半導(dǎo)體工藝講解

1、半導(dǎo)體工藝講解（1）-掩模和光刻（上）概述光刻工藝是半導(dǎo)體制造中最為重要的工藝步驟之一。主要作用是將掩膜板上 的圖形復(fù)制到硅片上，為下一步進行刻蝕或者離子注入工序做好準備。 光刻的成 本約為整個硅片制造工藝的1/3，耗費時間約占整個硅片工藝的 4060%光刻機是生產(chǎn)線上最貴的機臺，515百萬美元/臺。主要是貴在成像系統(tǒng) （由1520個直 徑為200300mm勺透鏡組成）和定位系統(tǒng)（定位精度小于 10nm）。其折舊速度非常快，大約39萬人民幣/天，所以也稱之為印鈔機。光 刻部分的主要機臺包括兩部分：軌道機（Tracker ），用于涂膠顯影；掃描曝光 機（Seanning ）光刻工藝的要求：光刻工

2、具具有高的分辨率；光刻膠具有高的光學(xué)敏感性； 準確地對準；大尺寸硅片的制造；低的缺陷密度。光刻工藝過程一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、 對準曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測等工序。1、硅片清洗烘干（Cleaning and Pre-Baking ）方法：濕法清洗+去離子水沖洗+脫水烘焙（熱板1502500C,12分鐘,氮氣保護）目的：a、除去表面的污染物（顆粒、有機物、工藝殘余、可動離子）；b、除去水蒸氣，是基底表面由親水性變?yōu)樵魉?，增強表面的黏附性（對光刻膠或 者是HMD®六甲基二硅胺烷）。2、涂底（Priming）方法：a、氣相成底膜的熱板涂底。

3、HMD蒸氣淀積，2002500C,30秒鐘； 優(yōu)點：涂底均勻、避免顆粒污染；b、旋轉(zhuǎn)涂底。缺點：顆粒污染、涂底不均勻、HMD用量大。目的：使表面具有疏水性，增強基底表面與光刻膠的黏附性。3、旋轉(zhuǎn)涂膠（Spi n-on PR Coati ng ）方法：a、靜態(tài)涂膠（Static ）。硅片靜止時，滴膠、加速旋轉(zhuǎn)、甩膠、揮 發(fā)溶劑（原光刻膠的溶劑約占6585%旋涂后約占1020% ；b、動態(tài) (Dynamic)。低速旋轉(zhuǎn) (500rpm_rotation per minute )、滴膠、加速旋轉(zhuǎn)(3000rpm)、甩膠、揮發(fā)溶劑。決定光刻膠涂膠厚度的關(guān)鍵參數(shù)：光刻膠的黏度(Viscosity )，黏

4、度越低， 光刻膠的厚度越薄；旋轉(zhuǎn)速度，速度越快，厚度越薄；影響光刻膠厚度均運性的參數(shù)：旋轉(zhuǎn)加速度，加速越快越均勻；與旋轉(zhuǎn)加速 的時間點有關(guān)。一般旋涂光刻膠的厚度與曝光的光源波長有關(guān)(因為不同級別的曝光波長對應(yīng)不同的光刻膠種類和分辨率)：I-line 最厚，約0.73卩m KrF的厚度約0.40.9卩m ArF的厚度約0.2 0.5 卩 m>4、軟烘(Soft Baking )方法：真空熱板，85120C,3060秒；目的：除去溶劑(47% ;增強黏附性；釋放光刻膠膜內(nèi)的應(yīng)力；防止光 刻膠玷污設(shè)備；邊緣光刻膠的去除(EBR Edge Bead Removal)。光刻膠涂覆后，在硅片邊 緣的

5、正反兩面都會有光刻膠的堆積。邊緣的光刻膠一般涂布不均勻，不能得到很 好的圖形，而且容易發(fā)生剝離(Peeling )而影響其它部分的圖形。所以需要去 除。方法：a、化學(xué)的方法(Chemical EBR)。軟烘后，用 PGME或EGME去邊 溶劑，噴出少量在正反面邊緣出，并小心控制不要到達光刻膠有效區(qū)域；b、光學(xué)方法(Optical EBR )。即硅片邊緣曝光(WEE Wafer Edge Exposure )。在 完成圖形的曝光后，用激光曝光硅片邊緣，然后在顯影或特殊溶劑中溶解5、對準并曝光(Alignment and Exposure )對準方法：a、預(yù)對準，通過硅片上的notch或者flat

6、進行激光自動對準； b、通過對準標志(Align Mark)，位于切割槽(Scribe Line)上。另外層間對 準，即套刻精度(Overlay )，保證圖形與硅片上已經(jīng)存在的圖形之間的對準。曝光中最重要的兩個參數(shù)是：曝光能量(En ergy)和焦距(Focus)。 如果能量和焦距調(diào)整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的圖形。表現(xiàn)為圖形 的關(guān)鍵尺寸超出要求的范圍。曝光方法：a、接觸式曝光(Con tact Printing )。掩膜板直接與光刻 膠層接觸。曝光出來的圖形與掩膜板上的圖形分辨率相當，設(shè)備簡單。缺點：光 刻膠污染掩膜板；掩膜板的磨損，壽命很低(只能使用525次)；1970前使用，分

7、辨率0.5卩m。b、接近式曝光(Proximity Printing )。掩膜板與光刻膠層的略微分開， 大約為1050 fl m可以避免與光刻膠直接接觸而引起的掩膜板損傷。但是同時 引入了衍射效應(yīng)，降低了分辨率。1970后適用，但是其最大分辨率僅為24i m。c、投影式曝光(Projection Printing)。在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡聚集光實現(xiàn)曝光。一般掩膜板的尺寸會以需要轉(zhuǎn)移圖形的4倍制作。優(yōu)點：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影響減小。投影式曝光分類： 掃描投影曝光(Scanning Project Printing )。70年代末80年代初，1 im工藝；掩膜

8、板1:1，全尺寸；步進重復(fù)投影曝光(Stepping-repeating Project Printing或稱作Stepper )。80年代末90 年代，0.35 i m( I line )0.25 i m( DUV。掩膜 板縮小比例(4: 1)，曝光區(qū)域(Exposure Field ) 22x22mn(次曝光所能覆 蓋的區(qū)域)。增加了棱鏡系統(tǒng)的制作難度。掃描步進投影曝光(Scanning-Stepping Project Printing )。90 年代末 至今，用于W 0.18 im工藝。采用6英寸的掩膜板按照4: 1的比例曝光，曝光 區(qū)域(Exposure Field ) 26x 33

9、mm優(yōu)點：增大了每次曝光的視場；提供硅片表 面不平整的補償；提高整個硅片的尺寸均勻性。但是，同時因為需要反向運動， 增加了機 械系統(tǒng)的精度要求。在曝光過程中，需要對不同的參數(shù)和可能缺陷進行跟蹤和控制，會用到檢測控制芯片/控片(Monitor Chip)。根據(jù)不同的檢測控制對象，可以分為以下幾 種：a、顆?？仄?Particle MC :用于芯片上微小顆粒的監(jiān)控，使用前其顆粒 數(shù)應(yīng)小于10顆；b、卡盤顆粒控片(Chuck Particle MC ):測試光刻機上的卡 盤平坦度的專用芯片，其平坦度要求非常高；c、焦距控片(Focus MC :作為光刻機監(jiān)控焦距監(jiān)控；d、關(guān)鍵尺寸控片(Critica

10、lDimension MC :用于光刻區(qū)關(guān)鍵尺寸穩(wěn)定性的監(jiān)控；e、光刻膠厚度控片(PhotoResist Thickness MC : 光刻膠厚度測量；f、光刻缺陷控片(PDM Photo Defect Monitor ):光刻膠缺 陷監(jiān)控。舉例：0.18 im的CMO掃描步進光刻工藝。光源：KrF氟化氪DUV光源(248nm);數(shù)值孔徑NA 0.60.7 ；焦深DOF 0.7 im分辨率 Resolution : 0.18 0.25 i m （般采用了偏軸照明 OAI_Off- Axis Illumination和相移掩膜板技術(shù) PSM_Phase Shift Mask增強）；套刻精度Ove

11、rlay : 65nm；產(chǎn)能 Throughput : 3060wafers/hour （200mm ；視場尺寸 Field Size : 25x 32mm6、后烘(PEB Post Exposure Baking )方法：熱板，1101300C,1分鐘。目的：a、減少駐波效應(yīng)；b、激發(fā)化學(xué)增強光刻膠的PAG生的酸與光刻 膠上的保護基團發(fā)生反應(yīng)并移除基團使之能溶解于顯影液。7、顯影(Development)方法：a、整盒硅片浸沒式顯影(Batch Development)。缺點：顯影液消耗 很大；顯影的均勻性差；b、連續(xù)噴霧顯影(Con tin uous Spray Developme nt)

12、/ 自動旋轉(zhuǎn)顯影(Auto-rotation Development )。一個或多個噴嘴噴灑顯影液在 硅片表面，同時硅片低速旋轉(zhuǎn)(100500rpm)。噴嘴噴霧模式和硅片旋轉(zhuǎn)速度 是實現(xiàn)硅片間溶 解率和均勻性的可重復(fù)性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)參數(shù)。c、水坑(旋覆浸沒) 式顯影(Puddle Development)。噴覆足夠(不能太多，最小化背面濕度)的顯 影液到硅片表面，并形成水坑形狀(顯影液的流動保持較低，以減少邊緣顯影速 率的變 化)。硅片固定或慢慢旋轉(zhuǎn)。一般采用多次旋覆顯影液：第一次涂覆、 保持1030秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。然后用去離子水沖洗(去除 硅片兩面的 所有化學(xué)品)并旋轉(zhuǎn)甩干。優(yōu)

13、點：顯影液用量少；硅片顯影均勻； 最小化了溫度梯度。顯影液：a、正性光刻膠的顯影液。正膠的顯影液位堿性水溶液。KOH和NaOH 因為會帶來可 動離子污染(MIC, Movable Ion Contamination )，所以在IC 制造中一般不用。最普通的正膠顯影液是四甲基氫氧化銨(TMAH (標準當量濃度為0.26，溫度15250C)。在I線光刻膠曝光中會生成羧酸，TMAK影液中 的堿與酸中和使曝光的光刻膠溶解于顯影液，而未曝光的光刻膠沒有影響；在化 學(xué)放大光刻 膠(CAR Chemical Amplified Resist )中包含的酚醛樹脂以 PHS 形式存在。CAF中的PAG生的酸會去

14、除PHS中的保護基團(t-BOC)，從而使 PHS快速溶解于TMA顯 影液中。整個顯影過程中，TMAH沒有同PHS發(fā)生反應(yīng)。 b、負性光刻膠的顯影液。二甲苯。清洗液為乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。顯影中的常見問題：a、顯影不完全(In complete Developme nt )。表面還 殘留有光刻膠。顯影液不足造成； b、顯影不夠(Under Development)。顯影的 側(cè)壁不垂直，由顯影時間不足造成；c、過度顯影(Over Development )?？拷?表面的光刻膠被顯影液過度溶解，形成臺階。顯影時間太長。8、硬烘(Hard Baking )方法：熱板，1001300C(略高于玻璃

15、化溫度Tg)，12分鐘。目的：a、完全蒸發(fā)掉光刻膠里面的溶劑(以免在污染后續(xù)的離子注入環(huán)境， 例如DNQ酚醛樹脂 光刻膠中的氮會引起光刻膠局部爆裂)；b、堅膜，以提高光 刻膠在離子注入或刻蝕中保護下表面的能力；c、進一步增強光刻膠與硅片表面之間的黏附性；d、進一步減少駐波效應(yīng)(Standing Wave Effect )。常見問題：a、烘烤不足(Underbake)。減弱光刻膠的強度(抗刻蝕能力和 離子注入中 的阻擋能力)；降低針孔填充能力(Gapfill Capability for the needle hole );降低與基底的黏附能力。b、烘烤過度(Overbake)。弓I起光刻 膠的

16、流動，使圖形精度降低，分辨率變差。另外還可以用深紫外線(DUV DeepUltra-Violet )堅膜。使正性光刻膠樹 脂發(fā)生交聯(lián)形成一層薄的表面硬殼， 增加光刻膠的熱穩(wěn)定性。在后面的等離子刻 蝕和離子注入(1252000C工藝中減少因光刻膠高溫流動而引起分辨率的降低。光學(xué)基礎(chǔ)光的反射(reflection)。光射到任何表面的時候都會發(fā)生反射，并且符合反射定律：入射角等于反射角。在曝光的時候，光刻膠往往會在硅片表面或者金屬層發(fā)生反射，使不希望被曝光的光刻膠被曝光，從而造成圖形復(fù)制的偏差。 常常需要用抗反射 涂層(ARC Anti-Reflective Coating)來改善因反射造成的缺陷。

17、光的折射(refraction )。光通過一種透明介質(zhì)進入到另一種透明介質(zhì)的時 候，發(fā)生方 向的改變。主要是因為在兩種介質(zhì)中光的傳播速度不同(入 =v/f ) 直觀來說是兩種介質(zhì)中光的入射角發(fā)生改變。所以我們在90nm工藝中利用高折射率的水 為介質(zhì)(空氣的折射率為1.0，而水的折射率為1.47)，采用浸入式 光刻技術(shù)，從而提高了分辨率。而且這種技術(shù)有可能將被沿用至 45nm工藝節(jié)點。光的衍射或者繞射(diffraction )。光在傳播過程中遇到障礙物(小孔 或者輪廓分 明的邊緣)時，會發(fā)生光傳播路線的改變。曝光的時候，掩膜板上 有尺寸很小的圖形而且間距很窄。 衍射會使光部分發(fā)散，導(dǎo)致光刻膠上

18、不需要曝 光的區(qū)域被曝光。衍射現(xiàn)象會造成分辨率的下降。光的干涉(interferenee )。波的本質(zhì)是正弦曲線。任何形式的正弦波只 要具有相同的頻率就能相互干涉，即相長相消：相位相同，彼此相長；相位不同, 彼此相消。在曝光的過程中，反射光與折射光往往會發(fā)生干涉，從而降低了圖形特征復(fù)制的分辨率。調(diào)制傳輸函數(shù)(MTF, Modulation Transfer Function)。用于定義明暗對比度的參數(shù)。即分辨掩膜板上明暗圖形的能力，與光線的衍射效應(yīng)密切相關(guān)。 MTF=(lmax-Imi n)/(Imax+lmi n)，好的調(diào)制傳輸函數(shù)，就會得到更加陡直的光刻 膠顯影圖形，即有高的分辨率。臨界調(diào)

19、制傳輸函數(shù) (CMTF,Critical Modulation Transfer Fun ction )。主要表征光刻膠本身曝光對比度的參數(shù)。即光刻膠分辨 透射光線明暗的能力。一般來說光路系統(tǒng)的調(diào)制傳輸函數(shù)必須大于光刻膠的臨界 調(diào)制傳輸函數(shù)，即MTF>CMTF數(shù)值孔徑(NA, Numerical Aperture )。透鏡收集衍射光(聚光)的能力。 NA=n*sin 0 =n* (透鏡半徑/透鏡焦長)。一般來說NA大小為0.50.85。提高數(shù)值孔徑的方法：1提高介質(zhì)折射率n,采用水代替空氣；2、增大透鏡的半徑;分辨率(Resolution )。區(qū)分臨近最小尺寸圖形的能力。R=k入/(NA

20、)=0.66/(n*sin9 )。提高分辨率的方法：1、減小光源的波長；2、采用高分辨率的光刻膠；3、增大透鏡半徑；4、采用高折射率的介質(zhì)，即采用浸入 式光刻技術(shù)；5、優(yōu)化光學(xué)棱 鏡系統(tǒng)以提高k (0.40.7 )值住是標志工藝水平 的參數(shù))。焦深(DOF Depth of Focus )。表示焦點周圍的范圍，在該范圍內(nèi)圖像 連續(xù)地保持清晰。焦深是焦點上面和下面的范圍，焦深應(yīng)該穿越整個光刻膠層的 上下表面，這樣才能夠保證光 刻膠完全曝光。DOF=lk/(NA)2。增大焦深的方法：1、增大光源的波長；2、采用小的數(shù)值孔徑；3、利用CMP進行表面平坦化。由 于前兩種方法會 降低分辨率，而分辨率是芯

21、片制造所努力提升的重要參數(shù)，因 此我們需要在看上去相互矛盾的兩個方面做出某種平衡。一般在保證基本的焦深 要求下不降低分辨率，即以分辨率為主。所以，現(xiàn)在一般采用 CMP平坦化技術(shù)保證足夠的焦深。掩膜板/光罩掩膜板/光罩(Photo Mask/Reticle )硅片上的電路元件圖形都來自于版圖, 因此掩膜板的質(zhì)量在光刻工藝中的扮演著非常重要的角色。1、掩膜板的分類：光掩膜板(Photo Mask)包含了整個硅片的芯片圖形特征，進行 1： 1圖形 復(fù)制。這種掩膜板用于比較老的接近式光刻和掃描對準投影機中。投影掩膜板(Reticle )只包含硅片上的一部分圖形(例如四個芯片)， 一般為縮小比例 (一般

22、為4： 1)0需要步進重復(fù)來完成整個硅片的圖形復(fù)制。 一般掩膜板為6X6inch (152mm大小，厚度約為0.09 ” 0.25 ”(2.28mm6.35mm。投影掩膜板的優(yōu)點：1、投影掩膜板的特征尺寸較大(4X)， 掩膜板制造更加容易；2、掩膜板上的缺陷會縮小轉(zhuǎn)移到硅片 上，對圖形復(fù)制的 危害減??；3、使曝光的均勻度提高。2、掩膜板的制造:掩膜板的基材一般為熔融石英(quartz )，這種材料對深紫外光(DUV KrF-248nm, ArF-193nm)具有高的光學(xué)透射，而且具有非常低的溫度膨脹和低的 內(nèi)部缺陷。掩膜板的掩蔽層一般為鉻(Cr，Chromium)。在基材上面濺射一層鉻，鉻層

23、的厚度一般為8001000埃，在鉻層上面需要涂布一層抗反射涂層(ARC An ti-Reflective Coat ing)。制作過程：a、在石英表面濺射一層鉻層，在鉻層上旋涂一層電子束光刻膠;b、利用電子束（或激光）直寫技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)移到電子束光刻膠層上。電子源產(chǎn) 生許多電子，這些電子被加速并聚焦（通過磁方式或者電方式被聚焦）成形投影到電子束光刻膠上，掃描 形成所需要的圖形；c、曝光、顯影；d、濕法或者干 法刻蝕（先進的掩膜板生產(chǎn)一般采用干法刻蝕）去掉鉻薄層；e、去除電子束光刻膠；d、粘保護膜 （Mount Pellicle ）。保護掩膜板杜絕灰塵（Dust）和微小 顆粒（Particle ）

24、污染。保護膜被緊繃在一個密封框架上，在掩膜板上方約 510mm保護膜對曝光光能是透明的，厚度約為0.712卩m （乙酸硝基氯苯為0.7卩m聚酯碳氟化物為12卩m。3、掩膜板的損傷和污染掩膜板是光刻復(fù)制圖形的基準和藍本，掩膜板上的任何缺陷都會對最終圖形 精度產(chǎn)生嚴重的影響。所以掩膜板必須保持“完美”。使用掩膜板存在許多損傷來源：掩膜板掉鉻；表面擦傷，需要輕拿輕放；靜 電放電（ESD，在 掩膜板夾子上需要連一根導(dǎo)線到金屬桌面，將產(chǎn)生的靜電導(dǎo) 出。另外，不能用手觸摸掩膜板；灰塵顆粒，在掩膜板盒打開的情況下，不準進 出掩膜板室（Mask Room，在存取掩膜板時室內(nèi)最多保持 2人。因為掩膜板在整個制造

25、工藝中的地位非常重要。在生產(chǎn)線上，都會有掩膜板管理系統(tǒng)（RTMS Reticle ManagementSystem ）來跟蹤掩膜板的歷史（History 現(xiàn)狀（Status ）、位置（Location ）等相關(guān)信息，以便于掩膜板的管理。光刻膠光刻膠是一種有機化合物，它受紫外光曝光后，在顯影液中的溶解度會發(fā)生 變化。一般光刻膠以液態(tài)涂覆在硅片表面上，曝光后烘烤成固態(tài)。1、 光刻膠的作用：a、將掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片表面的氧化層中；b、 在后續(xù)工序中，保護下面的材料（刻蝕或離子注入）。2、光刻膠的物理特性參數(shù)：a、分辨率（resolution ）。區(qū)別硅片表面相鄰圖形特征的能力。一般用 關(guān)鍵尺寸

26、（CD Critical Dimension）來衡量分辨率。形成的關(guān)鍵尺寸越小，光 刻膠的分辨率越好。b、對比度（Contrast ）。指光刻膠從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過渡的陡度。對 比度越好，形成圖形的側(cè)壁越陡峭，分辨率越好。c、敏感度（Se nsitivity ）。光刻膠上產(chǎn)生一個良好的圖形所需一定波長光的最小能量值（或最小曝光量）。單位：毫焦/平方厘米或mJ/cm2光刻膠的敏感性對于波長更短的深紫外光（DUV、極深紫外光（EUV等尤為重要。d、粘滯性/黏度（Viscosity ）。衡量光刻膠流動特性的參數(shù)。粘滯性隨著光刻膠中的 溶劑的減少而增加；高的粘滯性會產(chǎn)生厚的光刻膠；越小的粘滯性， 就有

27、越均勻的光刻膠厚度。光刻膠的比重(SG Specific Gravity )是衡量光刻 膠的密度的指標。它與光刻膠中的固體含量有關(guān)。較大的比重意味著光刻膠中含 有更多的固體，粘滯性更高、流動性更差。粘度的單位：泊(poise )，光刻膠一般用厘泊(cps，厘泊為1%白)來度量。百分泊即厘泊為絕對粘滯率；運動粘 滯率定義為：運動粘滯率=絕對粘滯率/比重。單位：百分斯托克斯(cs) = cps/SGoe、粘附性(Adherence)。表征光刻膠粘著于襯底的強度。光刻膠的粘附性 不足會導(dǎo)致硅片表面的圖形變形。光刻膠的粘附性必須經(jīng)受住后續(xù)工藝(刻蝕、 離子注入等)。f、抗蝕性(Anti-etching

28、 )。光刻膠必須保持它的粘附性，在后續(xù)的刻 蝕工序中保護襯底表面。耐熱穩(wěn)定性、抗刻蝕能力和抗離子轟擊能力。g、表面張力(Surface Tension )。液體中將表面分子拉向液體主體內(nèi)的 分子間吸引力。光刻膠應(yīng)該具有比較小的表面張力， 使光刻膠具有良好的流動性 和覆蓋。h、存儲和傳送(Storage and Transmission )。能量(光和熱)可以激活 光刻膠。應(yīng)該存儲在密閉、低溫、不透光的盒中。同時必須規(guī)定光刻膠的閑置期 限和存貯溫度環(huán)境。一旦超過存儲時間或較高的溫度范圍，負膠會發(fā)生交聯(lián)，正 膠會發(fā)生感光延遲。3、光刻膠的分類a、根據(jù)光刻膠按照如何響應(yīng)紫外光的特性可以分為兩類：負性

29、光刻膠和正 性光刻膠。負性光刻膠(Negative Photo Resist )。最早使用，一直到 20世紀70年 代。曝光區(qū)域發(fā)生交聯(lián)，難溶于顯影液。特性：良好的粘附能力、良好的阻擋作 用、感光速度快；顯影時發(fā)生變形和膨脹。所以只能用于2ym的分辨率。正性光刻膠(Positive Photo Resist )。20世紀70年代，有負性轉(zhuǎn)用正性。正性光刻膠的曝光區(qū)域更加容易溶解于顯影液。特性：分辨率高、臺階覆蓋 好、對比度好；粘附性差、抗刻蝕能力差、高成本。b、根據(jù)光刻膠能形成圖形的最小光刻尺寸來分：傳統(tǒng)光刻膠和化學(xué)放大光 刻膠。傳統(tǒng)光刻膠。適用于I線(365nm)、H線(405nm)和0線(

30、436nm)， 關(guān)鍵尺寸在0.35 ym及其以上。化學(xué)放大光刻膠(CAR Chemical Amplified Resist )。適用于深紫 外線(DUV波長的光刻膠。KrF (248nm)和ArF (193nm)。4、光刻膠的具體性質(zhì)a、傳統(tǒng)光刻膠：正膠和負膠。光刻膠的組成：樹脂(resin/polymer )，光 刻膠中不同材料的粘合劑，給與光刻膠的機械與化學(xué)性質(zhì)(如粘附性、膠膜厚 度、熱穩(wěn)定性等)；感光劑，感光劑對光能發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)；溶劑( Solve nt)， 保持 光刻膠的液體狀態(tài)，使之具有良好的流動性；添加劑( Additive )，用以 改變光刻膠的某些特性，如改善光刻膠發(fā)生反射

31、而添加染色劑等。負性光刻膠。樹脂是聚異戊二烯，一種天然的橡膠；溶劑是二甲苯； 感光劑是一種經(jīng)過曝光后釋放出氮氣的光敏劑，產(chǎn)生的自由基在橡膠分子間形成 交聯(lián)。從而變得不溶于顯影液。負性光刻膠在曝光區(qū)由溶劑引起泡漲；曝光時光 刻膠容易與氮氣反應(yīng)而抑制交聯(lián)。正性光刻膠。樹脂是一種叫做線性酚醛樹脂的酚醛甲醛，提供光刻膠的粘附性、化學(xué)抗蝕性，當沒有溶解抑制劑存在時，線性酚醛樹脂會溶解在顯影液中；感光劑是光敏化合物(PAC Photo Active Compound，最常見的是重氮 萘醌(DNQ，在曝光前，DNQ是一種強烈的溶解抑制劑，降低樹脂的溶解速度。 在紫外曝光后，DNQ在光刻膠中化學(xué) 分解，成為溶

32、解度增強劑，大幅提高顯影 液中的溶解度因子至100或者更高。這種曝光反應(yīng)會在DNQ中產(chǎn)生羧酸，它在顯 影液中溶解度很高。正性光刻膠具有很 好的對比度，所以生成的圖形具有良好 的分辨率。b、化學(xué)放大光刻膠(CAR Chemical Amplified Resist )。樹脂是具有化 學(xué)基團保護(t-BOC)的聚乙烯(PHS。有保護團的樹脂不溶于水；感光劑是光 酸產(chǎn)生劑(PAG Photo Acid Generator )，光刻膠曝光后，在曝光區(qū)的 PAG發(fā) 生光化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生一種酸。該酸在曝光后熱烘(PEB Post Exposure Baking)時，作為化學(xué)催化劑將樹脂上的保護基團移走，從而

33、使曝光區(qū)域的光刻膠由原來不溶于水轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨热苡谝运疄橹饕煞值娘@影液?；瘜W(xué)放大光刻膠曝光速度非常快，大約是DNQ線性酚醛樹脂光刻膠的10倍；對短波長光源具有很好的光 學(xué)敏感性；提供陡直側(cè)墻，具有高的對比度；具有 0.25 ym及其以下尺寸的高 分辨率。光源光刻是光源發(fā)出的光通過掩膜板和透鏡系統(tǒng)照射到光刻膠的特定部分并使 之曝光，以實現(xiàn)圖形的復(fù) 制和轉(zhuǎn)移。波長越小、得到的圖形分辨率越高。 曝光 光源的另外一個重要參數(shù)就是光的強度。光強定義為單位面積上的功率(mW/cm)，該光強應(yīng)在光刻膠表 面測量。光強也可以被定義為能量：單位面 積上的光亮或亮度。曝光能量(劑量)=曝光強度X曝光時間。單位：毫焦

34、每平 方厘米(mJ/ cm2)。電磁波譜：整個可見光和不可見的電磁波。 可見光譜(白光是所有可見光譜波長的光組成)：390nmrr 780nm;紫外光譜：4nm-450nm;常見光源有：汞燈和準分子激光。另外，在先進或某些特殊場合也會用到 其他曝光手段，如X射線、電子束和粒子束等。1 汞燈(Mercury Lamp)原理：電流通過裝有氙汞氣體的管子時，會產(chǎn)生電弧放電。電弧發(fā)射 出一個特征光譜，包括波長處于 240nm500nm之間的紫外輻射光譜。一般來說，特定波長的光源對應(yīng)特定性能的光刻膠。在使用汞燈作光源時， 需要利用一套濾波器去除不需要的波長和紅外波長。所選擇的波長應(yīng)與硅片上的關(guān)鍵尺寸相匹

35、配。高壓汞燈一般用于1線(365nm步進光刻機上。I line用于 關(guān)鍵尺寸大于0.35 ym的圖形。2、準分子激光(Excimer Laser )20世紀80年代中期以來，激光光源以可以用于光學(xué)光刻。但是其可靠性和 性能影響其在硅片生產(chǎn)上的實施直至 90年代中期。其優(yōu)點是可以提供較大的深 紫外光強。迄今唯一用于光學(xué)曝光的激光光源是準分子激光。原理：準分子是不穩(wěn)定分子，由惰性氣體原子和鹵素構(gòu)成，如氟化氬(ArF)。 這些分子只存在于準穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。當不穩(wěn)定的準分子分解成兩個組成原子時， 激發(fā)態(tài)發(fā)生衰減，同時發(fā)射出激光。激光器通過兩個平板電極的高壓(1020kV) 脈沖放電來激發(fā)高壓惰性氣體和鹵素

36、的混合物，使之維持著激發(fā)態(tài)的分子多于 基態(tài)分子。實現(xiàn)連續(xù)發(fā)射激光。第一步激發(fā)：Kr* + F2->KrF* + F;第二步衰 減: KrF*->Kr + F+ DUV常見的準分子激光光源為248nm的 KrF(用于關(guān)鍵尺寸大于0.13 ym的圖形) 和193nm的ArF (用于關(guān)鍵尺寸大于0.08 ym的圖形)。光刻中常見的效應(yīng)和概念1、駐波效應(yīng)(Standing Wave Effect )現(xiàn)象：在光刻膠曝光的過程中，透射光與反射光(在基底或者表面)之間會 發(fā)生干涉。這種相同頻率的光波之間的干涉，在光刻膠的曝光區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)相長相 消的條紋。光刻膠在顯影后，在側(cè)壁會產(chǎn)生波浪狀的不平整解

37、決方案：a、在光刻膠內(nèi)加入染色劑，降低干涉現(xiàn)象；b、在光刻膠的上下 表面增加抗反射涂層(ARC Anti-Reflective Coating ) ； c、后烘(PEB Post Exposure Baking )和硬烘(HB Hard Baking )。2、擺線效應(yīng)(Swing Curve Effect )現(xiàn)象：在光刻膠曝光時，以相同的曝光劑量對不同厚度的光刻膠曝光，從而引起關(guān)鍵尺寸(CD Critical dimension)的誤差。3、反射切口效應(yīng)(Notching Effect )現(xiàn)象：在光刻膠曝光時，由于接觸孔尺寸的偏移等原因使入射光線直接 照射到金屬或多晶硅上發(fā)生發(fā)射，使不希望曝光

38、的光刻膠被曝光，顯影后，在光刻膠的底部出現(xiàn)缺口。解決方案：a、提高套刻精度，防止接觸孔打偏；b、涂覆抗反射涂層。4、腳狀圖形(Footing Profiles )現(xiàn)象：在光刻膠的底部，出現(xiàn)曝光不足。使顯影后，底部有明顯的光刻膠 殘留。解決方案：a、妥善保管光刻膠，不要讓其存放于堿性環(huán)境中；b、在涂覆光刻膠之前，硅片表面要清洗干凈，防止硅基底上有堿性物質(zhì)的殘余。5、T 型圖形(T-Top Profiles )現(xiàn)象：由于表面的感光劑不足而造成表層光刻膠的圖形尺寸變窄。解決方案：注意腔室中保持清潔，排除腔室中的堿性氣體污染。6 分辨率增強技術(shù)(RET Resolution En ha need Te

39、ch nology )包括偏軸曝光(OAI, Off Axis Illumination)、相移掩膜板技術(shù)(PSMPhase Shift Mask )、光學(xué)近似修正(OPC Optical Proximity Correction ) 以及光刻膠技術(shù)等。a、偏軸曝光改變光源入射光方向使之與掩膜板保持一定角度，可以改善光強分布的 均勻性。但同時，光強有所削弱。b、相移掩膜板技術(shù)(PSM Phase Shift Mask )在掩膜板上，周期性地在相鄰的圖形中，每隔一個圖形特征對掩膜板的結(jié) 構(gòu)(減薄或者加厚)進行改變，使相鄰圖形的相位相差 180度，從而可以達到提 升分辨率的目的。相移掩膜板技術(shù)使掩

40、膜板的制作難度和成本大幅增加。c、光學(xué)近似修正（OPC Optical Proximity Correction在曝光過程中，往往會因為光學(xué)臨近效應(yīng)使最后的圖形質(zhì)量下降： 線寬的變 化；轉(zhuǎn)角的圓化；線長的縮短等。需要采用“智能型掩膜板工程( Clever Mask Engineering )”來補償這種尺寸變化。7、顯影后檢測(ADI，After Development Inspection )主要是檢查硅片表面的缺陷。通常將一個無缺陷得標準圖形存于電腦中，然 后用每個芯片的圖形與標準相比較，出現(xiàn)多少不同的點，就會在硅片的defectmap中顯示多少個缺陷。8、 抗反射涂層(ARC An ti

41、-Reflective Coati ng)光刻膠照射到光刻膠上時，使光刻膠曝光。但同時，在光刻膠層的上下表面 也會產(chǎn)生反射而產(chǎn)生切口效應(yīng)和駐波效應(yīng)。a、底部抗反射涂層(BARC Bottom Anti-Reflective Coating )。將抗 反射涂層涂覆在光刻膠的底部來減少底部光的反射。有兩種涂層材料：有機抗反 射涂層(Organic )，在硅片表面旋涂，依靠有機層 直接接收掉入射光線；無機 抗反射涂層(Inorganic )，在硅片表面利用等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD Plasma EnhancedChemical Vapour Deposition )形成。一般材料為：TiN

42、 或 SiN。 通過特定波長相位相消而起作用，最重要的參數(shù)有：材料折射率、薄膜厚度等。b、頂部抗反射涂層(TARC Top Anti-ReflectiveCoating )。不會吸收光，而是通過光線之間相位相消來消除反射。為一層透明的薄膜。下一代光刻技術(shù)1、浸入式光刻技術(shù)(Immersion Lithography )由公式R=k*入/(NA)= =k入/(n*sin a )，空氣的折射率為1,水的折射率 為1.47 (相對于193nm的深紫外光而言)；所以，用水來代替空氣，可以提高 光刻系統(tǒng)的數(shù)值 孔徑(NA Numerical Aperture )，最終可以提升分辨率。在 ITRS2003

43、版本中，增加了浸入式光刻，作為 45nm節(jié)點的解決方案。近年，浸入 式光刻發(fā)展非常迅猛，并 獲得了產(chǎn)業(yè)界持續(xù)發(fā)展的信心。在ITRS2005版本中, 已將浸入式光刻列為32nm甚至22nm節(jié)點的可能解決方案挑戰(zhàn)：氣泡問題(Water Bubble );溫度不均勻(Temperature Effect )。 下一步發(fā)展中的挑戰(zhàn)在于研發(fā)高折射率的抗蝕劑、高折射率的液體和高折射率的 光學(xué)材料。2、深紫外光刻(DUV Deep Ultra-Violet Lithography通過縮小光源的波長來改善分辨率。F2的準分子激光光源157nm。有望成 為5070nm的解決方案。需要同浸入式結(jié)合才有可能存在，而且可能性比較小 的選擇。挑戰(zhàn)：易被氧氣吸收，需要真空環(huán)境；光強比較弱，易被透鏡吸收，折射 透鏡系統(tǒng)設(shè)計非常復(fù)雜；高靈敏度