光刻技术研究

1、编号：河南大学2010届本科毕业论文 光刻技术研究 论文作者姓名： 张永攀 作 者 学 号：1023009650 所 在 学 院：物理院 所 学 专 业：电子信息科学与技术导 师 姓 名：谷城 导 师 职 称：讲师 2014 年 4 月 25 日光刻技术研究 摘要光刻技术是集成电路制造中至关重要的一环，同时光刻技术的发展速度也在一定程度上决定了集成电路更新换代的周期，因此对光刻技术的研究对于集成电路的发展进程就显得尤为关键。本文首先讲述了光刻技术的含义以及它在集成电路制造工艺中的作用和地位，给读者一个直观的感受，然后具体介绍了光刻技术主要用到的设备和材料并且一一阐释了光刻的每个步骤，并结合每个

2、步骤探讨未来可能会出现改进的地方，最后从理论和可实现性两方面结合自己的理解预测未来光刻技术的走向，试着找到最有可能实现大规模生产的新的工艺技术。关键词：光刻技术，重要作用，流程，发展方向AbstractLithography is a vital part of the integrated circuit , at the same time, the speed of the development of lithography technology determines the integrated circuit upgrade cycle to a certain extent, s

3、o studying lithography process is particularly critical in the development of integrated circuit. First, this article tells us the definition of lithography and its role and status in the integrated circuit process to give the readers an intuitive feeling, then it introduced equipment and materials

4、of lithography in detail and illustrates the each step of lithography, then combined with the steps to explore where it can be improved. Finally, from the two aspects of theory and reality it predicts the future lithography combined with own understanding, and try to find the new technology which mo

5、st likely to achieve mass production.Keywords: Lithography, important role, process, direction231、绪论71.1集成电路71.2光刻82、光刻技术的实现92.1光刻所需的设备和材料92.1.1 硅92.1.2光刻机102.2光刻技术的操作流程122.2.1硅片清洗烘干122.2.2涂底122.2.3旋转涂胶122.2.4软烘122.2.5边缘光刻胶的去除132.2.6对准132.2.7曝光132.2.8后烘132.2.9显影142.2.10硬烘143、光刻技术的具体应用（以N阱CMOS工艺为例）14

6、3.1 N阱制作153.1.1.在p衬底上进行n阱注入153.1.2.曝光153.1.3,n阱注入163.2.有源区的形成173.3,生成多晶栅184、光刻技术面临的挑战224.1 光学光刻的物理极限224.1.1降低工艺因子K1224.1.2 提高数值孔径224.1.3 缩短曝光波长225、结论236、参考文献237、 致谢231、绪论 集成电路（integrated circuit）是一种微型电子器件或部件，它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。集成电路制造时利用研磨、抛光、氧化、扩散、光刻、外延生长、蒸发等一整

7、套平面工艺技术，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。其中光刻技术是集成电路制造中最关键的，因为光刻确定了器件的关键尺寸，而尺寸又是集成电路中最重要的参数之一。1.1集成电路集成电路是微电子领域发展过程中的一个里程碑。其发明者为杰克·基尔比（基于锗的集成电路）和罗伯特·诺伊思（基于硅的集成电路）。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。集成电路或称微电路（microcircuit）、 微芯片（microchip）、芯片（chip）在电子学

8、中是一种把电路（主要包括半导体装置，也包括被动元件等）小型化的方式，并通常制造在半导体晶圆表面上。它具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。图1.1集成电路集成电路，又称为IC，按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。模拟集成电路又称线性电路,用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间变化的信号。例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等），其输入信号和输出信号成比例关系。而数字集成电路用

9、来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号。例如3G手机、数码相机、电脑CPU、数字电视的逻辑控制和重放的音频信号和视频信号）。1.2光刻在晶圆的制造过程中，晶体三极管、二极管、电容、电阻和金属层的各种物理部件在晶圆表面或表层内构成。这些部件是每次在一个掩膜层上生成的，并且结合生成薄膜及去除特定部分，通过光刻工艺过程，最终在晶圆上保留特征图形的部分。光刻生产的目标是根据电路设计的要求，生成尺寸精确的特征图形，并且在晶圆表面的位置正确且与其它部件的关联正确。光刻过程中的错误可造成图形歪曲或套准不好，最终可转化为对器件的电特性产生影响。图形的错位也会导致类似的不良结果。光刻工

10、艺中的另一个问题是缺陷。光刻是高科技版本的照相术，只不过是在难以置信的微小尺寸下完成。在制程中的污染物会造成缺陷。事实上由于光刻在晶圆生产过程中要完成5层至20层或更多，所以污染问题将会放大。光刻过程中的错误可造成图形歪曲或套准不好，最终可转化为对器件的电特性产生影响。随着电子产业的技术进步和发展，光刻技术及其应用已经远远超出了传统意义上的范畴，如上所述，它几乎包括和覆盖了所有微细图形的传递、微细图形的加工和微细图形的形成过程，而随着芯片集成度越来越高，尺寸越来越小，对光刻技术的要求也就越来越高，因此光刻技术的发展在整个集成电路领域内中就显得就至关重要了，近年来也出现了很多新的光刻技术，如19

11、3nm浸入式技术、157nm极短紫外光刻(EUV)、电子束投影光刻(EPL)、纳米压印光刻等，但由于技术或成本等原因的限制，目前还不能应用于大规模生产。2、光刻技术的实现2.1光刻所需的设备和材料2.1.1 硅我们都知道，硅广泛存在于我们日常生活中最常见的沙子中，可以说是却之不尽用之不竭的。不过不是随便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑细选，从中提取出最最纯净的硅原料才行。首先，硅原料要进行化学提纯，这一步骤使其达到可供半导体工业使用的原料级别。而为了使这些硅原料能够满足集成电路制造的加工需要，还必须将其整形，这一步是通过溶化硅原料，然后将液态硅注入大型高温石英容器而完成的。而后，将原料进行

12、高温溶化。中学化学课上我们学到过，许多固体内部原子是晶体结构，硅也是如此。为了达到高性能处理器的要求，整块硅原料必须高度纯净，及单晶硅。然后从高温容器中采用旋转拉伸的方式将硅原料取出，此时一个圆柱体的硅锭就产生了。然后通过切片，腐蚀，清洗等一系列步骤，最终得到可用于集成电路制造的硅片。2.1.2光刻机高端的投影式光刻机可分为步进投影和扫描投影光刻机两种，分辨率通常在几十纳米至几微米之间，高端光刻机号称世界上最精密的仪器，世界上已有7000万美金的光刻机。高端光刻机堪称现代光学工业之花，其制造难度之大，全世界只有少数几家公司能够制造。生产线和研发用的低端光刻机为接近、接触式光刻机，分辨率通常在数

13、微米以上。图2.1 光刻机型 号（Model）: ABM/6/350/NUV/DCCD/M光刻机一般根据操作的简便性分为三种，手动、半自动、全自动。手动：指的是对准的调节方式，是通过手调旋钮改变它的X轴，Y轴和thita角度来完成对准，对准精度可想而知不高了；半自动：指的是对准可以通过电动轴根据CCD的进行定位调谐；自动： 指的是 从基板的上载下载，曝光时长和循环都是通过程序控制，自动光刻机主要是满足工厂对于处理量的需要。光源是光刻机最核心的部分。常见光源分为:紫外光（UV），g线：436nm;i线：365nm，深紫外光（DUV）,KrF 准分子激光：248 nm, ArF 准分子激光：193

14、 nm，极紫外光（EUV），10 15 nm。光刻机对光源系统的要求a.有适当的波长。波长越短，可曝光的特征尺寸就越小；波长越短，就表示光刻的刀锋越锋利，刻蚀对于精度控制要求越高，因为衍射现象会更严重。b.有足够的能量。能量越大，曝光时间就越短；c.曝光能量必须均匀地分布在曝光区。一般采用光的均匀度 或者叫 不均匀度 光的平行度等概念来衡量光是否均匀分布;常用的紫外光光源是高压弧光灯（高压汞灯），高压汞灯有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的g 线（436 nm）或i 线（365 nm）。对于波长更短的深紫外光光源，可以使用准分子激光。例如KrF 准分子激光（248 nm）、ArF 准分子激

15、光（193 nm）和F2准分子激光（157 nm）等。光刻机的主要性能指标有：支持基片的尺寸范围，分辨率、对准精度、曝光方式、光源波长、光强均匀性、生产效率等。分辨率是对光刻工艺加工可以达到的最细线条精度的一种描述方式。光刻的分辨率受受光源衍射的限制,所以与光源、光刻系统、光刻胶和工艺等各方面的限制。对准精度是在多层曝光时层间图案的定位精度。曝光方式分为接触接近式、投影式和直写式。曝光光源波长为紫外、深紫外和极紫外区域，光源有汞灯，准分子激光器等。2.1.3光刻胶光刻胶是由感光树脂、增感剂（见光谱增感染料）和溶剂三种主要成分组成的对光敏感的混合液体。根据其化学反应机理和显影原理，可分负性胶和正

16、性胶两类。光照后形成不可溶物质的是负性胶；反之，对某些溶剂是不可溶的，经光照后变成可溶物质的即为正性胶。图2.2 光刻胶的作用2.2光刻技术的操作流程一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。2.2.1硅片清洗烘干方法：湿法清洗+去离子水冲洗+脱水烘焙（热板150250C,12分钟，氮气保护）目的：a、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；b、除去水蒸气，使基底表面由亲水性变为憎水性，增强表面的黏附性2.2.2涂底方法：a、气相成底膜的热板涂底。HMDS蒸气淀积，200250C,30秒钟；优点：涂底均匀、避免颗粒

17、污染；b、旋转涂底。缺点：颗粒污染、涂底不均匀、HMDS用量大。目的：使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性。2.2.3旋转涂胶方法：a、静态涂胶（Static）。硅片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶剂（原光刻胶的溶剂约占6585%,旋涂后约占1020%）；b、动态（Dynamic）。低速旋转（500rpm_rotation per minute）、滴胶、加速旋转（3000rpm）、甩胶、挥发溶剂。决定光刻胶涂胶厚度的关键参数：光刻胶的黏度（Viscosity），黏度越低，光刻胶的厚度越薄；旋转速度，速度越快，厚度越薄；影响光刻胶均匀性的参数：旋转加速度，加速越快越均匀；与旋转加速

18、的时间点有关。一般旋涂光刻胶的厚度与曝光的光源波长有关。2.2.4软烘方法：真空热板，85120C,3060秒；目的：除去溶剂（47%）；增强黏附性；释放光刻胶膜内的应力；防止光刻胶玷污设备；2.2.5边缘光刻胶的去除光刻胶涂覆后，在硅片边缘的正反两面都会有光刻胶的堆积。边缘的光刻胶一般涂布不均匀，不能得到很好的图形，而且容易发生剥离（Peeling）而影响其它部分的图形。所以需要去除。方法：a、化学的方法（Chemical EBR）。软烘后，用PGMEA或EGMEA去边溶剂，喷出少量在正反面边缘处，并小心控制不要到达光刻胶有效区域；b、光学方法（Optical EBR）。即硅片边缘曝光（WE

19、E，Wafer Edge Exposure）。在完成图形的曝光后，用激光曝光硅片边缘，然后在显影或特殊溶剂中溶解；2.2.6对准对准方法：a、预对准，通过硅片上的notch或者flat进行激光自动对准；b、通过对准标志（Align Mark），位于切割槽（Scribe Line）上。另外层间对准，即套刻精度（Overlay），保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准。2.2.7曝光曝光中最重要的两个参数是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。如果能量和焦距调整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的图形。表现为图形的关键尺寸超出要求的范围。曝光方法：a、接触式曝光（Contact Pri

20、nting）。掩膜板直接与光刻胶层接触。曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相当，设备简单。缺点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，寿命很低（只能使用525次）；1970前使用，分辨率0.5m。b、接近式曝光（Proximity Printing）。掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为1050m。可以避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤。但是同时引入了衍射效应，降低了分辨率。1970后适用，但是其最大分辨率仅为24m。c、投影式曝光（Projection Printing）。在掩膜板与光刻胶之间使用透镜聚集光实现曝光。一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作。优点：提高了分辨率；掩膜板的制作更

21、加容易；掩膜板上的缺陷影响减小。在曝光过程中，需要对不同的参数和可能缺陷进行跟踪和控制，会用到检测控制芯片/控片（Monitor Chip）。根据不同的检测控制对象，可以分为以下几种：a、颗粒控片（Particle MC）：用于芯片上微小颗粒的监控，使用前其颗粒数应小于10颗；b、卡盘颗粒控片（Chuck Particle MC）：测试光刻机上的卡盘平坦度的专用芯片，其平坦度要求非常高；c、焦距控片（Focus MC）：作为光刻机监控焦距监控；d、关键尺寸控片（Critical Dimension MC）：用于光刻区关键尺寸稳定性的监控；e、光刻胶厚度控片（PhotoResist Thickn

22、ess MC）：光刻胶厚度测量；f、光刻缺陷控片（PDM，Photo Defect Monitor）：光刻胶缺陷监控。2.2.8后烘方法：热板，110130C,1分钟。目的：a、减少驻波效应；b、激发化学增强光刻胶的PAG产生的酸与光刻胶上的保护基团发生反应并移除基团使之能溶解于显影液。2.2.9显影方法：a、整盒硅片浸没式显影（Batch Development）。缺点：显影液消耗很大；显影的均匀性差；b、连续喷雾显影（Continuous Spray Development）/自动旋转显影（Auto-rotation Development）。一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面，同时硅片低

23、速旋转（100500rpm）。喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。c、水坑（旋覆浸没）式显影（Puddle Development）。喷覆足够（不能太多，最小化背面湿度）的显影液到硅片表面，并形成水坑形状（显影液的流动保持较低，以减少边缘显影速率的变化）。硅片固定或慢慢旋转。一般采用多次旋覆显影液：第一次涂覆、保持1030秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。然后用去离子水冲洗（去除硅片两面的所有化学品）并旋转甩干。优点：显影液用量少；硅片显影均匀；最小化了温度梯度。显影中的常见问题：a、显影不完全（Incomplete Development）。表面还残

24、留有光刻胶。显影液不足造成；b、显影不够（Under Development）。显影的侧壁不垂直，由显影时间不足造成；c、过度显影（Over Development）。靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。显影时间太长。2.2.10硬烘方法：热板，100130C（略高于玻璃化温度Tg），12分钟。目的：a、完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂（以免在污染后续的离子注入环境，例如DNQ酚醛树脂光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂）；b、坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力；c、进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性；d、进一步减少驻波效应（Standing Wave Effect）。3、

25、光刻技术的具体应用（以N阱CMOS工艺为例）N阱CMOS工艺平面图如下图： 图3.13.1 N阱制作3.1.1.在p衬底上进行n阱注入图 3.23.1.2.曝光图3.3图3.43.1.3,n阱注入图3.5图3.63.2.有源区的形成图3.7图3.83.3,生成多晶栅图3.9图3.103.4.源/漏注入图3.11图3.123.5.接触、金属化、及保护层图3.13图3.14最终结果如下：图3.154、光刻技术面临的挑战随着集成电路的发展，特征尺寸不断变小，现有的光刻技术几乎达到了物理极限，于是国内外纷纷投入巨资开发既具有高分辨力又成本低的新的光刻技术，为了把握下一代光刻技术发展的主流，必须正确认识

26、传统光科技术的极限，并了解下一代光刻技术。4.1 光学光刻的物理极限通常情况下，对一台光学投影光刻系统而言，极限指的是光分辨力的物理极限。光分辨力R可以用瑞利公式表示R=k1/NA式中:k1为工艺因子，为曝光波长，NA为投影光刻物镜的数值孔径。不难看出，提高光刻分辨力可以通过降低工艺因子k1，缩短波长，和提高投影物镜的数值孔径NA实现。下面具体分析传统光刻分辨力的极限及对应的改进措施。4.1.1降低工艺因子K1对实验环境，工艺因子可降低至0.5，而生产环境一般为0.7，要想使工艺因为最小，就只有当掩膜设计，照明条件和抗蚀剂工艺同时达到最佳化时才能实现。可是这些条件并不容易满足，经过10年的努力

27、，工艺因子在生产中仅仅达到了0.4，而且当k1降低到0.25时就达到了物理极限。4.1.2 提高数值孔径在增大物镜的数值孔径方面，由目前193nmArF光刻机的数值孔径已达0.85，比最初的0.28增大了300%.但是这个数值已经接近极限了，再进一步提高几乎是不可能的了。4.1.3 缩短曝光波长在光源方面，经历了g线（436nm）-i线(365nm)远紫外线(248nm)深紫外线（193nm）4个阶段。如果采用更短的波长，则需要更复杂的光源系统，成本会大大增加。同时，波长越来越短又造成了焦深的大大减小，从而带来一系列问题。不过相对于以上两个方向，通过缩短波长这一举措来提高分辨力还是最可行的，因

28、为目前还没有达到接近其物理极限的水平。下面介绍几种新一代的光刻技术：a.极紫外光刻（EUVL）极紫外光刻用波长为10-14纳米的极紫外光作 光源。虽然该技术最初被称为软X射线光刻，但实际上更类似于光学光刻。所不同的是由于在材料中的强烈吸收，其光学系统必须采用反射形式。极紫外光已经是光学光源的极限了，所以下一步也许就该考虑非光学光源的研究了。b.X射线光刻（XRL）XRL光源波长约为1纳米。由于易于实现高分辨率曝光，自从XRL技术在70年代被发明以来，就受到人们广泛的重视。XRL的主要困难是获得具有良好机械物理特性的掩膜衬底。近年来掩膜技术研究取得较大进展。SiC目前被认为是最合适的衬底材料。由于与XRL相关的问题的研究已经比较深入，加之光学光刻技术的发展和其它光刻技术的新突破，XRL不再是未来"惟一"的候选技术，美国最近对XRL的投入有所减小。尽管如此，XRL技术仍然是不可忽视的候选技术之一。c.电子束光刻（EBL）电子束光刻采用高能电子束对光刻胶进行曝光从而获得结构图形，由于其德布罗意波长为0.004纳米左右，电子束光刻不受衍射极限的影响，可获得接近原子尺度的