集成電路制造工藝之光刻與刻蝕工藝111

1、第八章 光刻與刻蝕工藝 光刻是集成電路工藝中的關(guān)鍵性技術(shù)。在硅片外表涂上光刻膠薄層，經(jīng)過(guò)光照、顯影，在光刻膠上留下掩模版的圖形。 在集成電路制造中，利用光刻膠圖形作為維護(hù)膜，對(duì)選定區(qū)域進(jìn)展刻蝕，或進(jìn)展離子注入，構(gòu)成器件和電路構(gòu)造。 隨著集成電路的集成度不斷提高，器件的特征尺寸不斷減小，期望進(jìn)一步減少光刻圖形的尺寸。 目前曾經(jīng)開(kāi)場(chǎng)采用線寬為0.2-0.1m的加工技術(shù)。.高分辨率。通常把線寬作為光刻程度的標(biāo)志，線寬越來(lái)越細(xì)，要求光刻具有高分辨率。高靈敏度的光刻膠。光刻膠的靈敏度通常是指光刻膠的感光速度。光刻膠靈敏度提高，曝光時(shí)間短，但往往使光刻膠的其他屬性變差。低缺陷。在集成電路芯片的加工進(jìn)程中，

2、假設(shè)在器件上產(chǎn)生一個(gè)缺陷，即使缺陷的尺寸小于圖形的線寬，也能夠會(huì)使整個(gè)芯片失效。精細(xì)的套刻對(duì)準(zhǔn)。集成電路芯片的制造需求經(jīng)過(guò)多次光刻，在各次曝光圖形之間要相互套準(zhǔn)。通常要采用自動(dòng)套刻對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。對(duì)大尺寸硅片的加工。為了提高經(jīng)濟(jì)效益和硅片利用率，普通在一個(gè)大尺寸硅片上同時(shí)制造很多個(gè)完全一樣的芯片。對(duì)于光刻而言，在大尺寸硅片上滿足前述的要求難度更大。ULSI中對(duì)光刻的根本要求.8.1、光刻工藝流程曝光、顯影、刻蝕(或淀積)是光刻過(guò)程中的三個(gè)主要步驟。.8.1.1、涂膠 在集成電路工藝中，光刻膠層的作用是在刻蝕或離子注入過(guò)程中，維護(hù)被光刻膠覆蓋的資料。因此，光刻膠層與硅片外表之間需求結(jié)實(shí)地黏附。 涂膠的

3、目的是在硅片外表構(gòu)成厚度均勻、附著性強(qiáng)、并且沒(méi)有缺陷的光刻膠薄膜。 在涂膠之前，硅片普通需求經(jīng)過(guò)脫水烘焙并且涂上用來(lái)添加光刻膠與硅片外表附著才干的化合物。. 以光刻膠在SiO2外表的附著情況為例，由于SiO2的外表是親水性的，而光刻膠是疏水性的，SiO2外表可以從空氣中吸附水分子，含水的SiO2會(huì)使光刻膠的附著才干降低。因此在涂膠之前需求預(yù)先對(duì)硅片進(jìn)展脫水處置，稱為脫水烘焙。在150-200釋放硅片外表吸附的水分子；在400左右使硅片上含水化合物脫水；進(jìn)展750以上的脫水。脫水烘焙. 在涂膠之前，還應(yīng)在Si片外表上涂上一層化合物，其目的也是為了加強(qiáng)光刻膠與硅片之間的附著力。目前運(yùn)用比較多的是六

4、甲基乙硅氮烷(簡(jiǎn)稱HMDS) 。 在實(shí)踐運(yùn)用中，HMDS的涂布都是以氣相的方式進(jìn)展的，HMDS以氣態(tài)的方式輸入到放有硅片的容器中，然后在硅片的外表完成涂布。 還可以將脫水烘焙與HMDS的氣相涂布結(jié)合起來(lái)進(jìn)展。硅片首先在容器里經(jīng)過(guò)100-200的脫水烘焙，然后直接進(jìn)展氣相涂布。由于防止了與大氣的接觸，硅片吸附水分子的時(shí)機(jī)將會(huì)降低，涂布HMDS的效果將會(huì)更加理想。涂布HMDS.涂膠工藝步驟：將光刻膠溶液噴灑到硅片外表上；加速旋轉(zhuǎn)托盤(pán)(硅片)，直至到達(dá)需求的旋轉(zhuǎn)速度；到達(dá)所需的旋轉(zhuǎn)速度后，堅(jiān)持一定時(shí)間的旋轉(zhuǎn)。涂膠 把硅片放在一個(gè)平整的金屬托盤(pán)上，有小孔與真空管相連，硅片就被吸在托盤(pán)上，硅片與托盤(pán)一同

5、旋轉(zhuǎn)。. 光刻膠的膜厚與光刻膠本身的黏性有關(guān) 對(duì)于同樣的光刻膠，光刻膠的膜厚由旋轉(zhuǎn)速度決議，轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，光刻膠層的厚度越薄，光刻膠的均勻性也越好。 涂膠的過(guò)程應(yīng)一直在超凈環(huán)境中進(jìn)展。同時(shí)噴灑的光刻膠溶液中不能含有空氣，由于氣泡的作用與微粒類似，都會(huì)在光刻工藝中引起缺陷。光刻膠的膜厚.8.1.2、前烘 在液態(tài)的光刻膠中，溶劑的成份占65-85，經(jīng)過(guò)甩膠之后，雖然液態(tài)的光刻膠曾經(jīng)成為固態(tài)的薄膜，但仍含有10-30的溶劑，涂膠以后的硅片，需求在一定的溫度下進(jìn)展烘烤，使溶劑從光刻膠內(nèi)揮發(fā)出來(lái)，這一步驟稱為前烘。 (前烘后光刻膠中溶劑含量降至到5左右) 在前烘過(guò)程中，由于溶劑的揮發(fā)，光刻膠的厚度也會(huì)減

6、薄，普通減小的幅度為10-20左右。.降低灰塵的玷污；減輕因高速旋轉(zhuǎn)構(gòu)成的薄膜應(yīng)力，從而提高光刻膠的附著性。假設(shè)光刻膠沒(méi)有經(jīng)過(guò)前烘處置，對(duì)于正膠來(lái)說(shuō)，非曝光區(qū)的光刻膠由于溶劑的含量比較高，在顯影液中也會(huì)溶解變簿，從而使光刻膠的維護(hù)才干下降。前烘的作用.前烘的溫度和時(shí)間需求嚴(yán)厲地控制。前烘的溫度太低或時(shí)間太短 光刻膠層與硅片外表的黏附性差； 由于光刻膠中溶劑的含量過(guò)高，曝光的準(zhǔn)確度也會(huì)變差； 太高的溶劑濃度使顯影液對(duì)曝光區(qū)和非曝光區(qū)光刻膠的選擇性下降，導(dǎo)致圖形轉(zhuǎn)移效果不好。前烘溫度太高 光刻膠層的黏附性也會(huì)由于光刻膠變脆而降低； 過(guò)高的烘焙溫度會(huì)使光刻膠中的感光劑發(fā)生反響，使光刻膠在曝光時(shí)的敏感

7、度變差。前烘的溫度和時(shí)間. 前烘通常采用枯燥循環(huán)熱風(fēng)、紅外線輻射以及熱平板傳導(dǎo)等熱處置方式。 在ULSI工藝中，常用的前烘方法是真空熱平板烘烤。真空熱平板烘烤可以方便地控制溫度，同時(shí)還可以保證均勻加熱。 前烘的加熱方式.8.1.4、顯影 顯影后所留下的光刻膠圖形將在后續(xù)的刻蝕和離子注入工藝中做為掩膜，因此顯影也是一步重要工藝。嚴(yán)厲地說(shuō)，在顯影時(shí)曝光區(qū)與非曝光區(qū)的光刻膠都有不同程度的溶解。曝光區(qū)與非曝光區(qū)的光刻膠的溶解速度反差越大，顯影后得到的圖形對(duì)比度越高。影響顯影效果的主要要素包括：光刻膠的膜厚；前烘的溫度和時(shí)間；曝光時(shí)間；顯影液的濃度；顯影液的溫度；顯影液的攪動(dòng)情況等。 以正膠為例，在顯影

8、過(guò)程中，曝光區(qū)的光刻膠在顯影液中溶解，非曝光區(qū)的光刻膠那么不會(huì)溶解。曝光后在光刻膠層中構(gòu)成的潛在圖形，顯影后便顯現(xiàn)出來(lái)。 .目前廣泛運(yùn)用的顯影的方式是噴灑方法?？煞譃槿齻€(gè)階段：硅片被置于旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，并且在硅片外表上噴灑顯影液；然后硅片將在靜止的形狀下進(jìn)展顯影；顯影完成之后，需求經(jīng)過(guò)漂洗，之后再旋干。 噴灑方法的優(yōu)點(diǎn)在于它可以滿足工藝流水線的要求。 顯影之后，普通要經(jīng)過(guò)光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡(SEM)或者激光系統(tǒng)來(lái)檢查圖形的尺寸能否滿足要求。 假設(shè)不能滿足要求，可以返工。由于經(jīng)過(guò)顯影之后只是在光刻膠上構(gòu)成了圖形，只需去掉光刻膠就可以重新進(jìn)展上述各步工藝。顯影方式與檢測(cè).8.1.5、堅(jiān)膜 硅片在經(jīng)過(guò)顯

9、影之后，需求閱歷一個(gè)高溫處置過(guò)程，簡(jiǎn)稱堅(jiān)膜。 堅(jiān)膜的主要作用是除去光刻膠中剩余的溶劑，加強(qiáng)光刻膠對(duì)硅片外表的附著力，同時(shí)提高光刻膠在刻蝕和離子注入過(guò)程中的抗蝕性和維護(hù)才干。 通常堅(jiān)膜的溫度要高于前烘溫度。 . 光刻膠的光學(xué)穩(wěn)定是經(jīng)過(guò)紫外光輻照和加熱來(lái)完成的。經(jīng)過(guò)UV輻照和適度的熱處置(110)之后，在光刻膠的外表圖形上可以構(gòu)成交叉鏈接的硬殼，可以使光刻膠圖形在高溫過(guò)程中不會(huì)變形。 光學(xué)穩(wěn)定可以使光刻膠產(chǎn)生均勻的交叉鏈接，提高光刻膠的抗刻蝕才干，進(jìn)而提高刻蝕工藝的選擇性。 經(jīng)過(guò)UV處置的光刻膠，要先經(jīng)過(guò)氧等離子的活化，然后經(jīng)過(guò)濕法除去。光學(xué)穩(wěn)定.8.1.6 刻蝕 8.1.7 去膠 在集成電路工藝

10、中，去膠的方法包括濕法去膠和干法去膠，在濕法去膠中又分為有機(jī)溶液去膠和無(wú)機(jī)溶液去膠。 有機(jī)溶液去膠主要是使光刻膠溶于有機(jī)溶液中丙酮和芳香族的有機(jī)溶劑，從而到達(dá)去膠的目的。無(wú)機(jī)溶液去膠的原理是運(yùn)用一些無(wú)機(jī)溶液(如H2SO4和H2O2等)，將光刻膠中的碳元素氧化成為二氧化碳，把光刻膠從硅片的外表上除去。由于無(wú)機(jī)溶液會(huì)腐蝕A1，因此去除A1上的光刻膠必需運(yùn)用有機(jī)溶液。干法去膠那么是用等離子體將光刻膠剝除。光刻膠經(jīng)過(guò)在氧等離子體中發(fā)生化學(xué)反響，生成氣態(tài)的CO，CO2和H2O由真空系統(tǒng)抽走。相對(duì)于濕法去膠，干法去膠的效果更好，但是干法去膠存在反響殘留物的玷污問(wèn)題，因此干法去膠與濕法去膠經(jīng)常搭配進(jìn)展。.8

11、.2、分辨率 分辨率R描畫(huà)了光刻工藝中能夠到達(dá)的最小光刻圖形尺寸，表示每mm內(nèi)最多能刻蝕出多少可分辨的線條數(shù)。 線寬與線條間距相等的情況下，R定義為 線條越細(xì)，分辨率越高。 光刻的分辨率遭到光刻系統(tǒng)、光刻膠和工藝等各方面的限制。這里我們只從物理角度對(duì)分辨率進(jìn)展討論。 光刻中所用的曝光光源是光、電子、離子和X射線等各種粒子束。從量子物理的角度看，限制分辨率的要素是衍射。 . 設(shè)有一物理線度L，為了丈量和定義它，必不可少的誤差為L(zhǎng)，根據(jù)量子實(shí)際的不確定性關(guān)系，那么有其中h是普朗克常數(shù)，p是粒子動(dòng)量的不確定值。對(duì)于曝光所用的粒子束，假設(shè)其動(dòng)量的最大變化是從-p到+p，即p=2p，代入上式，那么有 L

12、在這里表示分清線寬L必然存在的誤差。假設(shè)L就是線寬，那么它就是物理上可以得到的最細(xì)線寬，因此最高的分辨率 最高的分辨率.不同的粒子束，因其能量、動(dòng)量不同，那么L亦不同。對(duì)于光子 通常把上式看作是光學(xué)光刻方法中可得到的最細(xì)線條，即不能夠得到一個(gè)比/2還要細(xì)的線條。 其物理圖像是，光的動(dòng)搖性所顯現(xiàn)的衍射效應(yīng)限制了線寬 /2 。因此最高分辨率為： 這是僅思索光的衍射效應(yīng)而得到的結(jié)果，沒(méi)有涉及光學(xué)系統(tǒng)的誤差以及光刻膠和工藝的誤差等，因此這是純實(shí)際的分辨率。 光子曝光的最高的分辨率. 關(guān)于光束的線寬限制，對(duì)其他的粒子束同樣適用。任何粒子束都具有動(dòng)搖性，即德布羅意物質(zhì)波，其波長(zhǎng)與質(zhì)量m、動(dòng)能E的關(guān)系描畫(huà)如

13、下。粒子束的動(dòng)能E為其動(dòng)量p粒子束的波長(zhǎng)由此，用粒子束可得到的最細(xì)線條為 恣意粒子曝光的最高的分辨率.結(jié)論：假設(shè)粒子束的能量E給定后，那么粒子的質(zhì)量m愈大，L愈小，因此分辨率愈高。以電子和離子作比較，離子的質(zhì)量大于電子，所以它的L小，即分辨率高。但這個(gè)說(shuō)法有一定的限制，由于離子本身的線度普通大于1，所以用它加工的尺寸不能夠做到小于它本身的線度。對(duì)于m一定，即給定一種粒子，例加電子，那么其動(dòng)能愈高， L愈小，分辨率愈高。.光學(xué)光刻膠通常包含有三種成份：聚合物資料(樹(shù)脂)：附著性和抗腐蝕性感光資料：感光劑溶劑：使光刻膠堅(jiān)持為液態(tài)8.3、光刻膠的根本屬性 正膠的感光區(qū)在顯影時(shí)溶掉，沒(méi)有感光的區(qū)域在顯

14、影時(shí)不溶解，因此構(gòu)成的光刻膠圖形是掩模幅員形的正影像。 負(fù)膠的情況與正膠相反，經(jīng)過(guò)顯影后光刻膠層上構(gòu)成的是掩模版的負(fù)性圖形。正膠的分辨率比負(fù)膠高。 光刻膠通常可分為正膠和負(fù)膠，經(jīng)過(guò)曝光和顯影之后所得到的圖形是完全相反的。. 光刻膠的對(duì)比度會(huì)直接影響到曝光后光刻膠膜的傾角和線寬。 8.3.1、對(duì)比度 為了丈量光刻膠的對(duì)比度，將一定厚度的光刻膠膜在不同的輻照劑量下曝光，然后丈量顯影之后剩余光刻膠的膜厚，利用得到的光刻膠膜厚-曝光劑量呼應(yīng)曲線進(jìn)展計(jì)算就可以得到對(duì)比度。光刻膠的對(duì)比度：不同的光刻膠膜厚-曝光劑量呼應(yīng)曲線的外推斜率。. 根據(jù)對(duì)比度定義，Y21.0，Y1=0，X2log10Dog，X1 l

15、og10Dig。 負(fù)膠的對(duì)比度負(fù)膠的對(duì)比度 對(duì)于負(fù)膠，只需到達(dá)臨界曝光劑量后，才構(gòu)成膠體的交叉鏈接，臨界曝光劑量以下的負(fù)膠中不會(huì)構(gòu)成圖形，如下圖 。 到達(dá)臨界曝光劑量后，隨曝光劑量的添加，負(fù)膠膜上構(gòu)成的膠化圖像厚度逐漸加大，最終使膠化圖像的薄膜厚度等于初始時(shí)負(fù)膠的膜厚。其中，Dig為負(fù)膠的臨界曝光劑量，Dog為負(fù)膠的膠化薄膜厚度與曝光開(kāi)場(chǎng)時(shí)負(fù)膠膜厚度相等時(shí)的曝光劑量。. 丈量正膠對(duì)比度的方法與負(fù)膠一樣，正膠的膜厚隨著曝光劑量的添加而減小，直到在顯影的過(guò)程中被完全除去，曝光區(qū)域剩余的正膠膜厚與曝光劑量的關(guān)系如下圖。正膠的對(duì)比度 根據(jù)對(duì)比度定義， Y20，Y1=1.0，X2log10Dc，X1 l

16、og10Do。 正膠的對(duì)比度Dc為完全除去正膠膜所需求的最小曝光劑量，Do為對(duì)正膠不產(chǎn)生曝光效果所允許的最大曝光劑量。. 在理想的曝光過(guò)程中，投到光刻膠上的輻照區(qū)域應(yīng)該等于掩模版上的透光區(qū)域，在其他區(qū)域應(yīng)該沒(méi)有輻照能量。 在實(shí)踐的曝光過(guò)程中，由于衍射和散射的影響，光刻膠所接受的輻照具有一定的分布。 以正膠為例，部分區(qū)域的光刻膠遭到的曝光劑量小于Dc而大于Do，在顯影過(guò)程中只需部分溶解。因此經(jīng)過(guò)顯影之后留下的光刻膠的側(cè)面都會(huì)有一定的斜坡。 光刻膠的對(duì)比度越高，光刻膠層的側(cè)面越陡。光刻膠的側(cè)墻傾斜. 由于線寬是經(jīng)過(guò)丈量光刻膠/襯底之上特定高度的線條間距得到的，光刻膠側(cè)面的陡度越好，線寬描畫(huà)掩模尺寸

17、的準(zhǔn)確度就越高。 最終的圖形轉(zhuǎn)移是經(jīng)過(guò)刻蝕完成的，而干法刻蝕在一定程度上對(duì)光刻膠也有侵蝕作用，所以峻峭的光刻膠可以減小刻蝕過(guò)程中的鉆蝕效應(yīng)，從而提高分辨率。 側(cè)墻傾斜對(duì)分辨率的影響. 采用調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)(MTF) 來(lái)描畫(huà)曝光圖形的質(zhì)量，MTF的定義表達(dá)式為：Imax為曝光圖形上的最大輻照強(qiáng)度，Imin為最小輻照強(qiáng)度。定義光刻膠的臨界調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)為： 為了使曝光系統(tǒng)可以得到要求的線條，對(duì)應(yīng)這些線條尺寸的調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)MTF就需求大于或等于所用的光刻膠的CMTF。 對(duì)比度與CMTF之間的關(guān)系為 假設(shè)知曝光系統(tǒng)對(duì)各種線條的MTF，根據(jù)光刻膠對(duì)比度，可以計(jì)算這一系統(tǒng)可以構(gòu)成的最小圖形尺寸。調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)和臨

18、界調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù). 在顯影過(guò)程中，假設(shè)顯影液浸透到光刻膠中，光刻膠的體積就會(huì)膨脹，這將導(dǎo)致圖形尺寸發(fā)生變化，這種膨脹景象主要發(fā)生在負(fù)膠中。 由于負(fù)膠存在膨脹景象，對(duì)于光刻小于3m圖形的情況，根本運(yùn)用正膠來(lái)替代負(fù)膠。正膠在顯影液中的溶解機(jī)制與負(fù)膠不同，不會(huì)發(fā)生膨脹，所以正膠的分辨率比負(fù)膠高。8.3.2、光刻膠的膨脹. 光刻膠的光敏度是指完成所需圖形曝光的最小曝光劑量。 對(duì)于光化學(xué)反響，光敏度是由曝光效率參與光刻膠曝光的光子能量與進(jìn)入光刻膠中的光子能量的比值決議的。通常正膠比負(fù)膠有更高的曝光效率，因此正膠的光敏度也就比較大。提高光敏度可以減小曝光時(shí)間。 實(shí)踐工藝中對(duì)光刻膠光敏度是有限制的。假設(shè)光刻膠

19、的光敏度過(guò)高，室溫下就能夠發(fā)生熱反響，這將使光刻膠的存儲(chǔ)時(shí)間減少。此外，對(duì)光敏度高的正膠曝光時(shí)，每個(gè)像素點(diǎn)只需求得到少量的光子就可以完成曝光。而每個(gè)像素點(diǎn)上接納到的光子數(shù)受統(tǒng)計(jì)漲落影響，這就將對(duì)均勻曝光產(chǎn)生影響。8.3.3、光敏度. 光刻膠的抗刻蝕才干是指在圖形轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，光刻膠抵抗刻蝕的才干。 通常光刻膠對(duì)濕法刻蝕有比較好的抗刻蝕才干。 對(duì)于大部分的干法刻蝕，光刻膠的抗刻蝕才干比較差。DQN正膠對(duì)干法刻蝕有比較好的抗刻蝕才干，但光敏度會(huì)降低。 可以針對(duì)刻蝕中運(yùn)用的刻蝕劑來(lái)改良光刻膠的抗刻蝕才干，對(duì)于氯化物的刻蝕劑可以在光刻膠中添加氟化物來(lái)加強(qiáng)抗蝕才干。 大部分X射線和電子束光刻膠抗干法刻蝕

20、的才干比光學(xué)光刻膠還差。 通常干法刻蝕的任務(wù)溫度比濕法腐蝕要高，這就要求光刻膠可以保證在任務(wù)溫度下的熱穩(wěn)定。普通光刻膠需求可以經(jīng)受200以上的任務(wù)溫度。8.3.4、抗刻蝕才干和熱穩(wěn)定性. 在刻蝕的過(guò)程中，假設(shè)光刻膠黏附不牢就會(huì)發(fā)生鉆蝕和浮膠，直接影響光刻的質(zhì)量，甚至使整個(gè)圖形喪失。 光刻膠附著問(wèn)題在多晶硅、金屬層和高摻雜的SiO2層上最為明顯。影響光刻膠黏附性的要素有很多，襯底資料的性質(zhì)和外表圖形的情況以及工藝條件都會(huì)對(duì)光刻膠黏附性呵斥影響。 加強(qiáng)光刻膠與襯底外表之間的黏附方法有：在涂膠之前對(duì)硅片進(jìn)展脫水處置；運(yùn)用HMDS或TMSDEA增黏劑；提高堅(jiān)膜的循環(huán)溫度。另外，運(yùn)用干法刻蝕可以降低對(duì)光

21、刻膠黏著力的要求。8.3.5、黏著力. 光刻膠是由溶劑溶解了固態(tài)物質(zhì)(如樹(shù)脂)所構(gòu)成的液體，其中溶解的固態(tài)物質(zhì)所占的比重稱為溶解度。 光刻膠的溶解度將決議甩膠后所構(gòu)成的光刻膠膜的厚度以及光刻膠的流動(dòng)性。 光刻膠的黏滯度與溶解度和環(huán)境溫度都有關(guān)系，并且黏滯度是影響甩膠后光刻膠膜厚的兩個(gè)要素之一(另一個(gè)為甩膠速度)。 只需嚴(yán)厲控制涂膠和甩膠時(shí)的溶解度以及任務(wù)溫度，才干得到可反復(fù)的膠膜厚度。8.3.6、溶解度和黏滯力. 光刻膠的純真度與光刻膠中的微粒數(shù)量和金屬含量有關(guān)。經(jīng)過(guò)嚴(yán)厲的過(guò)濾和超凈包裝，可以得到高純度的光刻膠。 即使是高純度的光刻膠，運(yùn)用前仍需求進(jìn)展過(guò)濾。由于隨著存儲(chǔ)時(shí)間的添加，光刻膠中的微

22、粒數(shù)量還會(huì)繼續(xù)添加。 光刻膠的過(guò)濾通常是在枯燥的惰性氣體(如氮?dú)?中進(jìn)展的，根據(jù)需求選擇過(guò)濾的級(jí)別，普通直徑在0.1m以上的微粒都需求除去。 光刻膠的金屬含量主要是指鈉和鉀在光刻膠中的含量。由于光刻膠中的鈉和鉀會(huì)帶來(lái)污染，降低器件的性能。通常要求光刻膠的金屬含量越低越好，特別是鈉需求到達(dá)50萬(wàn)原子分之一。這種低濃度的鈉和鉀可以經(jīng)過(guò)原子吸收光譜分光光度計(jì)來(lái)丈量。8.3.7、微粒數(shù)量和金屬含量. 光刻膠中的成份會(huì)隨時(shí)間和溫度而發(fā)生變化。 假設(shè)保管在高溫的條件下，光刻膠會(huì)發(fā)生交叉鏈接。由于交叉鏈接的作用，DQN正膠中的高分子成份會(huì)添加，這時(shí)DQN感光劑不再可溶，而是結(jié)晶成沉淀物。 通常負(fù)膠的儲(chǔ)存壽命

23、比正膠短(負(fù)膠易于自動(dòng)聚合成膠化團(tuán))。 從熱敏性和老化情況來(lái)看，DQN正膠在封鎖條件下儲(chǔ)存是比較穩(wěn)定的。假設(shè)儲(chǔ)存得當(dāng)，DQN正膠可以保管六個(gè)月至一年。 采用適當(dāng)?shù)倪\(yùn)輸和存儲(chǔ)手段，在特定的條件下保管以及運(yùn)用前對(duì)光刻膠進(jìn)展過(guò)濾，這都有利于處理光刻膠的老化問(wèn)題。8.3.8、存儲(chǔ)壽命.8.4、多層光刻膠工藝 為了得到既薄可以提高分辨率而又致密維護(hù)下面的圖形的光刻膠層，采用多層光刻膠(MLR)技術(shù)。多層光刻膠(MLR)技術(shù)：采用性質(zhì)不同的多層光刻膠，分別利用其抗蝕性、平面平坦化等不同特性完成圖形的轉(zhuǎn)移。 在雙層光刻膠工藝中，頂層光刻膠經(jīng)過(guò)曝光和顯影后構(gòu)成曝光圖形，在后續(xù)的刻蝕工藝中作為刻蝕掩蔽層；底層光

24、刻膠用來(lái)在襯底上構(gòu)成平坦化的平面，需求經(jīng)過(guò)干法刻蝕(氧等離子刻蝕)去掉。 MLR工藝雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是添加了工藝的復(fù)雜性，不但降低了產(chǎn)量，而且能夠添加缺陷和本錢。. 如右圖所示，首先在硅片上甩上底層膠，維護(hù)襯底上的圖形，在起伏的襯底上構(gòu)成平坦化的光刻膠平面。 經(jīng)過(guò)前烘之后，在底層膠上面再甩一層很薄的正膠，用來(lái)作為成像層。經(jīng)過(guò)曝光和顯影之后，在頂層膠中構(gòu)成所需求的圖形。頂層膠中含有酐，經(jīng)過(guò)曝光后轉(zhuǎn)化為羧酸，而非曝光區(qū)中的酐被保管下來(lái)。 然后將硅片浸入到帶有氨基的硅氧烷溶液中，硅氧烷溶液中的氨基與未曝光的頂層膠中的酐反響，使硅氧烷中的硅原子保管在頂層膠中，頂層膠中約含有20-30的硅。8.4.1

25、、光刻膠圖形的硅化學(xué)加強(qiáng)(Si-CARL)工藝. 然后在氧氣氛中進(jìn)展干法刻蝕，頂層膠中的硅與氧反響，從面在頂層膠外表構(gòu)成SiO2薄層。因此在刻蝕過(guò)程中，氧等離子只刻蝕沒(méi)有被頂層維護(hù)的底層光刻膠。經(jīng)過(guò)刻蝕之后，由頂層光刻膠維護(hù)的圖形被保管下來(lái)，轉(zhuǎn)移究竟層光刻膠上去。 利用Si化學(xué)加強(qiáng)方法可以構(gòu)成高寬比很大的圖形，還可以構(gòu)成分辨率小于0.25m的圖形。. 經(jīng)過(guò)甩膠和前烘之后，在光刻膠上甩上一層CEL薄膜，CEL薄膜通常是不透明的，在投影曝光系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)掩膜板，透光區(qū)的CEL在強(qiáng)光作用下變?yōu)橥该?，光線經(jīng)過(guò)透明區(qū)的CEL并對(duì)下面的光刻膠曝光。在對(duì)光刻膠曝光的過(guò)程中，不透光的CEL可以吸收衍射的光線。

26、由于CEL是直接與光刻膠接觸的，它的作用類似接觸式曝光中的掩模版。因此，運(yùn)用CEL就可以充分發(fā)揚(yáng)投影曝光的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又到達(dá)接觸式曝光的效果。 曝光之后，先經(jīng)過(guò)濕法顯影除去CEL，再對(duì)光刻膠進(jìn)展顯影。8.4.2、對(duì)比加強(qiáng)層CEL.采用對(duì)比加強(qiáng)層可以添加分辨率. 為了減少M(fèi)LR所添加的工藝復(fù)雜性，選擇性地將硅分散到成像層中，稱為分散加強(qiáng)硅烷基化光刻膠工藝(DESIRE)。8.4.3、硅烷基化光刻膠外表成像工藝1、分散加強(qiáng)硅烷基化光刻膠工藝光刻膠DNQ曝光，DNQ分解，構(gòu)成隱性圖形。前烘，未曝光的DNQ構(gòu)成交叉鏈接，不容易吸收硅。硅烷基化，高溫下將基片放在含硅的HMDS或TMDS中烘烤，硅分散進(jìn)入到

27、曝光區(qū)的光刻膠中。.O2等離子體刻蝕，曝光區(qū)中的硅氧化構(gòu)成抗刻蝕的二氧化硅，而未曝光的光刻膠被刻蝕。 由于是各向異性的刻蝕，光刻膠圖形的垂直效果很好。 經(jīng)過(guò)DESIRE工藝構(gòu)成的是負(fù)性的圖形曝光區(qū)留下。.2、干法刻蝕正膠成像(PRIME)工藝 PRIME工藝可以選擇性地構(gòu)成正性的圖形。 在曝光的過(guò)程中，曝光區(qū)的感光劑發(fā)生分解的同時(shí)構(gòu)成交叉鏈接，交叉鏈接的深度可以到達(dá)30nm。 然后由UV輻照替代前烘。UV輻照可以使未曝光區(qū)的感光劑分解，從而可使硅分散到這些未曝光的區(qū)域中，因此硅烷基化是在未曝光區(qū)進(jìn)展的。 經(jīng)過(guò)干法刻蝕光刻膠之后，就在光刻膠上構(gòu)成了正性的掩膜圖形。.8.5、抗反射涂層工藝 曝光光

28、波進(jìn)入到光刻膠層之后，假設(shè)沒(méi)有被完全吸收，就會(huì)有一部分光穿過(guò)光刻膠膜到達(dá)襯底外表，被襯底外表反射，又回到光刻膠中。 反射光與光刻膠中的入射光發(fā)生干涉，構(gòu)成駐波，駐波效應(yīng)在光刻膠中構(gòu)成以/2n為間隔、強(qiáng)弱相間的曝光區(qū)域，如下圖。為曝光波長(zhǎng)，n為光刻膠的折射率。8.5.1、駐波效應(yīng). 由于駐波的影響，光刻膠中光強(qiáng)的周期性變化，引起光刻膠中光吸收的不均勻，導(dǎo)致線寬發(fā)生變化，最終降低分辨率。襯底的強(qiáng)反射也會(huì)加重駐波效應(yīng)的影響。 為了改善駐波效應(yīng)，在光刻膠層外表或底部運(yùn)用抗反射涂層(ARC)，同時(shí)在曝光后進(jìn)展烘焙(PEB)。曝光后烘焙：是在顯影之前進(jìn)展的，經(jīng)過(guò)曝光和曝光后烘焙，非曝光區(qū)的感光劑會(huì)向曝光區(qū)

29、分散，從而在曝光區(qū)與非曝光區(qū)的邊境構(gòu)成了平均的曝光效果。 對(duì)于曝光0.5m以下的線條都需求運(yùn)用上述技術(shù)，否那么0.4m以下的i線曝光是不能夠?qū)崿F(xiàn)的。駐波效應(yīng)使分辨率降低.8.5.2、底層抗反射涂層(BARC) BARC位于襯底和光刻膠之間，由高消光率的資料組成，可以吸收穿過(guò)光刻膠層的光線。光線入射到BARC與光刻膠的界面時(shí)，少部分被反射回光刻膠中，大部分進(jìn)入到BARC里。經(jīng)過(guò)調(diào)整BARC的厚度，使透射光穿過(guò)BARC的過(guò)程中，構(gòu)成/4的光程。進(jìn)入到BARC中的光，經(jīng)襯底外表反射后兩次經(jīng)過(guò)BARC層，產(chǎn)生/2的光程，即產(chǎn)生180的相移。相移波與在BARC/光刻膠界面反射的光波發(fā)生干涉，使強(qiáng)度減弱甚

30、至抵消。 假設(shè)BARC與入射光匹配良好，只需少量的光可以由光刻膠/BARC界面反射回光刻膠。同時(shí)，反射光的振幅減小，也會(huì)降低駐波效應(yīng)的影響。 運(yùn)用BARC的代價(jià)是添加了工藝復(fù)雜性，且需求獨(dú)立的工序去除BARC。.8.6、紫外光曝光 紫外(UV)光源和深紫外(DUV)光源是目前工業(yè)上普遍運(yùn)用的曝光光源。8.6.1、水銀弧光燈光源 在248nm的KrF準(zhǔn)分子激光器被運(yùn)用到DUV光刻之前，光刻系統(tǒng)是運(yùn)用高壓水銀燈作為光源。 汞燈內(nèi)部充有水銀氣體，在兩個(gè)電極之間施加高壓脈沖，脈沖將會(huì)使電極間的氣體電離，構(gòu)成高壓水銀氣的弧光發(fā)射，發(fā)射一個(gè)特征光譜。假設(shè)在汞燈內(nèi)參與一定的氙氣，可以提高波長(zhǎng)為200300n

31、m范圍的輸出能量。 . 右圖顯示了汞氣的發(fā)射光譜。在350450nm的UV光譜范圍內(nèi)，有三條強(qiáng)而銳利的發(fā)射線：i線(365nm)、h線(405nm)和g線(436nm)。 經(jīng)過(guò)折射透鏡進(jìn)展分別，就可以得到單一波長(zhǎng)的光線。.8.6.2、投影式照明系統(tǒng) 投影式照明系統(tǒng)的作用是搜集從弧光燈中射出的光，并使搜集的光經(jīng)過(guò)掩模版投射到透鏡組的入射光孔中。光學(xué)搜集系統(tǒng)：通常為拋物面或橢圓面的鏡子，盡能夠多地將發(fā)射的光波引到需求曝光的硅片外表。過(guò)濾器：將其他波長(zhǎng)光過(guò)濾，經(jīng)過(guò)投影透鏡的就是曝光波長(zhǎng)的光線。光線空間均勻：弧形燈發(fā)射光線的空間一致性不夠好，照明掩膜要求光強(qiáng)動(dòng)搖小于1。運(yùn)用蜂窩狀透鏡，產(chǎn)生小弧形燈的多

32、重圖像，從多重圖像射出的光集合在一同，產(chǎn)生一個(gè)平均強(qiáng)度，這個(gè)平均強(qiáng)度要均勻很多。.8.6.3、準(zhǔn)分子激光DUV光源DUV光刻系統(tǒng)中的光源是準(zhǔn)分子激光器：KrF準(zhǔn)分子激光器：可以產(chǎn)生波長(zhǎng)為248nm的DUV光線，目前曾經(jīng)成為光刻工藝中的主要光源，運(yùn)用于0.35m、0.25m和0.18m CMOS技術(shù)。ArF準(zhǔn)分子激光器：可以產(chǎn)生波長(zhǎng)為193nm的DUV光線，運(yùn)用于0.2m 以下的CMOS工藝。 .準(zhǔn)分子：是由一個(gè)惰性氣體原子和一個(gè)鹵素原子組成的特殊分子，這種分子只是在激發(fā)形狀下被約束在一同。假設(shè)其中一個(gè)或兩個(gè)原子處在激發(fā)態(tài)，就可以發(fā)生化學(xué)反響構(gòu)成二聚物。準(zhǔn)分子發(fā)射DUV光：當(dāng)準(zhǔn)分子中的原子的形狀

33、由激發(fā)態(tài)衰變到基態(tài)時(shí)，二聚物就分別成兩個(gè)原子，在衰變的過(guò)程中，有DUV能量放射。準(zhǔn)分子激光原理KrF準(zhǔn)分子激光器：首先是等離子體中產(chǎn)生Kr+和F-離子，然后對(duì)Kr+和F-離子氣體施加高電壓的脈沖，使這些離子結(jié)合在一同構(gòu)成KrF準(zhǔn)分子。在一些準(zhǔn)分子開(kāi)場(chǎng)自發(fā)衰變之后，它們發(fā)射的光穿過(guò)含有準(zhǔn)分子的氣體時(shí)，就會(huì)鼓勵(lì)這些準(zhǔn)分子發(fā)生衰變。因此，準(zhǔn)分子激光以短脈沖方式發(fā)射，而不是延續(xù)地發(fā)射激光。只需充以足夠高的電壓，那么激發(fā)、脈沖和激光發(fā)射就會(huì)反復(fù)產(chǎn)生。.8.6.4、接近式曝光接近式曝光安裝主要由四部分組成： 光源和透鏡系統(tǒng) 掩模版 硅片(樣品) 對(duì)準(zhǔn)臺(tái) 汞燈發(fā)射的紫外光由透鏡變成平行光，平行光經(jīng)過(guò)掩模版后

34、在光刻膠膜上構(gòu)成圖形的像。 掩模版與硅片之間有一小的間隙s，普通為5m，故稱為接近式曝光。. 在8.2節(jié)中我們知道，光學(xué)曝光的最高分辨率為1/。但在接近式曝光系統(tǒng)中，由于掩模版和硅片間有一小間隙s，必需思索這種情況下衍射對(duì)分辨率的限制。 經(jīng)過(guò)分析，假設(shè)像與掩膜版尺寸一樣，沒(méi)有畸變，那么接近式曝光系統(tǒng)的最小線寬為 因此分辨率為 假設(shè)s=5m，=400nm，那么a=2 m，R=250線對(duì)。 實(shí)踐s5m，因此接近式曝光只能用于3 m以上的工藝。接近式曝光的分辨率.8.6.5、接觸式曝光 接觸式曝光系統(tǒng)與接近式一樣，獨(dú)一的區(qū)別是掩模版與硅片是嚴(yán)密接觸，因此接觸式曝光的分辨率優(yōu)于接近式曝光。 接觸式是集

35、成電路研討與消費(fèi)中最早采用的曝光方法，但目前已處于被淘汰的位置，主要緣由是掩模版和硅片嚴(yán)密接觸容易引入大量的工藝缺陷，廢品率太低。.8.6.6、投影光刻投影光刻系統(tǒng)如下圖： 光源光線經(jīng)透鏡后變成平行光 經(jīng)過(guò)掩模版 由第二個(gè)透鏡系統(tǒng)聚焦投影并在硅片上成像 硅片支架和掩模版間有一對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng).投影曝光系統(tǒng)的分辨率：主要是受衍射限制。透鏡系統(tǒng)可以分辨的最小間隔y為： NA為透鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，普通為0.2-0.45。假設(shè)NA = 0.4， = 400 nm，那么y = 0.61 m。投影光刻可以到達(dá)亞微米程度。投影光刻已成為3m以下的主要光刻方法。投影曝光系統(tǒng)的分辨率及優(yōu)點(diǎn).8.6.7、離軸照明 離軸照

36、明技術(shù)在不改動(dòng)任務(wù)波長(zhǎng)、投影物鏡的數(shù)值孔徑與光刻膠工藝的條件下，就能提高光刻分辨率，優(yōu)化焦深，因此得到了廣泛運(yùn)用。 對(duì)于數(shù)值孔徑一定的投影物鏡，當(dāng)光柵周期太小時(shí)，在同軸照明情況下，1級(jí)及更高階衍射光都被物鏡的光闌遮擋，只需0級(jí)衍射光進(jìn)入物鏡，0級(jí)衍射光不包含任何空間信息，硅片上不能構(gòu)成掩模的圖像。假設(shè)采用離軸照明的光線，如圖(b)所示，0級(jí)和-1級(jí)衍射光都能夠進(jìn)入成像系統(tǒng)的光瞳，-1級(jí)衍射光包含了掩模圖形的空間信息，能在硅片上得到掩模圖像。因此離軸照明分辨率更高。離軸照明提高光刻分辨率.焦深：焦點(diǎn)深度，當(dāng)焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)某一物體時(shí)，不僅位于該點(diǎn)平面上的各點(diǎn)都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度內(nèi)，也

37、能看得清楚，這個(gè)清楚部分的厚度就是焦深。 焦深大, 可以看到物體的全層，焦深小，那么只能看到物體的一薄層，焦深與其它技術(shù)參數(shù)有以下關(guān)系：1焦深與物鏡的數(shù)值孔鏡成反比，2焦深大，分辨率降低。 離軸照明條件下，參與成像的0級(jí)與-1級(jí)衍射光的夾角小于傳統(tǒng)照明條件下成像的 1級(jí)衍射光之間的夾角。因此要實(shí)現(xiàn)一樣的光刻分辨率，離軸照明需求較小的NA。由上式可知，與傳統(tǒng)照明相比，離軸照明提高了焦深。離軸照明增大焦深.8.6.8、擴(kuò)展調(diào)焦范圍曝光 擴(kuò)展調(diào)焦范圍曝光(FLEX, Focus Latitude Enhancement Exposure )，主要適用于曝光接觸孔或通孔時(shí)擴(kuò)展焦深，同時(shí)也可以用于曝光硅

38、片外表不平坦引起外表隨機(jī)變化的區(qū)域。FLEX也稱為焦點(diǎn)鉆孔技術(shù)。 曝光視場(chǎng)中存在兩個(gè)焦點(diǎn)，一個(gè)位于光刻膠膜中點(diǎn)，一個(gè)接近光刻膠膜的頂部外表，每個(gè)接觸孔構(gòu)成兩個(gè)重置的像，一個(gè)在焦點(diǎn)上，一個(gè)在焦點(diǎn)外，焦點(diǎn)外的像可以在一個(gè)寬闊的區(qū)域上伸展，其只對(duì)焦點(diǎn)上的像產(chǎn)生模糊的背景效果。經(jīng)過(guò)選擇曝光焦點(diǎn)可以提高接觸孔的聚集深度3至4倍。.8.6.9、化學(xué)加強(qiáng)的深紫外光刻膠 對(duì)于0.35m以下的工藝，需求采用深紫外光源，由于樹(shù)脂和DQN對(duì)紫外光的250nm波長(zhǎng)都存在強(qiáng)吸收，在DUV區(qū)不能很好地運(yùn)用，這就需求運(yùn)用化學(xué)加強(qiáng)(CA)的光刻膠資料。 CA光刻膠的優(yōu)點(diǎn)： 相對(duì)較高的光敏度； 相比于DQN/樹(shù)脂光刻膠，CA膠

39、的對(duì)比度也較高。. 對(duì)于0.35m的工藝，通常會(huì)運(yùn)用混合的光學(xué)曝光技術(shù)，包括運(yùn)用i線和248nm的DUV曝光(運(yùn)用單層的CA光刻膠)。 當(dāng)器件尺寸到達(dá)0.25m時(shí)，就需求完成由i線到248nm深紫外光源的過(guò)渡。經(jīng)過(guò)采用相轉(zhuǎn)移技術(shù)和多層光刻膠技術(shù)，248nm的光刻將會(huì)廣泛運(yùn)用到小尺寸器件的制備中去。 下一代193nm的光刻所需求的光刻膠，依然依賴于CA膠。 . 制造一個(gè)完好的ULSI芯片需求20-25塊不同圖形的掩膜版。 傳統(tǒng)光刻掩膜版是在石英板上淀積一層鉻，用電子束或激光束將圖形直接刻在鉻層上，構(gòu)成1X或4X、5X的掩膜版。8.7、掩模板的制造石英玻璃的熱分散系數(shù)小，使石英玻璃板在掩模版刻寫(xiě)過(guò)

40、程中受溫度變化的影響較小。石英玻璃對(duì)248nm和193nm波長(zhǎng)的通透效果是最好的。8.7.1、石英玻璃板.8.7.2、鉻層 在石英玻璃片上淀積一層鉻(Cr)，掩膜圖形最終就是在鉻膜上構(gòu)成的。選擇鉻膜是由于鉻膜的淀積和刻蝕都比較容易，而且對(duì)光線完全不透明。 在鉻膜的下方還要有一層由鉻的氮化物或氧化物構(gòu)成的薄膜，添加鉻膜與石英玻璃之間黏附力。 在鉻膜的上方需求有一層的20nm厚的Cr2O3抗反射層。 這些薄膜都是經(jīng)過(guò)濺射法制備的。.8.7.3、掩模板的維護(hù)層 為了防止在掩模版上構(gòu)成缺陷，需求用維護(hù)膜將掩模版的外表密封起來(lái)，這樣就可以防止掩模版遭到空氣中微粒以及其他方式的污染。 維護(hù)膜的厚度需求足夠

41、薄，以保證透光性，同時(shí)又要耐清洗，還要求維護(hù)膜長(zhǎng)時(shí)間暴露在UV射線的輻照下，依然能堅(jiān)持它的外形。 目前所運(yùn)用的資料包括硝化纖維素醋酸鹽和碳氟化合物構(gòu)成的維護(hù)薄膜厚度為l2m。 有維護(hù)膜的掩模版可以用去離子水清洗，這樣可以去掉維護(hù)膜上大多數(shù)的微粒，然后再經(jīng)過(guò)弱外表活性劑和手工擦洗，就可以完成對(duì)掩模版的清潔。.8.7.4、移相掩模PSM 當(dāng)圖形尺寸減少到深亞微米，通常需求運(yùn)用移相掩膜(Phase-Shift Mask)技術(shù)。移相掩膜與準(zhǔn)分子激光源相結(jié)合，可以使光學(xué)曝光技術(shù)的分辨才干大為提高。 移相掩膜的根本原理是在光掩模版的某些圖形上添加或減少一個(gè)透明的介質(zhì)層，稱移相器，使光波經(jīng)過(guò)這個(gè)介質(zhì)層后產(chǎn)生

42、180的相位差，與臨近透明區(qū)域透過(guò)的光波產(chǎn)生干涉，從而抵消圖形邊緣的光衍射效應(yīng)，提高曝光的分辨率。圖8.18，p.239移相層資料有兩類：有機(jī)膜，以光刻膠為主，如聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA膠)；無(wú)機(jī)膜，如二氧化硅。.8.8、X射線曝光X射線源：用高能電子束轟擊金屬靶，當(dāng)高能電子撞擊靶時(shí)將損失能量，激發(fā)原子核內(nèi)層電子的躍遷，當(dāng)這些激發(fā)電子落回到基態(tài)時(shí)，將發(fā)射X射線。這些X射線構(gòu)成分立的線譜，其能量取決于靶資料。 X射線源必需在真空下任務(wù)，因此X射線必需透過(guò)窗口進(jìn)入到常壓氣氛中進(jìn)展曝光。窗口資料對(duì)X射線吸收要盡量少，鈹是常用的窗口資料。 X射線的波長(zhǎng)普通選在2-40，即軟X射線區(qū)。8.8.1、X射

43、線曝光系統(tǒng) 目前集成電路中的光刻技術(shù)曾經(jīng)到達(dá)0.13m，已接近光學(xué)光刻的極限。替代光學(xué)光刻的主要有X射線光刻和電子束光刻。.8.8.2、圖形的畸變 在X射線曝光系統(tǒng)中，X射線的波長(zhǎng)小于40，故衍射對(duì)分辨率的影響只需當(dāng)線寬小于20時(shí)才明顯。因此當(dāng)圖形尺寸大于20，而小于1m 時(shí)，引起圖形畸變和影響分辨率的主要緣由不是衍射，而是半陰影和幾何畸變。圖形畸變的緣由：電子束轟擊金屬靶所產(chǎn)生的X射線，沒(méi)有簡(jiǎn)單的反射鏡和透射鏡可以使它變成平行光，實(shí)踐是發(fā)散型的點(diǎn)光源。.從圖中可以看出半陰影為 其中S是掩模版與樣品的間隔，d是靶斑尺寸，D是光源到掩模版的間隔。D大那么單位面積上接納到的X射線劑量變小，曝光時(shí)間

44、加長(zhǎng)；d小對(duì)有利，但靶斑尺寸減小是非常困難的。在實(shí)踐運(yùn)用中通常是采用折衷的方法，以得到最正確的。 半陰影. 當(dāng)樣品上曝光位置偏離X射線束的軸心時(shí)，入射X射線與硅片外表法線有一傾角，不同位置傾角不同，因此產(chǎn)生了幾何偏向x：其中W是硅片曝光位置偏離X射線束軸心的間隔，假設(shè)在硅片的邊上，即W等于硅片的半徑Wr，相應(yīng)的偏向是最大幾何偏向xm：樣品與掩模版的間隙S也會(huì)引入幾何偏向，樣品外表不是絕對(duì)平面，存在加工偏向引起的隨機(jī)起伏和多次光刻引起的有規(guī)那么的圖形起伏，這些要素引起的幾何偏向dx為其中dS為硅片起伏不平引起的S的變化量。假設(shè)要求dx最大變化量dxm0.1m，那么可以允許的dS的相應(yīng)變化dSm1

45、.05m 。在4英寸的硅片平面上起伏變化量1m是非常高的技術(shù)要求。幾何畸變.8.8.3、X射線光源在X射線曝光中，對(duì)X射線源的要求主要有：輻射功率高，使X射線曝光時(shí)間小于60秒；X射線源的尺寸d直接影響半陰影和幾何畸變，為了滿足高分辨率的需求，要求X射線源的尺寸小于1mm：X射線的能量要求在1-10keV，使X射線對(duì)掩模版中的透光區(qū)有較好的透過(guò)率，從而滿足掩模反差大的要求；運(yùn)用平行光源，X射線難以聚集，光源發(fā)射X射線的方式?jīng)Q議了X射線到達(dá)硅片的方式。X射線光源：電子轟擊固體靶構(gòu)成的X射線光源和等離子體源，根本是點(diǎn)光源。同步輻射X射線光源近乎平行發(fā)射，因此目前被廣泛關(guān)注。.8.8.4、X射線曝光

46、的掩模版 波長(zhǎng)在2-40之間時(shí)，低原子序數(shù)的輕元素資料(如氮化硅、氮化硼、鈹?shù)?對(duì)X射線吸收較弱，而高原子序數(shù)的重元素資料(如金)對(duì)X射線的吸收很強(qiáng)，所以可經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇制成掩模版。這是X射線曝光時(shí)，波段選擇在2-40的一個(gè)重要緣由。 X射線光刻要在掩模版上構(gòu)成可透X射線區(qū)和不透X射線區(qū)，從而構(gòu)成曝光圖形。 . 通常采用LPCVD方法堆積低原子序數(shù)的輕元素資料膜(如氮化硅)來(lái)構(gòu)成透光的薄膜襯底。吸收體層那么采用常規(guī)的蒸發(fā)、射頻濺射或電鍍等方法構(gòu)成。 X射線吸收體圖形的加工，普通由電子束掃描光刻和干法刻蝕、精細(xì)電鍍等圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 在X射線掩模版的根本構(gòu)造中，用于薄膜襯底的資料主要有硅、氮

47、化硅、碳化硅、金剛石等，而吸收體資料除廣泛運(yùn)用的金之外，還有鎢、鉭、鎢-鈦等。.8.8.5、X射線光刻膠 由于X射線具有很強(qiáng)的穿透才干，深紫外曝光用的光刻膠對(duì)X射線光子的吸收率很低，只需少數(shù)入射的X射線能對(duì)光化學(xué)反響做奉獻(xiàn)，因此深紫外光刻膠在X射線波段的靈敏度非常低。 提高X射線光刻膠靈敏度的主要方法是，在光刻膠合成時(shí)添加在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高吸收峰的元素，從而加強(qiáng)光化學(xué)反響，提高光刻膠的靈敏度。.8.9、電子束直寫(xiě)式曝光 電子束直寫(xiě)式曝光技術(shù)可以完成0.10.25m的超微細(xì)加工，甚至可以實(shí)現(xiàn)數(shù)十納米線條的曝光。目前，電子束曝光技術(shù)已廣泛地運(yùn)用于制造高精度掩模版、移相掩膜和X射線掩模版的過(guò)程中

48、。 電子束曝光的原理是利器具有一定能量的電子與光刻膠的碰撞作用，發(fā)生化學(xué)反響完成曝光。 具有一定能量的電子束進(jìn)入光刻膠，與光刻膠發(fā)生碰撞時(shí)，主要有三種情況：電子束穿過(guò)光刻膠層，既不發(fā)生方向的變化也沒(méi)有能量的損失； 電子束與光刻膠分子發(fā)生彈性散射，方向發(fā)生改動(dòng)，但不損失能量； 電子束與光刻膠分子發(fā)生非彈性散射，方向改動(dòng)，且有能量損失。. 電子進(jìn)入光刻膠之后發(fā)生的彈性散射，是由于電子遭到核屏蔽電場(chǎng)作用而引起的方向偏轉(zhuǎn)，絕大多數(shù)情況下偏轉(zhuǎn)角小于90。在非彈性散射的情況下，散射角與入射電子的能量損失有關(guān)。普通來(lái)說(shuō)經(jīng)過(guò)散射之后，電子束散開(kāi)的間隔約為入射深度的一半。.8.9.1、臨近效應(yīng) 電子在光刻膠中發(fā)

49、生散射，可以將散射分為前向散射和背散射，前向散射的散射方向與電子束入射方向的夾角很小，只導(dǎo)致曝光圖形的細(xì)微展寬。 背散射將使大面積的光刻膠層發(fā)生程度不同的曝光，最終使大面積的圖形模糊，因此呵斥電子束曝光所構(gòu)成的圖形出現(xiàn)畸變，這種效應(yīng)稱為臨近效應(yīng)。臨近效應(yīng)可分為兩種情況： 因加強(qiáng)曝光引起圖形的凸起； 因減弱曝光引起圖形的缺損。 . 從圖中的A點(diǎn)入射的電子不僅對(duì)A點(diǎn)本身起曝光作用，而且散射電子還會(huì)對(duì)A點(diǎn)周圍區(qū)域的曝光也做出奉獻(xiàn)。同樣，入射到A點(diǎn)周圍區(qū)域的電子，因散射也會(huì)提供能量給A點(diǎn)，促進(jìn)A點(diǎn)的曝光。 假設(shè)各點(diǎn)以同樣電子束照射，A點(diǎn)剛好到達(dá)閾值能量完成化學(xué)反響，對(duì)于處在邊緣的B點(diǎn)來(lái)說(shuō)，散射電子對(duì)B

50、點(diǎn)所奉獻(xiàn)的能量相當(dāng)于A點(diǎn)的1/2，B點(diǎn)就會(huì)顯得曝光不充分，從而出現(xiàn)邊境內(nèi)移。對(duì)于C點(diǎn)，它只接受相當(dāng)于A點(diǎn)1/4的散射電子，因此曝光的情況比B點(diǎn)還差。 由于電子散射的影響，呵斥圖形畸變，兩個(gè)相鄰圖形之間會(huì)凸出。 為了抑制電子散射引起的圖形畸變，在電子束曝光中，經(jīng)過(guò)選擇電子束的能量、光刻膠的膜厚和曝光劑量，可以在一定程度上抑制電子散射引起的圖形畸變問(wèn)題。.8.9.2、電子束曝光系統(tǒng) 目前電子束曝光系統(tǒng)主要有以下幾類： 1. 改良的掃描電鏡(SEM)：是從電子顯微鏡演化過(guò)來(lái)的，經(jīng)過(guò)對(duì)電子束進(jìn)展聚焦，從而在光刻膠上構(gòu)成圖形。其分辨率取決于所選用的SEM，由于其任務(wù)臺(tái)的挪動(dòng)較小，普通只適用于研討任務(wù)。

51、2. 高斯掃描系統(tǒng)：通常有兩種掃描方式：光柵掃描系統(tǒng)，采用高速掃描方式對(duì)整個(gè)圖形場(chǎng)進(jìn)展掃描，利用快速束閘，實(shí)現(xiàn)選擇性曝光；矢量掃描方式，只對(duì)需曝光的圖形進(jìn)展掃描，沒(méi)有圖形部分快速挪動(dòng)。分辨率可以到達(dá)幾納米。 3. 成型束系統(tǒng)：在成型束系統(tǒng)中，需求在曝光前將圖形分割成矩形和三角形，經(jīng)過(guò)上下兩直角光闌的約束構(gòu)成矩形束。成型束的最小分辨率普通大于100nm，但曝光效率高。.8.9.4、有限散射角投影式電子束曝光(SCALPEL) 有限散射角投影式電子束曝光技術(shù)采用散射式掩膜技術(shù)。 掩模版由原子序數(shù)低的SiNx薄膜和原子序數(shù)高的Cr/W組成，電子在SiNx薄膜發(fā)生小角度散射，而在Cr/W中電子會(huì)大角度

52、散射。 處于投影系統(tǒng)的背焦平面上的光闌可以將大角度散射的電子過(guò)濾掉，從而在光刻膠上構(gòu)成高對(duì)比度的圖形。.8.10、ULSI對(duì)圖形轉(zhuǎn)移的要求 在光刻工藝中，經(jīng)過(guò)曝光和顯影之后，在光刻膠層中構(gòu)成圖形構(gòu)造，經(jīng)過(guò)刻蝕可以在光刻膠下方的資料上重現(xiàn)出與光刻膠上一樣的圖形，實(shí)現(xiàn)圖形的轉(zhuǎn)移。 隨著超大規(guī)模集成技術(shù)的開(kāi)展，圖形加工的線條寬度越來(lái)越細(xì)，對(duì)轉(zhuǎn)移圖形的重現(xiàn)精度和尺寸的要求也越來(lái)越高。 目前在集成電路工藝中運(yùn)用的刻蝕技術(shù)主要包括：液態(tài)的濕法腐蝕和氣態(tài)的干法刻蝕。.8.10.1、圖形的保真度 經(jīng)過(guò)腐蝕之后圖形，通常呈現(xiàn)為三種情況，設(shè)縱向腐蝕速率為Vv、側(cè)向腐蝕速率為Vl。 圖(a)，Vl =0，腐蝕只沿縱

53、向進(jìn)展，為各向異性腐蝕。 圖(b)和(c)，在縱向腐蝕的同時(shí)，側(cè)向也進(jìn)展了腐蝕。假設(shè)Vv = Vl ，為各向同性腐蝕。. 在普通的腐蝕過(guò)程中， VvVl0，實(shí)踐腐蝕是不同程度的各向異性，用A表示腐蝕的各向異性的程度： 假設(shè)用被腐蝕層的厚度h和圖形側(cè)向展寬量df-dm來(lái)替代縱向和橫向的腐蝕速率，那么上式可改寫(xiě)為假設(shè)df-dm=0時(shí)，A1，表示圖形轉(zhuǎn)移過(guò)程產(chǎn)沒(méi)有失真；假設(shè)df-dm2h， A0，表示圖形失真情況嚴(yán)重，即各向同性腐蝕；通常 0 A 1。.8.10.2、選擇比 在實(shí)踐的腐蝕過(guò)程中，掩模和襯底也會(huì)被腐蝕，為了嚴(yán)厲控制每一層腐蝕圖形的轉(zhuǎn)移精度，同時(shí)防止對(duì)其他各層資料的腐蝕，需求控制不同資料

54、的腐蝕速率。 選擇比是指兩種不同資料在腐蝕的過(guò)程中被腐蝕的速率比。通?？梢杂眠x擇比來(lái)描畫(huà)圖形轉(zhuǎn)移中各層資料的相互影響。.8.10.3、均勻性 在ULSI中要腐蝕的硅片尺寸通常大于150mm，而被腐蝕的圖形尺寸普通小于微米量級(jí)。硅片上薄膜的厚度存在起伏，且同一硅片不同部位的腐蝕速率也不同，這些要素都會(huì)呵斥腐蝕圖形轉(zhuǎn)移的不均勻。 假設(shè)要腐蝕的薄膜平均厚度為h，各處厚度的變化因子為0 1；腐蝕的平均速度為V，各處腐蝕速率的變化因子為10。思索極限情況：最厚處用最小腐蝕速率腐蝕，時(shí)間為tmax，最薄處用最大腐蝕速率腐蝕，時(shí)間為tmin，那么有 假設(shè)以tmin為腐蝕時(shí)間，那么厚膜部位未腐蝕盡；假設(shè)延伸腐

55、蝕時(shí)間，這將呵斥較薄部位的過(guò)刻蝕，影響圖形轉(zhuǎn)移精度。 為了獲得理想的腐蝕，控制腐蝕的均勻性，同時(shí)減少過(guò)刻非常重要。.8.10.4、刻蝕的清潔 ULSI的圖形非常精細(xì)，在腐蝕過(guò)程中假設(shè)引入玷污，既影響圖形轉(zhuǎn)移的精度，又添加了腐蝕后清洗的復(fù)雜性和難度。 防止玷污是腐蝕的一個(gè)重要要求。.8.11、濕法腐蝕濕法腐蝕：經(jīng)過(guò)腐蝕溶液與被腐蝕薄膜進(jìn)展化學(xué)反響，除去沒(méi)有被光刻膠維護(hù)的薄膜。 優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單；腐蝕的選擇性較高。 缺陷：各向同性的腐蝕，存在側(cè)向腐蝕。控制濕法腐蝕的主要參數(shù)包括：腐蝕溶液的濃度腐蝕的時(shí)間反響溫度溶液的攪拌方式等。.8.11.1、Si的濕法腐蝕 濕法腐蝕硅時(shí)，普通采用強(qiáng)氧化劑對(duì)硅進(jìn)展氧

56、化，然后利用HF酸與SiO2反響去掉SiO2 ，從而到達(dá)對(duì)硅的腐蝕目的。 最常用的腐蝕溶液是硝酸與氫氟酸和水(或醋酸)的混合液。 化學(xué)反響方程式為： 在腐蝕液中，水是做為稀釋劑，但最好用醋酸，醋酸可以抑制硝酸分解，使硝酸的濃度維持在較高的程度. 對(duì)于金剛石或閃鋅礦構(gòu)造，(111)面的原子比(100)面排得更密，因此(111)面的腐蝕速度比(100)面的腐蝕速度小。經(jīng)過(guò)腐蝕的Si膜構(gòu)造如圖：(a)采用SiO2層做為掩模對(duì)(100)晶向的硅進(jìn)展腐蝕，可以得到V形的溝槽構(gòu)造。假設(shè)SiO2上的圖形窗口足夠大，或者腐蝕的時(shí)間比較短，可以構(gòu)成U形的溝槽。(b)假設(shè)被腐蝕的是(110)晶向的硅片，那么會(huì)構(gòu)成

57、根本為直壁的溝槽，溝槽的側(cè)壁為(111)面。晶向?qū)Ωg速率的影響.8.11.2、SiO2的濕法腐蝕 SiO2的濕法腐蝕可以運(yùn)用氫氟酸(HF)做為腐蝕劑，其反響方程式為 在反響過(guò)程中，HF不斷耗費(fèi)，因此反響速率隨時(shí)間的添加而降低。通常在腐蝕液中參與氟化氨作為緩沖劑，氟化氨分解產(chǎn)生HF，維持HF的恒定濃度。 在集成電路工藝中，除了需求對(duì)熱氧化和CVD等方式得到的SiO2進(jìn)展腐蝕外，還需求對(duì)磷硅玻璃(PSG)和硼磷硅玻璃(BPSG)等進(jìn)展腐蝕。由于組成成份不同，氫氟酸對(duì)這些SiO2的腐蝕速率也不一樣，以熱氧化方式生成的二氧化硅的腐蝕速率最慢。 Si3N4可以運(yùn)用加熱的磷酸(130150)來(lái)進(jìn)展腐蝕。

58、8.11.3、Si3N4的濕法腐蝕.8.12、干法刻蝕技術(shù)干法刻蝕：利用等離子體激活的化學(xué)反響或者是利用高能離子束轟擊去除物質(zhì)的方法。8.12.1、干法刻蝕的原理干法刻蝕特點(diǎn)： 各向異性，縱向的刻蝕速率遠(yuǎn)大于橫向的刻蝕速率； 離子對(duì)光刻膠和無(wú)維護(hù)的薄膜同時(shí)進(jìn)展刻蝕，選擇性比濕法腐蝕差。.等離子體刻蝕：利用輝光放電產(chǎn)生的活性粒子與需求刻蝕的資料發(fā)生化學(xué)反響構(gòu)成揮發(fā)性產(chǎn)物完成刻蝕。具有比較好的選擇性，各向異性相對(duì)較差。濺射刻蝕：高能離子轟擊需求刻蝕的資料外表，經(jīng)過(guò)濺射的物理過(guò)程完成刻蝕。具有比較好的各向異性，但選擇性相對(duì)較差。反響離子刻蝕(RIE) ：介于濺射刻蝕與等離子刻蝕之間的刻蝕技術(shù)，同時(shí)利

59、用了物理濺射和化學(xué)反響的刻蝕機(jī)制?？梢造`敏地選取任務(wù)條件以求獲得最正確的刻蝕效果，同時(shí)具有較好的選擇性和各向異性。目前，在集成電路工藝中廣泛運(yùn)用的是反響離子刻蝕技術(shù)。 干法刻蝕的分類.8.12.2、二氧化硅和硅的干法刻蝕 在ULSI工藝中對(duì)二氧化硅的刻蝕通常是在含有氟化碳的等離子體中進(jìn)展。早期刻蝕運(yùn)用的氣體為四氟化碳(CF4)，如今運(yùn)用比較廣泛的反響氣體有CHF3，C2F6，SF6和C2F8，其目的都是用來(lái)提供碳原子及氟原子與SiO2進(jìn)展反響。 CF4的反響為：運(yùn)用CF4對(duì)SiO2進(jìn)展刻蝕時(shí)，刻蝕完SiO2之后，會(huì)繼續(xù)對(duì)硅進(jìn)展刻蝕。 為理處理這一問(wèn)題，在CF4等離子體中通常參與一些附加的氣體成

60、份，這些附加的氣體成份可以影響刻蝕速度、刻蝕的選擇性、均勻性和刻蝕后圖形邊緣的剖面效果。. 在運(yùn)用CF4對(duì)硅和SiO2進(jìn)展等離子刻蝕時(shí)，氟與SiO2反響的同時(shí)，還與CFx原子團(tuán)(x3)結(jié)合而耗費(fèi)掉，呵斥氟原子的穩(wěn)態(tài)濃度比較低，刻蝕速率較慢。 假設(shè)參與適量的氧氣，氧氣也同樣被電離，氧可與CFx原子團(tuán)反響，呵斥CFx原子團(tuán)耗盡，減少了氟原子的耗費(fèi)，使F/C原子比添加，加快SiO2刻蝕速度。 在氧組分到達(dá)臨界值之后，繼續(xù)添加氧的組分，由于氟原子濃度被氧沖淡，刻蝕速度下降。 刻蝕硅時(shí)，臨界氧組分只需12%，氧組分繼續(xù)添加，刻蝕速率下降比SiO2更快。這是由于氧原子傾向于吸附在Si的外表上，阻撓了氟原子