半导体器件与工艺光刻

关于半导体器件与工艺光刻

光刻工艺是半导体工艺过程中非常重要的一道工序，它是用来在晶圆表面建立图形的工艺过程。这个工艺过程的目标有两个。首先是在晶圆表面建立尽可能接近设计规则中所要求尺寸的图形；第二个目标是在晶圆表面正确定位图形。整个电路图形必须被正确地定位于晶圆表面，电路图形上单独的每一部分之间的相对位置也必须是正确的。最终的图形是用多个掩膜版按照特定的顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来的。因为在光刻工艺过程中的每一步都会有变化，所以对特征图形尺寸和缺陷水平的控制是很难的。光刻操作步骤的数目之多和光刻工艺层的数量之大，可看出光刻工艺在半导体工艺过程中是一个主要的缺陷来源。

引言第2页,共86页，2024年2月25日，星期天引言第3页,共86页，2024年2月25日，星期天

光刻工艺是一种多步骤的图形转移过程。首先是在掩膜版上形成所需要的图形，之后通过光刻工艺把所需要的图形转移到晶圆表面的每一层。图形转移是通过两步来完成的。首先，图形被转移到光刻胶层。光刻胶是一种感光物质。曝光后会导致它自身性质和结构的变化。光刻胶被曝光的部分由可溶性物质变成了非溶性物质。这种光刻胶类型被称为负胶，这种化学变化称为聚合。通过化学溶剂（显影剂）把可以溶解的部分去掉，在光刻胶层就会留下一个孔，这个孔就是和掩膜版不透光的部分相对应的。

光刻工艺概述

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第二次图形转移是从光刻胶层到晶圆层。当刻蚀剂把晶圆表面没有被光刻胶盖住的部分去掉的时候，图形转移就发生了。光刻蚀工艺概述

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对光有负效应的光刻胶，称为负胶。同样还有对光有正效应的光刻胶，称为正胶。光可以改变正胶的化学结构从不可溶到可溶。

光刻蚀工艺概述

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对准容差、晶圆表面情况和光刻层数都会影响到特定光刻工艺的难易程度和每一步骤的工艺。许多光刻工艺都被定制成特定的工艺条件。然而，大部分都是基本光刻10步法的变化。我们所举例的这个工艺过程是一个亮场掩膜版和负胶相作用的过程。

光刻10步法

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光刻胶的组成

光刻胶会根据不同的光的波长和不同的曝光源而进行调试。光刻胶具有特定的热流程特点，用特定的方法配制而成，与特定的表面结合。在光刻胶里面有4种基本的成分：聚合物、溶剂、感光剂和添加剂。

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■光敏性和对能量敏感的聚合物对光刻胶光敏性有影响的成分是一些对光和能量敏感的特殊聚合物。普通应用的光刻胶被设计成与紫外线和激光反应,称为光学光刻胶。还有其他光刻胶可以与X射线或者电子束反应。当负胶被正常光照射也会发生聚合反应。为了防止意外曝光，负胶的生产是在黄光的条件下进行的。在正胶中，聚合物是相对不可溶的。在用适当的光能量曝光后，光刻胶转变成可溶状态。这种反应称为光溶解反应。光刻胶中光溶解部分会在显影工艺中用溶剂去掉。

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■溶剂

光刻胶中容量最大的成分是溶剂。溶剂使光刻胶处于液态，并且使光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶圆表面。■光敏剂化学光敏剂被添加到光刻胶中用来产生或者控制聚合物的特定反应。光敏剂被加到光刻胶中用来限制反应光的波谱范围或者把反应光限制到某一特定波长的光。■添加剂

不同类型的添加剂和光刻胶混合在一起来达到特定的结果。一些负胶包含有染色剂，它在光刻胶薄膜中用来吸收和控制光线。正胶可能会有化学的抗溶解系统。这些添加剂可以阻止光刻胶没有被曝光的部分在显影过程被溶解。

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光刻胶的表现要素

光刻胶的选择是一个复杂的程序。主要的决定因素是晶圆表面对尺寸的要求。光刻胶首先必须具有产生所要求尺寸的能力，必须有在刻蚀过程中阻隔刻蚀的功能。在阻隔刻蚀的作用中，保持有特定厚度的光刻胶层中一定不能存在针孔。另外，光刻胶必须能和晶圆表面很好地黏结，否则刻蚀后的图形就会发生扭曲。以上连同阶梯覆盖度，都是光刻胶的表现要素。第11页,共86页，2024年2月25日，星期天正胶和负胶的比较

用掩膜版和两种不同光刻胶结合而在晶圆表面光刻得到的尺寸是不一样的。由于光在图形周围会有衍射，用负胶和亮场掩膜版组合在光刻胶层上得到的图形尺寸要比掩膜版上的图形尺寸小。用正胶和暗场掩膜版组合会使光刻胶层上的图形尺寸变大。这些变化必须在掩膜版的制作和光刻工艺的设计过程中考虑到。换句话说，光刻胶类型的转变需要一个全新的光刻工艺。

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负胶的另一个问题是氧化。这是光刻胶和空气中氧气的反应，它能使光刻胶膜厚变薄20％。而正胶没有这种属性。正胶比负胶的成本要高，但这种高成本可以通过高良品率来抵消。

两种类型的光刻胶的显影属性也是不同的。负胶所用的显影剂非常容易得到，聚合和非聚合区域的可溶性有很大的不同。在显影过程中，图形尺寸相对保持恒定。相对于正胶来讲，聚合区域和非聚合区域的可溶性区别较小，它需要用仔细准备过的显影剂来显影，并且在显影过程中要进行温度控制。第13页,共86页，2024年2月25日，星期天光刻工艺

一、表面准备为确保光刻胶能和晶圆表面很好粘贴，必须要进行表面准备。这一步骤是由三个阶段来完成的：微粒清除、脱水和涂底胶。

■微粒清除

晶圆几乎总是从一个清洁的区域来到光刻蚀区域的，例如氧化、掺杂、化学气相淀积。然而，晶圆在存储，装载和卸载到片匣过程中，可能会吸附到一些颗粒状污染物，而这些污染物是必须要清除掉。根据污染的等级和工艺的需要，可以用几种不同的微粒清除方法。

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■脱水烘焙

干燥的表面称做憎水性表面，在憎水性表面上液体会形成小滴。憎水性表面有益于光刻胶的粘贴。有两个重要的方法来保持憎水性表面。一是把室内湿度保持在50％以下，并且在晶圆完成前一步工艺之后尽可能快地对晶圆进行涂胶。另一种方法是把晶圆存储在干燥器中。在大多数光刻蚀工艺中，只用低温烘焙。通过热板，箱式对流传导或者真空烤箱很容易完成。■晶圆涂底胶除了脱水烘焙外，晶圆还可以通过涂底胶步骤来保证它能和光刻胶粘贴得很好。在半导体光刻蚀工艺中，底胶的作用是从化学上把晶圆表面的水分子系在一起，因此增加了表面的附着能力。第15页,共86页，2024年2月25日，星期天光刻工艺

二、涂光刻胶涂胶工艺的目的就是在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺陷的光刻胶膜。一般来说，光刻胶膜厚从0.5微米到1.5微米不等，而且它的均匀性必须要达到只有正负0.01微米的误差。也就是说，对于1.0微米厚的光刻胶膜只有1％的变化。涂胶工艺需防止或是降低晶圆外边缘部分光刻胶的堆起，这种堆起会在曝光和刻蚀过程中造成图形的变形。第16页,共86页，2024年2月25日，星期天光刻工艺

■静态涂胶工艺晶圆在涂完底胶之后会停在针孔吸盘上面，光刻胶被堆积在晶圆的中心。所涂光刻胶总量的大小是非常关键的，它是由晶圆的大小和所用光刻胶的类型决定的。如果量少了会导致晶圆表面涂胶不均，如果量大了会导致晶圆边缘光刻胶的堆积或光刻胶流到晶圆背面。当胶液达到规定的直径，吸盘会很快地加速到一个事先设定好的速度。在加速过程中，离心力会使光刻胶向晶圆边缘部扩散并且甩走多余的光刻胶，只把平整均匀的光刻胶薄膜留在晶圆表面。在光刻胶被分散开之后，高速旋转还会维持一段时间以便使光刻胶干燥。第17页,共86页，2024年2月25日，星期天光刻工艺

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■动态喷洒大直径晶圆对均匀胶膜的需求促成了动态旋转喷洒技术的研发。对于这种技术，晶圆在以500rpm低速旋转的时候，光刻胶被喷洒在晶圆表面。低速旋转的作用是帮助光刻胶最初的扩散。用这种方法我们可以用较少量的光刻胶而达到更均匀的光刻胶膜。光刻胶扩展开之后，旋转器加速至高速来完成最终的光刻胶扩展并得到薄而且均匀的光刻胶膜。

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■背面涂胶在某些器件的工艺中，需要在光刻过程中保持晶圆背面氧化物的存在。一种方法是通过在晶圆背面涂光刻胶来完成的。这种背面涂胶的要求仅仅是一个足够厚的光刻胶膜来阻隔刻蚀。通常晶圆是在正面涂胶完成之后通过一个滚动机在晶圆背面进行涂胶的。另外还有一种背面刻蚀保护系统，它是通过在晶圆背面附加上一种塑料薄片来达到的。

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软烘焙是一种以蒸发掉光刻胶中一部分溶剂为目的的加热过程。软烘焙完成之后，光刻胶还保持一定软度。蒸发溶剂有两个原因。溶剂的主要作用是能够让光刻胶在晶圆表面涂一薄层，在这个作用完成以后，溶剂的存在干扰余下的工艺过程。第一个干扰是在曝光的过程中发生的。光刻胶里面的溶剂会吸收光，进而干扰光敏感聚合物中正常的化学变化。第二个问题是和光刻胶黏结有联系的。软烘焙

第21页,共86页，2024年2月25日，星期天软烘焙

在光刻过程中，两大主要目标是正确的图形定义和在刻蚀过程中光刻胶和晶圆表面良好的黏结。这两个目标都会受软烘温度的影响。不完全烘焙会在曝光过程中造成图像成形不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移。过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应。光刻胶供应商会提供软烘温度和时间的范围，之后光刻工艺师再把这些参数优化。负胶必须要在氮气中进行烘焙，而正胶可以在空气中烘焙。第22页,共86页，2024年2月25日，星期天软烘焙

■对流烘箱

对流烘箱是非自动化生产线的主要烘焙设备。它是一个在隔热封闭环境中的不锈钢反应室。环绕反应室的管道提供氮气或空气，气体在被导入反应室前先经过一个加热器加热。反应室内配有放置晶圆承片器的搁架。承片器要在烘箱中停留预先设定的一段时间，这时加热气体会把它们的温度升高。第23页,共86页，2024年2月25日，星期天软烘焙

■移动带式热板

在集成系统中，使用单片晶圆热板在生产率上的局限在于回转工步的总体时间。典型的回转时间为20－40秒，这就意味着要想使晶圆连续不停地“流动”，软烘焙就必须在这个时间范围内完成。这个时间长度对某些光刻胶和某些工艺来说太短了。把晶圆放到加热过的移动带上，设定温度和钢带速度以满足软烘焙的要求。这样就可以使晶圆连续不断地“流动”。

第24页,共86页，2024年2月25日，星期天软烘焙

■移动带式红外烘箱

对快速、均匀和不结壳的软烘焙方法的渴望，使得红外辐射源得以发展。红外烘焙比传导式烘焙要快得多，而且是“由内至外”加热的。红外波穿过光刻胶涂层，但并不将其加热。晶圆吸收了能量，变热，继而从底部加热光刻胶涂层。第25页,共86页，2024年2月25日，星期天对准和曝光

对准和曝光的第一步是把所需图形在晶圆表面上定位或对准。第二步是通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上。光刻胶是此工艺的“材料”核心，而对准和曝光则是该工艺的“设备”核心。图形的准确对准，以及光刻胶上精确的图形尺寸的形成是器件和电路正常工作的决定性因素。此外，晶圆加工时间的60％都在光刻区域中。第26页,共86页，2024年2月25日，星期天■对准系统的性能表现一个对准系统包括两个主要的子系统。一个子系统是要把图形在晶圆表面上准确定位。另一个是曝光子系统，该子系统包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向到晶圆表面上的机械装置。最重要的参数要算分辨力（机器产生特定尺寸图形的能力）。除所需图形尺寸的分辨率以外，对准机还必须具有将图形准确定位的能力。这一性能参数叫做对准机的套准能力。这两项指标都必须在整个晶圆上体现，这就是尺寸控制。对准和曝光

第27页,共86页，2024年2月25日，星期天■对准与曝光系统直到20世纪70年代中期，可供选择的光刻和曝光设备只有两种：接触式光刻机和接近式光刻机。而今，光刻机已发展到包括光学和非光学两种类型。光学光刻机采用紫外光作为光源，而非光学光刻机的光源则来自电磁光谱的其他部分。为满足减小特征图形尺寸，增加电路密度，以及ULSI时代对产品缺陷的要求，光刻设备不断得以发展。对准和曝光

第28页,共86页，2024年2月25日，星期天光刻设备■接触式光刻机接触式光刻机的掩膜版包括了要复制到硅片表面的所有芯片阵列图形。硅片被涂上光刻胶，并被装到一个由手动按钮控制左右和旋转的台子上（台子有X、Y方向和旋转的定位功能）。掩膜版和硅片通过分立视场显微镜同时观察。于是操作者用手动控制台子定位就把掩膜版图形和硅片上的图形对准了。一旦掩膜版和硅片对准，掩膜版就开始和硅片表面的光刻胶涂层直接接触，这就是称这种设备为接触式光刻机的原因。此时硅片和掩膜版经紫外（UV）光曝光。紫外光通过掩膜版透明部分，掩膜版的图形就被转移到光刻胶上。第29页,共86页，2024年2月25日，星期天

接触式光刻系统依赖人操作，并且容易被沾污，因为掩膜版和光刻胶是直接接触的。颗粒沾污损坏了光刻胶层、掩膜版或两者都损坏了，每5次到25次操作就需更换掩膜版。颗粒周围的区域都存在分辨率问题。由于接触式光刻中一块掩膜版在整个硅片上形成图形，对准时整个硅片的偏差又必须在所需容差之内，因此当硅片尺寸增加就有套准精度问题。接触光刻确实能够在硅片表面形成高分辨率的图形，因为掩膜版图形和硅片非常接近。这种接近减少了图像失真。然而，接触光刻非常依赖于操作者，这就引人了重复性和控制问题。

光刻机的分类第30页,共86页，2024年2月25日，星期天光刻机的分类■接近式光刻机在接近式光刻中，连续复制整个硅片图形，掩膜版不与光刻胶直接接触。它与光刻胶表面接近，在掩膜版和硅片表面光刻胶之间有大致2.5到25微米的间距。光源产生的光是被准直的，这意味着光束彼此平行。接近式光刻企图缓解接触式光刻机的沾污问题，它是通过在光刻胶表面和掩膜版之间形成可以避免颗粒的间隙实现的。尽管间距大小被控制，接近光刻机的工作能力还是被减小了，因为当紫外光线通过掩膜版透明区域和空气时就会发散。这种情况减小了系统的分辨能力，减小线宽关键尺寸就成了主要问题。第31页,共86页，2024年2月25日，星期天光刻机的分类■扫描投影光刻机扫描投影光刻机的概念是利用反射镜系统把有1:1图像的整个掩膜图形投影到硅片表面。由于掩膜版是1倍的，图像就没有放大和缩小，并且掩膜版图形和硅片上的图形尺寸相同。紫外光线通过一个狭缝聚焦在硅片上，能够获得均匀的光源。掩膜版和带胶硅片被放置在扫描架上，并且一致地通过窄紫外光束对硅片上的光刻胶曝光。由于发生扫描运动，掩膜版图像最终被光刻在硅片表面。扫描投影光刻机的一个主要挑战是制造良好的包括硅片上所有芯片的1倍掩膜版。如果芯片中有亚微米特征尺寸，那么掩膜版上也有亚微米尺寸。由于亚微米特征尺寸的引入，这种光刻方法很困难，因为掩膜不能做到无缺陷。第32页,共86页，2024年2月25日，星期天光刻机的分类■分步重复光刻机

这种设备只投影一个曝光场（这可能是硅片上的一个或多个芯片），然后步进到硅片上另一个位置重复曝光。步进光刻机使用投影掩膜版，上面包含了一个曝光场内对应一个或多个芯片的图形。光学步进光刻机的一大优势在于它具有使用缩小透镜的能力。步进光刻机的投影掩膜版图形尺寸是实际像的4倍、5倍或10倍。这个缩小的比例使得制造投影掩膜版更容易，因为投影掩膜版上的特征图形是硅片上最终图形的几倍。不缩小的投影光刻机的好处是成本低并可用于非关键层图形制造。

第33页,共86页，2024年2月25日，星期天光刻机的分类

步进光刻机都会把投影掩膜版通过投影透镜聚焦到硅片表面，使硅片和掩膜版对准。穿过投影掩膜版上透明区域的紫外光对光刻胶曝光，然后步进到硅片下一个位置重复全部过程。通过继续这个过程，步进光刻机最终会通过连续的曝光步骤把所有芯片阵列复制到硅片表面。由于步进光刻机一次只曝光硅片的一小部分，所以对硅片平整度和几何形状变化的补偿变得容易。

第34页,共86页，2024年2月25日，星期天光刻机的分类■步进扫描光刻机步进扫描光学光刻系统是一种混合设备，融合了扫描投影光刻机和分步重复光刻机技术，是通过使用缩小透镜扫描一个大曝光场图像到硅片上一部分实现的。一束聚焦的狭长光带同时扫过掩膜版和硅片。一旦扫描和图形转印过程结束，硅片就会步进到下一个曝光区域重复这个过程。使用步进扫描光刻机曝光硅片的优点是增大了曝光场，可以获得较大的芯片尺寸。大视场的主要优点是有机会在投影掩膜版上多放几个图形，因而一次可以多曝光些芯片。步进扫描光刻机的另一个重要优点是具有在整个扫描过程调节聚焦的能力，使透镜缺陷和硅片平整度变化能够得到补偿。这种扫描过程中改进的聚焦控制产生了整个曝光场内改善的CD均匀性控制。第35页,共86页，2024年2月25日，星期天光刻机的分类■X射线光刻机

X射线系统与UV和DUV系统在功能上相似，但它的曝光光源是X射线。这种高能光束的波长小，能够形成很小的图形。它的一个缺点是，为挡住高能光线，掩膜版必须用黄金或其他材料制造。另外，开发适合X射线的高性能光刻胶的过程相当缓慢。挑战在于如何平衡X射线的高灵敏度的同时保持很好的刻蚀阻挡。

第36页,共86页，2024年2月25日，星期天光刻机的分类■电子束光刻机所需图形从计算机中生成，因此没有掩膜版。束流通过偏转子系统对准表面特定位置，然后在将要曝光的光刻胶上开启电子束。较大的衬底被放置在X-Y承片台上，并在电子束下移动，从而得到整个表面的曝光。这种对准和曝光的技术叫做直写技术。

第37页,共86页，2024年2月25日，星期天对准

套准精度（也称做套准）是测量对准系统把版图套准到硅片上图形的能力。套准容差描述要形成的图形层和前层的最大相对位移。一般而言，套准容差大约是关键尺寸的三分之一。对于0.15微米的设计规则，套准容差预计为50纳米。步进光刻机和步进扫描光刻机都有一个精密复杂的自动对准系统，它测定硅片和投影掩膜版的位置和方向，然后在曝光前把硅片和投影掩膜版对准。设备对准系统很快确定不同对准标记在曝光设备坐标系统中的位置。设备程序控制中的对准软件用来计算偏差量和承片台需要移动的方向，以便把硅片送到设备规定的套准容差内。第38页,共86页，2024年2月25日，星期天对准

对准标记是置于投影掩膜版和硅片上用来确定它们的位置和方向的可见图形。

第39页,共86页，2024年2月25日，星期天偏差

光刻偏差是掩膜版上的特征尺寸与复印在硅片上的尺寸的差距。对于不同尺寸的结构，复制偏差量是不同的。一个光刻偏差的例子是方形接触孔的尺寸接近光学系统的分辨率就会光刻出圆形的角。解决这个问题可能通过在版图结构上加上衬线，这在光刻硅片时能够帮助保持如接触孔正方形的特征。第40页,共86页，2024年2月25日，星期天

为得到所需的图像，使用狭波或单一波长曝光光源，准直平行光，以及对上述距离严格控制的方法都被运用到光刻机中。使用最广泛的曝光光源是高压汞灯，它所产生的光为紫外光（UV〕。为减小特征图形尺寸，起初使用的灯泡和光刻胶不断地发展和改进。为获得更高的清晰度，光刻胶被设计成只与汞灯光谱中很窄一段波长的光反应。这种需求使得在光谱更短波长中使用的灯泡和光刻胶得以发展。光谱中的这一部分称为深紫外区或DUV。其他可以提供波长较短，曝光能量较高的光源还有：准分子激光器，X射线以及电子束。

曝光光源第41页,共86页，2024年2月25日，星期天曝光光源第42页,共86页，2024年2月25日，星期天掩膜版

在硅片制造中经常使用两个术语：投影掩膜版和掩膜版。投影掩膜版只包括硅片上一部分图形（例如4个芯片）。这个图形必须通过分步重复来覆盖整个衬底。在硅片制造中投影掩膜版用于分步重复光刻机和步进扫描光刻机、光掩膜版或掩膜版包含了整个硅片的芯片阵列并且通过单一曝光转印图形(1:1图像转印、掩膜版用于较老的接近式光刻和扫描对准投影机中)。

掩膜版必须制造得非常完美。所有硅片上的电路元件都来自版图，因此投影掩膜版的质量在亚微米光刻获得高质量图形中扮演着关键角色。如果版图缺陷（如变形和不正确图形位置）没有被发现，它们就会被复制到硅片表面的光刻胶上。投影掩膜版在它们刚制造完毕，就要进行大量的自动测试来检查缺陷和颗粒。

第43页,共86页，2024年2月25日，星期天显影

晶圆完成定位和曝光后，器件或电路的图案被以曝光和未曝光区域的形式记录在光刻胶上。通过对未聚合光刻胶的化学分解来使图案显影。显影技术被设计成使之把完全一样的掩膜版图案复制到光刻胶上。不良的显影工艺造成的问题是不完全显影，它会导致开孔的不正确尺寸，或使开孔的侧面内凹。在某些情况下，显影不够深而在开孔内留下一层光刻胶。第三个问题是过显影会过多地从图形边缘或表面上去除光刻胶。

第44页,共86页，2024年2月25日，星期天显影■负光刻胶显影在光刻胶上成功地使图案显影要依靠光刻胶的曝光机理。负光刻胶暴露在光线下，会有一个聚合的过程，它会导致光刻胶聚合。在两个区域间有足够高的分解率以使聚合的区域只失去很小部分光刻胶。显影完成后还要进行冲洗，冲洗的作用是双重的。第一，快速地稀释显影液。虽然聚合的光刻胶不会被显影液分解，但在曝光的边缘总会有一个过渡区，其中包含部分聚合的分子。如果显影液留在表面上便会溶解这部分区域而改变图案尺寸。第二，冲洗可去除在开孔区少量部分聚合的光刻胶。第45页,共86页，2024年2月25日，星期天显影■正光刻胶显影正光刻胶有不同的显影条件。两个区域（聚合的和未聚合的区域）有不同的溶解率，约为1:4。这意味着在显影中总会从聚合的区域失去一些光刻胶。使用过度的显影液或显影时间过长可以导致光刻胶太薄而不能使用。结果有可能导致在刻蚀中翘起或断裂。大多数用正光刻胶的制造厂使用四甲基氢氧化氨溶液（TMAH）。有时要添加表面活性剂来去除表面张力使溶液更易亲合晶圆表面。正光刻胶的性质使它们在环保上比有机溶液的负光刻胶更具吸引力。正光刻胶的显影工艺比负光刻胶更为敏感。

第46页,共86页，2024年2月25日，星期天湿法显影

■沉浸沉浸是在耐化学腐蚀的传输器中的晶圆被放进盛有显影液的池中放置一定的时间然后再被放入加有化学冲洗液的池中进行冲洗。■喷射显影喷射工艺可在单一或批量系统中完成。在单一晶圆配置中，晶圆被真空吸在吸盘上并旋转，同时显影液和冲洗液依次喷射到晶圆表面。冲洗之后晶圆吸盘高速旋转使晶圆被甩干。在外观和设计上，单晶圆喷射系统和点胶机一样只是通入不同的化学品。单晶圆喷射系统具有可集成显影和硬烘焙工艺而实现自动化的优点。这个工艺的一个主要优点是均匀性的提高。

第47页,共86页，2024年2月25日，星期天■混凝显影混凝显影是用以获得正光刻胶喷射显影工艺优点的一种工艺。工艺开始时，在静止的晶圆表面上覆盖一层显影液。表面张力使显影液在晶圆表面上不会流散到晶圆外。要求显影液在晶圆表面上停留一定的时间，通常是以吸盘加热的晶圆，这时绝大部分的显影会发生。混凝显影实际上是单晶圆且只有晶圆单面沉浸的工艺。在要求的时间过后，更多的显影液被喷到晶圆表面上并冲洗、干燥，然后送下一道工序。

■等离子体去除浮渣不完全显影会造成浮渣，浮渣可以是留在晶圆表面上的未溶解的光刻胶块或是干燥后的显影液。在微米和微米以下的ULSI生产线中，在化学显影后用氧等离子体来去除浮渣。

湿法显影

第48页,共86页，2024年2月25日，星期天

干法等离子体刻蚀对于刻蚀晶圆表面层已经是完善的工艺了。在等离子体刻蚀中，离子由等离子体场得到能量，以化学形式分解暴露的晶圆表面层。干法光刻胶显影要求光刻胶化学物的曝光或未曝光的部分易于被氧等离子体去除，即图案的部分从晶圆表面上氧化掉。干法（等离子）显影

第49页,共86页，2024年2月25日，星期天

硬烘焙通过溶液的蒸发来固化光刻胶，使光刻胶和晶圆表面有良好的粘贴。硬烘焙的时间和温度的决定与在软烘焙工艺是一样的。起始点是由光刻胶制造商推荐的工艺。之后，工艺被精确调整，以达到粘贴和尺寸控制的要求。硬烘焙是立即在显影后或是马上在开始刻蚀前来进行的。热烘焙增强粘贴的机理是脱水和聚合。加热使水份脱离光刻胶，同时使之进一步聚合，从而增强了其耐刻蚀性。硬烘焙温度的上限以光刻胶流动点而定。当光刻胶流动时，图案尺寸便会改变。硬烘焙

第50页,共86页，2024年2月25日，星期天

在显影和烘焙之后就是要完成光刻掩膜工艺的第一次质检。检验的目的是区分那些有很低可能性通过最终掩膜检验的晶圆，提供工艺性能和工艺控制数据；以及分拣出需要重做的晶圆。

显影检验

第51页,共86页，2024年2月25日，星期天■人工检验直观检验晶圆表面。检验可在正常的室内光线下进行，但是更多时候晶圆要在直射的白光或高密度紫外光下进行。检验时晶圆与光线成一定的角度。用这种方法可以非常有效地检查出膜厚的不规则、粗显影问题、划伤及污染，特别是污点。

显影检验的方法

第52页,共86页，2024年2月25日，星期天

随着芯片密度的增大每个芯片上的器件也在减小。这就要用倍数更大的显微镜来检查。放大倍数的增加会使视景减小，这又会造成操作员用更多的时间来检查晶圆。通常的规程是选择一些具体的区域来检查。在每个掩膜级别，有一些图案的尺寸对于整个电路是非常关键的。对每个级别有一个代表性的图案被选出来作为关键尺寸（CriticalDimension，CD）。■自动检验随着芯片尺寸增大和元件尺寸的减小，工艺变得更加繁多并精细，人工检验的效力也到了极限。自动检验系统提供了更多数据。显影检验的方法

第53页,共86页，2024年2月25日，星期天刻蚀

在完成显影检验步骤后，掩膜版的图案就被固定在光刻胶膜上并准备刻蚀。在刻蚀后图案就会被永久地转移到晶圆的表层。刻蚀就是通过光刻胶暴露区域来去掉晶圆最表层的工艺。刻蚀工艺主要有两大类：湿法和干法刻蚀。两种方法的主要目标是将光刻掩膜版上的图案精确地转移到晶圆的表面。第54页,共86页，2024年2月25日，星期天刻蚀参数

■刻蚀速率在刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度，通常用Å/min表示。刻蚀窗口的深度称为台阶高度。

第55页,共86页，2024年2月25日，星期天■刻蚀剖面

指的是被刻蚀图形的侧壁形状。有两种基本的刻蚀剖面:各向同性和各向异性刻蚀剖面。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对于小线宽图形亚微米器件的制作来说非常关键。先进集成电路应用上通常需要88到89垂直度的侧壁。各向异性刻蚀大部分是通过干法等离子体刻蚀来实现的。

刻蚀参数

第56页,共86页，2024年2月25日，星期天■刻蚀偏差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，但也能由刻蚀剖面引起。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。

刻蚀参数

第57页,共86页，2024年2月25日，星期天■选择比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面一层材料（刻蚀到恰当的深度时停止）并且保护的光刻胶也未被刻蚀。干法刻蚀通常不能提供对下一层材料足够高的刻蚀选择比。在这种情况下，一个等离子体刻蚀机应装上一个终点检测系统，使得在造成最小的过刻蚀时停止刻蚀过程。当下一层材料正好露出来时，终点检测器会触发刻蚀机控制器而停止刻蚀。

刻蚀参数

第58页,共86页，2024年2月25日，星期天■均匀性刻蚀均匀性是一种衡量刻蚀工艺在整个硅片上，或整个一批，或批与批之间刻蚀能力的参数。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。均匀性的一些问题是因为刻蚀速率和刻蚀剖面与图形尺寸和密度有关而产生的。刻蚀速率在小窗口图形中较慢，甚至在具有高深宽比的小尺寸图形上刻蚀会停止。具有高深宽比硅槽的刻蚀速率要比具有低深宽比硅槽的刻蚀速率慢。这一现象被称为深宽比相关刻蚀（ARDE），也被称为微负载效应。

刻蚀参数

第59页,共86页，2024年2月25日，星期天■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。刻蚀残留物是IC制造过程中的硅片污染源，并能在去除光刻胶过程中带来一些问题。为了去除刻蚀残留物，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时是有意的，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。然而，这些聚合物又必须在刻蚀完成以后去除，否则器件的成品率和可靠性都会受到影响。

刻蚀参数

第60页,共86页，2024年2月25日，星期天■

二氧化硅湿法刻蚀基本的刻蚀剂是氢氟酸（HF），它有刻蚀二氧化硅而不伤及硅的优点。然而，饱和浓度的氢氟酸在室温下的刻蚀速率约为300Å/s。在实际中，氢氟酸（49％）与水或氟化胺与水混合。以氟化胺来缓冲会加速刻蚀速率的氢离子的产生。这种刻蚀溶液称为缓冲氧化物刻蚀（bufferedoxideetcher）或BOE。它们以不同的浓度混合来达到合理的刻蚀时间。一些BOE包括表面活化剂用以减小刻蚀表面的张力，以使其均匀地进入小开孔区。

湿法刻蚀

第61页,共86页，2024年2月25日，星期天■

铝膜湿法刻蚀对于铝和铝合金有选择性的刻蚀溶液是基于磷酸的。铝与磷酸反应的副产物是微小的氢气泡，结果既可产生导致相邻引线短路的铝桥接又可在表面形成不希望出现称为雪球的铝点。特殊配方铝刻蚀溶液的使用缓和了这个问题（含有磷酸、硝酸、醋酸和水）。典型的刻蚀工艺还会包含以搅拌或上下移动晶圆料盒的搅动。有时超声波或磁声波也用来去除汽泡。

湿法刻蚀

第62页,共86页，2024年2月25日，星期天■

淀积氧化物湿法刻蚀晶圆上的最终膜层之一是一层在铝膜上的二氧化硅钝化膜。它要求不同的刻蚀溶液。不同之处是所要求的刻蚀剂的选择性不同。通常刻蚀二氧化硅的刻蚀剂是BOE溶液。但是BOE会腐蚀下层的铝引脚，导致在封装工艺中产生压焊问题。受青睐的刻蚀剂是氟化胺和醋酸1:2的混合水溶液。■氮化硅湿法刻蚀对于钝化层，另外一种受青睐的化合物是氮化硅。可以用液体化学的方法来刻蚀使用的化学品是热磷酸（180℃）。因酸液在此温度下会迅速蒸发，所以刻蚀要在一个有冷却盖的密封回流容器中进行。主要问题是光刻胶经不起刻蚀剂的温度和高刻蚀速率。因此，需要一层二氧化硅或其他材料来阻挡刻蚀剂。这两个因素已导致对于氮化硅使用干法刻蚀技术。

湿法刻蚀

第63页,共86页，2024年2月25日，星期天■

湿法喷射刻蚀湿法喷射刻蚀相对沉浸刻蚀有儿个优点。其主要优点是喷射的机械压力而增加的精确度。湿法喷射刻蚀最低程度地减小了从刻蚀剂来的污染。从工艺控制的现点来看，喷射刻蚀因刻蚀剂可被水冲洗及时地从表面去掉而更加可控。喷射刻蚀系统通常是封闭的，这增加了操作人员的安全性。■蒸气刻蚀

一种正在出现的技术是把晶圆暴露于刻蚀剂蒸气中。HF是最常用到的。其优点是有持续新鲜的刻蚀剂补充到晶圆表面并且可及时停止刻蚀。出于安全考虑，有毒蒸气需要密封在系统内。

湿法刻蚀

第64页,共86页，2024年2月25日，星期天干法刻蚀

对于湿法刻蚀的局限包括：1.湿法刻蚀局限于3微米以上的图案尺寸2.湿法刻蚀为各向同性刻蚀导致边侧形成斜坡3.湿法刻蚀工艺要求冲洗和干燥步骤4.液体化学品有毒害5.湿法工艺有潜在的污染6.光刻胶粘结力的失效导致底切基于这些方面的考虑，干法刻蚀被用于先进电路的小尺寸精细刻蚀中。干法刻蚀（dryetching）是指以气体为主要媒体的刻蚀技术，晶圆不需要液体化学品或冲洗。晶圆在干燥的状态进出系统。有三种干法刻蚀技术：等离子体刻蚀、离子束打磨（刻蚀）和反应离子刻蚀（RIE）。

第65页,共86页，2024年2月25日，星期天■等离子体刻蚀等离子体刻蚀是使用气体和等离子体能量来进行化学反应的化学工艺。等离子体刻蚀机由一个反应室、真空系统、气体供应和电源供应组成。晶圆被送入反应室并且由真空系统把内部压力降低。在真空建立起来后，将反应室内充入反应气体。对于二氧化硅刻蚀，气体一般使用CF4和氧的混合剂。电源能量供应通过在反应室中的电极创造了一个高频电场。能量场将混合气体激发成为等离子体状态。在激发状态，氟刻蚀二氧化硅并将其转化为挥发性成分由真空系统排出。

干法刻蚀

第66页,共86页，2024年2月25日，星期天■平面等离子体刻蚀对于更精确的刻蚀，有极性的等离子体系统受到青睐。这种系统是将晶圆被放置在一个有接地的、在射频电极下的盘上。刻蚀实际上发生在等离子体中。刻蚀离子相比在桶形系统中是有方向性的，将导致更加各向异性刻蚀。用等离子体刻蚀可得到几乎垂直的侧边。在该系统中，旋转晶圆盘可增加刻蚀均匀性。

干法刻蚀

第67页,共86页，2024年2月25日，星期天干法刻蚀

第68页,共86页，2024年2月25日，星期天■离子束刻蚀（离子铣）离子束刻蚀是一个物理工艺。晶圆在真空反应室内被置于固定器上，并且向反应室导入氩气流。当进入反应室，氩气便受到从一对阴阳极来的高能电子束流的影响。电子将氩原子离子化成为带正电荷的高能状态。由于晶圆位于接负极的固定器上，从而氢离子便被吸向固定器。当氩原子向晶圆固定器移动时，它们会加速，提高能量。在晶圆表面，它们轰击进入暴露的晶圆层并从晶圆表面刻掉一部分。离子束刻蚀也叫做喷溅刻蚀（sputteretching）或离子打磨（ionmilling）。材料的去除（刻蚀）非常有方向性（各向异性），导致良好的开口区域精密度。因为是物理工艺，离子打磨的选择性很差。

干法刻蚀

第69页,共86页，2024年2月25日，星期天■反应离子刻蚀反应离子刻蚀（RIE）系统结合等离子体刻蚀和离子束刻蚀原理。系统在结构上与等离子体刻蚀系统相似，但具有离子打磨的能力。RIE系统一个主要优势是在刻蚀硅层上的二氧化硅层。它们的结合使得选择提高到35:1，而在只有等离子体刻蚀时为10:1。RIE系统已成为用于最先进生产线中的刻蚀系统。

干法刻蚀

第70页,共86页，2024年2月25日，星期天■高密度等离子体刻蚀

在先进的集成电路制造技术中用于刻蚀关键层最主要的刻蚀方法是单片处理的高密度等离子体刻蚀技术。对于0.25微米级以下尺寸的几何图形，标准等离子体刻蚀系统难以使刻蚀基进入高深宽比图形并使刻蚀生成物从高深宽比图形中出来。刻蚀反应速率降低并实际停止于图形的底部和低端。解决方法是降低系统的工作压力，以增加气体分子和离子的平均自由程，这能有效减少影响图形剖面控制的碰撞。然而，由于压力的减小而减少了离子密度，从而降低了刻蚀速率。这需要高密度等离子体以产生足够的离子，从而在低压下获得可接受的刻蚀速率。这种技术产生高方向性的离子，在高深宽比图形中获得各向异性刻蚀。

干法刻蚀

第71页,共86页，2024年2月25日，星期天■终点检测

干法刻蚀不同于湿法腐蚀之处在于它对下面的材料没有好的选择比。需要终点检测来监测刻蚀工艺并停止刻蚀以减小对下面材料的过度刻蚀。终点检测系统测量一些不同的参数，如刻蚀速率的变化、在刻蚀中被去除的腐蚀产物的类型或在气体放电中活性反应剂的变化。用于终点检测的一种方法是光发射谱。这一测量方法集成在刻蚀腔体中以便进行实时监测。

干法刻蚀

第72页,共86页，2024年2月25日，星期天■多晶硅刻蚀多晶硅刻蚀气体传统上是氟基气体，包括CF4、CF4/O2、SF6、C2F6/O2和NF3。在刻蚀硅的过程中氟原子起作用，然而，这种化学气体产生的刻蚀是各向同性的。这可以通过减少氟原子数量和增加离子能量来改善，但也降低了多晶硅对二氧化硅的选择比。为了避免溅射掉栅氧化层，轰击离子的能量必须足够低。为了解决这些问题，多晶硅等离子体刻蚀气体常常包含氯和溴。氯产生各项异性的多晶硅刻蚀并对氧化硅有好的选择比。溴对氧化硅的选择比比氯还要高。对应于氟、氯、溴化学气体的挥发性刻蚀生成物是SiF4、SiCl4和SiBr4，所有这些生成物都在刻蚀以后从腔体中抽走。干法刻蚀

第73页,共86页，2024年2月25日，星期天■单晶硅刻蚀在集成电路中硅槽的刻蚀要求对每一个沟槽都进行精确的控制。通过在气体中加入碳来对侧壁进行钝化，防止侧壁被横向侵蚀。侧壁的形状与硅片的温度有关，增加温度则侧壁钝化较少，横向刻蚀增加。对于浅槽的等离子体干法刻蚀，有时使用氟气，因为它的刻蚀速率高并对起掩蔽作用的光刻胶有足够的选择比。对深槽而言，常使用的是氯基或溴基气体，这些气体有高的硅刻蚀速率和对于氧化硅的高选择比。在高密度等离子体刻蚀中，溴气越来越常用，因为溴气是一种不需要广泛使用碳来对侧壁进行钝化的刻蚀剂（减少污染）。

干法刻蚀

第74页,共86页，2024年2月25日，星期天■铝和金属复合层

通常用氯基气体来刻蚀铝，纯氯刻蚀铝是各向同性的。为了获得各向异性的刻蚀工艺，必须在刻蚀气体中加入聚合物来对侧壁进行钝化。在铝的刻蚀中也用到BCl3，它具有用于物理刻蚀的大分子量并能很好地控制侧壁剖面。为了减少微负载效应并有助于侧壁钝化，通常也加入少量的N2。用氟基气体来刻蚀铝是不可行的，因为它的生成物是低蒸气压非挥发性的产物AlF3，这就意味着它的刻蚀速率很有限。

干法刻蚀

第75页,共86页，2024年2月25日，星期天■钨

钨是在多层金属结构中常用的一种用于通孔填充的重要金属。氯基气体（如Cl2或CCl4）能用来刻蚀钨并改善各向异性特性和选择比.

■接触金属刻蚀

在MOS器件制造中，接触金属的刻蚀是很关键的，因为尺寸的控制会影响到器件的沟道长度。接触金属等离子体刻蚀可以采用氟基或氯基气体。氟基气体由于在增大的刻蚀速率的情况下所具有的良好尺寸控制特性而被使用。

干法刻蚀

第76页,共86页，2024年2月25日，星期天

刻蚀之后，图案成为晶圆最表层永久的一部分。作为刻蚀阻挡层的光刻胶层不再需要了，而要从表面去掉。传统的方法是用湿法化学工艺将其去除。湿法化学液在前端工艺中是较受欢迎的方法，因为表面和MOS栅极暴露易于受到等离子体损伤。氧气等离子体去除光刻胶层的使用正在增