐射以及热平板传导等方式进行前烘 其中最常用的是真空热平板烘烤 8 2光刻工艺 四 曝光紫外 UV 和深紫外 DUV 光源是目前普遍应用的曝光光源 UV曝光系统多使用高压汞灯作为光源 在高压汞灯水银气的发射光谱中 各种波长的光强度并不相同 350 450nm的UV光谱范围内 有三条强而锐利的发射线 i线 365nm h线 405nm 和g线 436nm 由于这些波段是分散的 通过折射透镜进行分离 就可以得到单一波长的光 每条单一波长的光线含有的能量低于汞灯所产生能量的2 DUV曝光系统中的光源是准分子激光器 KrF准分子激光器可以产生248nm的DUV光线 是0 35 0 25和0 18 mCMOS工艺的主要光源 ArF准分子激光器可以产生193nm的DUV光线 应用于0 2 m以下CMOS工艺 8 2光刻工艺 常用光源的波长及特征尺寸 高压汞灯光谱图 8 2光刻工艺 在光刻胶通过掩模版曝光之前 必须先把掩模版上的图形与衬底上先前生成的图形对准 两层或多层图形的对准精度非常重要 对准控制越精确 图形布局越紧凑 从而实现在单位芯片面积上增加器件和功能的目的 对准标记和未对准 misalignment 种类 8 2光刻工艺 驻波效应 影响曝光质量的重要因素之一 光刻胶中的驻波效应原理 8 2光刻工艺 驻波效应在光刻胶侧壁形成的脊状条纹 驻波效应会导致光刻胶侧壁出现脊状条纹 在曝光区与非曝光区边界形成曝光强弱相间的过渡区 影响显影后所形成的图形尺寸和分辨率 8 2光刻工艺 有和没有底部防反射涂层光刻胶的曝光效果 可以通过在衬底上涂覆一层对光有吸收作用的底部防反射涂层来抑制脊状条纹的形成 这种方法可以把反射到光刻胶内的光减少到未加反射层时的1 以下 曝光后烘焙 PEB 是另一种减小驻波效应影响的方法 8 2光刻工艺 五 显影曝光和曝光后烘焙结束后 光刻胶层中的潜在图形要通过显影液处理而显现出来 在光刻胶上形成三维图形 这一过程称为显影 它是光刻工艺中最关键的步骤之一 感光区的正胶经曝光后成为羧酸 可以被碱性显影液中和 反应生成的胺和金属盐快速溶解于显影液中 经曝光的正胶是逐层溶解的 中和反应只在光刻胶表面进行 因此正胶受显影液影响相对较小 对负胶来说 非曝光区的负胶在显影液中首先形成凝胶体 然后再分解 这就使整个负胶层都被显影液浸透而膨胀变形 为提高分辨率 目前几乎每种光刻胶都配有专用显影液 8 2光刻工艺 影响显影效果的主要因素有曝光时间 前烘温度 时间 光刻胶厚度 显影液浓度 温度以及显影液搅动情况等等 显影液释放到光刻胶上的方式对显影均匀性和工艺精度也有很大影响 比较常见的显影方法是浸没显影和喷洒显影 其中喷洒显影的优点是显影液用量少 覆盖均匀度好 能较好满足流水线生产的要求 显影之后要通过光学显微镜 SEM或激光系统来检查图形质量 检查的主要内容有 a 掩模版使用 b 光刻胶层质量 污染 划痕 气泡和条纹等 c 图形 边界 尺寸和线宽等 d 套刻精度 8 2光刻工艺 典型的显影检验 DI developinspect 单 a 人工检验 1倍检验 直射白光或高密度UV光下 晶片与光线成一定角度 全检 b 100 400倍显微镜 自动检验设备 随机抽样 c 高倍显微镜 SEM AFM 如果图形质量不能满足要求 可以进行重新工艺处理 rework redo 一般要求重新工艺处理率低于5 10 缺陷检测设备 8 2光刻工艺 六 坚膜基片在显影后需要进行坚膜 目的是进一步除去光刻胶中剩余的溶剂 增强对衬底的附着力 从而提高光刻胶在刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性和保护能力 通常坚膜的温度高于前烘和曝光后烘焙温度 又称光刻胶玻璃态转变温度 坚膜过程中光刻胶受热软化 成为类似玻璃体在高温下的熔融状态 此时光刻胶与衬底之间接触面积最大 加上光刻胶中的溶剂含量因高温而减少 因此光刻胶与衬底之间的附着能力大大提高 较高的坚膜温度可使坚膜后光刻胶中的溶剂含量更少 但同时会增加去膜的困难 坚膜之后还需通过UV辐照和加热对光刻胶进行光学稳定 光学稳定可以使光刻胶产生均匀的交叉链接 提高光刻胶的抗刻 腐 蚀能力 进而提高刻蚀工艺的选择性 8 2光刻工艺 七 去胶经刻蚀或离子注入之后 可以将光刻胶从衬底表面除去 该步骤称为去胶 微电子工艺中的去胶方法包括湿法和干法去胶 其中 湿法去胶又分为有机溶液去胶和无机溶液去胶 使用有机溶液去胶 主要是使光刻胶溶于其中而达到去胶目的 所用溶液通常为丙酮或芳香族有机溶剂 无机溶液去胶的原理是利用光刻胶本身为有机物的特点 通过强氧化剂 如H2SO4 H2O2等 将光刻胶中的碳氧化为二氧化碳 从而将光刻胶从衬底表面除去 但是无机强氧化剂对铝会产生腐蚀 因此去除铝层上的光刻胶必须使用有机溶液 干法去胶是用等离子体将光刻胶剥离去除 其去胶效果好于湿法去胶 但干法去胶存在反应残留物的玷污问题 因此两种方法经常搭配使用 8 2光刻工艺 剥离 liftoff 是由去胶派生出的一项工艺 利用正胶在衬底上形成光刻胶图形后 在整个光刻胶和衬底上淀积薄膜 例如金 铂或铝 薄膜的厚度必须小于光刻胶厚度 选择合适的溶剂去除光刻胶层 光刻胶上面的那部分薄膜也一起剥离而被去掉 剥离技术具有较高的分辨率 广泛用于分立器件制造 如大功率MESFET 然而在ULSI制造中仍倾向于采用干法刻蚀技术 较少采用剥离工艺 用于图形转移的剥离工艺 8 2光刻工艺 光学光刻的局限和分辨率增强技术提供更高的分辨率 更深的聚焦深度和更大的曝光范围一直是光学曝光系统发展的目标 通过缩短曝光装置的波长 增大数值孔径以及开发新的光刻胶 如CADUV光刻胶 可以达到提高分辨率的目的 但更短的波长往往意味着使用更昂贵的材料 而增大数值孔径则会导致像差增加 更重要的是 任何分辨率的提高总是伴随着聚焦深度的下降 提高聚焦深度的措施 a 增大光源波长 b 减小数值孔径 以上两条措施与增大分辨率相冲突 因此在分辨率和焦深之间必须折衷 8 2光刻工艺 1 使用更昂贵的材料 如将光波波长减小到157nm要用到超纯硅和氟化物 2 导致像差增加 只能通过更复杂的设计 更精确的镜片制造工艺来克服 3 光刻胶本身有一定厚度 实际工艺过程中晶片表面也存在高低不平 为了把掩模版上的图形完美转移到光刻胶上 要求曝光系统具有足够的聚焦深度 特别是对于大直径晶片的生产 通常聚焦深度越大 越适合量产 4 一般来说 半导体业者会先尝试调整NA来改善解析度 待聚焦深度无法符合量产条件时 才会想要转换波长更短的光源 这是因为每换一种曝光源 相关的设备如曝光机台 光阻剂等皆需做相应的调整 会牵涉到大量的人力 物力及时间 困难度很高 有鉴于此 在进入更小线宽的微影技术领域前 如何善用目前的微影技术 含设备及材料 又能进入奈米尺度 成为一个相当重要的议题 8 2光刻工艺 分辨率增强技术在IC工艺中 提供较佳的分辨率 较深的聚焦深度与较广的曝光宽容度一直是光学图形曝光系统发展的挑战 已经可以用缩短光刻机的波长与发展新的光刻胶来克服 另外 开发了新的技术 如相移掩模版 传统掩模版的透光区的电场是相同的 由于衍射与分辨率使得晶片上的电场分散开来 相邻缝隙的衍射使得光被干涉而增强缝隙间的电场强度 因此两个投影的像若太接近 就不容易分辨出来 相移掩模版 PSM 是将相移层覆盖于相邻的缝隙上 使得电场反相 要反相 使用一透明层 厚度满足 光学邻近修正 OPC 利用邻近的次解析几何图案来修正图像 因而改善成像能力 8 2光刻工艺 相移掩模版 phase shiftingmask PSM 是一项重要的分辨率增强技术 基本概念如下图所示 对于传统的掩模版而言 每个缝隙 透光区 处的电场都是同相的 光学系统的衍射与分辨率的限制 使得晶片上的电场分布散开 如虚线所示 8 2光刻工艺 相移掩模是一种重要的分辨率增强技术 它与准分子激光源相结合 可以使光学曝光的分辨率大大提高 相移掩模的基本原理是在光掩模版的某些透明图形上增加或减少一个透明介质层 称为移相器 使光波通过这个介质层后产生180 的相位差 与邻近透明区域透过的光波产生相消干涉 从而抵消图形边缘的光衍射效应 提高曝光分辨率 8 2光刻工艺 相邻缝隙的衍射现象使得光波被干涉而增强缝隙问的电场强度 因为光强度I正比于电场的平方 因此两个投影的像若太接近 就不易分辨出来 将相移层覆盖于相邻的缝隙上 将使电场反相 图 b 所示 因为掩模版上的光强度并未改变 晶片上的像场会因位相相差180o而互相抵消 因此 相邻的像即可分辨出来 8 2光刻工艺 为了使分辨率和焦深同步优化 还可采用以下光学方法 a 优化掩模图形 称为光学邻近效应校正 opticalproximitycorrection OPC 此法是利用邻近的次解析 sub resolution 几何图案来修正图像 因而改善成像能力 例如 一个方形的接触孔 contacthole 当其尺寸接近分辨率的极限时 印出的图像将几乎变成圆形 将掩模版上的接触孔图案加以修饰 在方形的边角加上一些几何图形 可以得到较准确的方形图像 b 优化光线照射掩模版的角度 称为离轴照明 off axisillumination OAI c 控制光线照射的偏振度 总的来说 这些技术都属于分辨率增强技术 RET 8 2光刻工艺 当光刻线宽尺寸接近曝光波长时 光波穿过掩模版后会产生衍射 这些衍射光的叠加会使曝光图形严重失真 OPC的基本作法是 根据光学设备的参数和实际的光刻结果 对掩模做出系统性的形状校正 预失真 从而使得由于光的衍射和光刻胶曝光显影后带来的非线性失真程度减小 获得符合实际要求的曝光图形和线宽 OPC的基本方法分为两种 一种是基于规则的OPC 另一种是基于模型的OPC 光学邻近效应校正 OPC 原理 8 2光刻工艺 离轴照明 OAI 原理 通常 光波穿过掩模版后的衍射角度较大 透镜的NA必须足够大才能充分收集这些带有掩模版图形信息的光束 但NA增大又会使DOF减小 如果适当安排 使入射光与掩模版平面呈一定角度 第0级衍射光不再垂直入射 DOF便可增大 相当于在相同NA下提高了分辨率 8 2光刻工艺 几种分辨率增强技术采用不同的策略实现相同的目标 这些方法各有优劣 在实际中往往结合使用 比如 削弱相位移相器需要使用OPC来进一步提高对比度 把OAI和PSM结合起来 可以得到均匀的照明和接近100 反差的理想结果 从而提高工艺窗口 因此需要协调彼此之间的影响 发挥每种方法的优势 以取得最佳的优化结果 8 2光刻工艺 长远来看 光学光刻中的各种限制将被浸入式光刻技术 Immersionlithography 进一步减小 通过用折射率高的液体代替透镜组件间的空气 可以设计出NA大于1 0的光学系统 例如 水对波长193nm的深紫外光吸收率很低且折射率高达1 44 使用水浸没的方法可以使NA在理论上达到1 44 目前 已有采用折射率高的溴萘作介质的报道 溴萘的折射率为1 66 所以NA值在理论上可大于1 44 将1 3NA的光刻技术用于实际生产应该只是时间问题 高数值孔径和分辨率增强技术可以使193nm光刻工艺的最小线宽减小到45nm以下 8 2光刻工艺 高产率 好的分辨率 低成本且容易操作是曝光技术的基本要求 为了满足深亚微米工艺 光学图形曝光技术仍未解决 虽然可以利用PSM和OPC来延长光学图形曝光的使用期限 但是复杂的掩模版制作与检查并不是容易解决的 另外 掩模版成本也很高 193nm浸入式光刻机生产和使用表 8 2光刻工艺 非光学曝光技术目前 光学曝光的最小线宽已经达到0 10 m以下 这已接近光学曝光技术的极限 因此 新一代曝光技术正在替代光学曝光来完成深亚微米甚至纳米级的微电子器件和电路制造 一 电子束 e beam 图形曝光 又称为电子束直写式曝光 即不用掩模版而以聚焦电子束直接对光刻胶曝光 目前它主要用来制作掩模版 可以完成0 1 0 25 m的超微细加工 但很少用于对硅片直接曝光 电子束曝光是利用具有一定能量的电子与光刻胶碰撞发生化学反应而完成曝光的 8 2光刻工艺 电子束图形曝光主要用于掩模版的制作 只有相当少数装置用于将电子束直接对光刻胶曝光而不需掩模版 优点 分辨率高 可以制备最小线宽亚微米 0 1 m 以下的微细几何光刻图案 高自动化及高精度控制的操作 比光学图形曝光有较大的聚焦深度与不同掩模版可直接在半导体晶片上描绘图案 扫描电子束曝光不需掩模 可缩短加工周期 有利于新产品试制 聚焦好 缺点 设备复杂成本高 存在邻近效应影响 易导致图形畸变 电子束光刻机制备大直径晶片的产率低 在分辨率小于0 25 m时 约为每小时10片晶片 这对生产掩模版 需求量小的定制电路或验证性电路是足够了 而对不用掩模版的直写形成图案方式 设备必须尽可能提供产率 故要采用与器件最小尺寸相容的最大束径 8 2光刻工艺 电子束图形曝光主要用于掩模版的制作 只有相当少的电子束装置是用于将电子束直接对光刻胶曝光而不需使用掩模版 右图为电子束图形曝光系统的装置图 电子枪是用来产生一具有适当电流密度的电子束的部件 用钨热发射阴极或是LaB6单晶来做电子枪 聚焦透镜是用来将电子束聚焦成直径为10nm 25nm的束斑 电子束曝光机示意图 8 2光刻工艺 消隐电极是用来控制电子束的开关 电子束偏移转圈由电脑控制 通常工作在兆赫或是更高的频率范围内 将电子束聚焦到衬底上扫描区域 scanfield 内的任意位置 因为扫描区域 典型为1cm 通常比晶片来得小 因此需要用精密机械工作台对晶片定位以便曝光图案 8 2光刻工艺 利用电子束投影的图形曝光技术 SCALPEL系统 散射角度限制的投影电子束图形曝光 此技术集电子束图形曝光特有的高分辨率和工艺宽容度 聚焦深度20 30 m 传统为1 m 以及高产率 图12 15 8 2光刻工艺 SCALPELwritingstrategy 8 2光刻工艺 在电子束曝光中 分辨率受到电子散射的限制 当电子穿过光刻胶膜和进入衬底时 发生一系列碰撞 导致能量的损耗和路径的改变 因此 入射电子在穿过材料的沿途发生离散 直到能量耗尽或者受背散射作用离开材料为止 由于存在背散射 光刻胶所受到的辐照剂量是四周各区域散射来的辐照之和 即电子束在某处的辐照将影响邻近区域的辐照 这种现象称为邻近效应 邻近效应限制了图形之间的最小间距 为了克服邻近效应 可以把图形分割成小段 调整每小段的入射电子剂量 使它与邻近各段散射来的剂量叠加后正好等于总的曝光剂量 由于分段曝光增加了计算机工作时间 产出率进一步下降 8 2光刻工艺 电子散射剂量分布及电子模拟轨迹 8 2光刻工艺 聚焦电子束通常有两种扫描方式 光栅 顺序 扫描 rasterscan 和矢量扫描 vectorscan 后者更节省时间 电子束扫描方式 A 光栅扫描 B 矢量扫描 8 2光刻工艺 2020 3 16 105 可编辑 8 2光刻工艺 在顺序扫描系统中 光刻胶图案是利用电子束规则地垂直移动来描写出来的 如图 a 电子束依序扫描掩模版上任何可能的区域 而在不需要曝光的区域则适时地关闭 在此区域的所有图案都必须细分成独立的地址域 address 而且对一给定的图案必须有一个最小的能被电子束寻址尺寸整除的增量间隔 在向量扫描系统图 b 中 电子束只被导引到需要的图案处 电子束从一个图案处跳跃至另一个图案处不需如同顺序扫描般扫描整个芯片 对许多芯片而言 平均的曝光面积只有全部面积的20 所以用向量扫描系统可节省曝光时间 8 2光刻工艺 图 c 为电子束图形曝光中用到的各种电子束类型 高斯点状电子束 Gaussianspotbeam 即圆形电子束 投影 可变形状电子束 variahleshapedbeam 投影与单元投影 cellprojection 在可变形状电子束系统中 矩形绘图电子束的面积大小及长宽比例可调整 它有可同时曝光数个地址域的优点 因此在向量扫描方法中 利用可变形状电子束可比利用传统的高斯点状电子束法拥有较高的产率 8