微電子工藝第八章

微電子工藝課件第八章1第1頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月①高分辨率。通常把線寬作為光刻水平的標志，線寬越來越細，要求光刻具有高分辨率。②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，曝光時間短，但往往使光刻膠的其他屬性變差。③低缺陷。在集成電路芯片的加工進程中，如果在器件上產生一個缺陷，即使缺陷的尺寸小于圖形的線寬，也可能會使整個芯片失效。④精密的套刻對準。集成電路芯片的制造需要經過多次光刻，在各次曝光圖形之間要相互套準。通常要采用自動套刻對準技術。⑤對大尺寸硅片的加工。為了提高經濟效益和硅片利用率，一般在一個大尺寸硅片上同時制作很多個完全相同的芯片。對于光刻而言，在大尺寸硅片上滿足前述的要求難度更大。ULSI中對光刻的基本要求2第2頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1、光刻工藝流程在光刻的過程中通常包括三個主要步驟：曝光、顯影、刻蝕(或淀積)。3第3頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1.1、涂膠在集成電路工藝中，光刻膠層的作用是在刻蝕(腐蝕)或離子注入過程中，保護被光刻膠覆蓋的材料。因此，光刻膠層與硅片表面之間需要牢固地黏附。涂膠的目的是在硅片表面形成厚度均勻、附著性強、并且沒有缺陷的光刻膠薄膜。在涂膠之前，硅片一般需要經過脫水烘焙并且涂上用來增加光刻膠與硅片表面附著能力的化合物。4第4頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月以光刻膠在SiO2表面的附著情況為例，由于SiO2的表面是親水性的，而光刻膠是疏水性的，SiO2表面可以從空氣中吸附水分子，含水的SiO2會使光刻膠的附著能力降低。因此在涂膠之前需要預先對硅片進行脫水處理，稱為脫水烘焙。①在150-200℃釋放硅片表面吸附的水分子；②在400℃左右使硅片上含水化合物脫水；③進行750℃以上的脫水。一、脫水烘焙5第5頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月在涂膠之前，還應在Si片表面上涂上一層化合物，其目的也是為了增強光刻膠與硅片之間的附著力。目前應用比較多的是六甲基乙硅氮烷(簡稱HMDS)和三甲基硅烷基二乙胺(簡稱TMSDEA)。在實際應用中，HMDS的涂布都是以氣相的方式進行的，HMDS以氣態(tài)的形式輸入到放有硅片的容器中，然后在硅片的表面完成涂布。還可以將脫水烘焙與HMDS的氣相涂布結合起來進行。硅片首先在容器里經過100-200℃的脫水烘焙，然后直接進行氣相涂布。由于避免了與大氣的接觸，硅片吸附水分子的機會將會降低，涂布HMDS的效果將會更加理想。二、涂布HMDS6第6頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月涂膠工藝一般包括三個步驟：①將光刻膠溶液噴灑到硅片表面上；②加速旋轉托盤(硅片)，直至達到需要的旋轉速度；③達到所需的旋轉速度后，保持一定時間的旋轉。三、涂膠把硅片放在一個平整的金屬托盤上，有小孔與真空管相連，硅片就被吸在托盤上，硅片與托盤一起旋轉。7第7頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月光刻膠的膜厚與光刻膠本身的黏性有關對于同樣的光刻膠，光刻膠的膜厚由旋轉速度決定，轉動速度越快，光刻膠層的厚度越薄，光刻膠的均勻性也越好。涂膠的過程應始終在超凈環(huán)境中進行。同時噴灑的光刻膠溶液中不能含有空氣，因為氣泡的作用與微粒相似，都會在光刻工藝中引起缺陷。四、光刻膠的膜厚8第8頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1.2前烘在液態(tài)的光刻膠中，溶劑的成份占65％-85％，經過甩膠之后，雖然液態(tài)的光刻膠已經成為固態(tài)的薄膜，但仍含有10％-30％的溶劑。涂膠以后的硅片，需要在一定的溫度下進行烘烤，使溶劑從光刻膠內揮發(fā)出來，這一步驟稱為前烘。(前烘后光刻膠中溶劑含量降到5％左右)

在前烘過程中，由于溶劑的揮發(fā)，光刻膠的厚度也會減薄，一般減小的幅度為10％-20％左右。9第9頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月降低灰塵的玷污；減輕因高速旋轉形成的薄膜應力，從而提高光刻膠的附著性。光刻膠的顯影速度受光刻膠中溶劑含量的影響。如果光刻膠沒有經過前烘處理，對于正膠來說，非曝光區(qū)的光刻膠由于溶劑的含量比較高，在顯影液中也會溶解變簿，從而使光刻膠的保護能力下降。一、前烘的作用10第10頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月前烘的溫度和時間需要嚴格地控制。前烘的溫度太低或時間太短光刻膠層與硅片表面的黏附性變差；由于光刻膠中溶劑的含量過高，曝光的精確度也會變差；太高的溶劑濃度使顯影液對曝光區(qū)和非曝光區(qū)光刻膠的選擇性下降，導致圖形轉移效果不好。前烘溫度太高光刻膠層的黏附性也會因為光刻膠變脆而降低；過高的烘焙溫度會使光刻膠中的感光劑發(fā)生反應，使光刻膠在曝光時的敏感度變差。二、前烘的溫度和時間11第11頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月前烘通常采用干燥循環(huán)熱風、紅外線輻射以及熱平板傳導等熱處理方式。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，同時還可以保證均勻加熱。在熱平板烘烤中，熱量由硅片的背面?zhèn)魅?，因此光刻膠內部的溶劑將向表面移動而離開光刻膠。如果處于光刻膠表面的溶劑的揮發(fā)速度比光刻膠內部溶劑的揮發(fā)速度快，當表面的光刻膠已經固化時，再繼續(xù)進行烘倍，光刻膠表面將會變得粗糙，使用平板烘烤就可以解決這個問題。三、前烘的加熱方式12第12頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1.3曝光光刻膠在經過前烘之后，原本為液態(tài)的光刻膠在硅片表面上固化，這樣就可以進行曝光。在未經曝光之前，正性光刻膠中的感光劑DQ是不溶于顯影液的，同時也會抑制酚醛樹脂在顯影液中的溶解。在曝光的過程中，感光劑DQ發(fā)生光化學反應，成為乙烯酮。因為乙烯酮的化學性質并不穩(wěn)定，會進一步的水解為茚并羧酸(ICA)。羧酸對堿性溶劑的溶解度將比未曝光的感光劑高出許多(約100倍左右)，同時還會促進酚醛樹脂的溶解。

利用感光與未感光的光刻膠對堿性溶液的不同溶解度就可以進行掩膜圖形的轉移。13第13頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月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。嚴格地說，在顯影時曝光區(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比度越高。影響顯影效果的主要因素包括：①曝光時間；②前烘的溫度和時間；③光刻膠的膜厚；④顯影液的濃度；⑤顯影液的溫度；⑥顯影液的攪動情況等。以正膠為例，在顯影過程中，曝光區(qū)的光刻膠在顯影液中溶解，非曝光區(qū)的光刻膠則不會溶解。曝光后在光刻膠層中形成的潛在圖形，顯影后便顯現出來，這一步驟稱為顯影。14第14頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月顯影的方式有許多種，目前廣泛使用的是噴灑方法?？煞譃槿齻€階段：①硅片被置于旋轉臺上，并且在硅片表面上噴灑顯影液；②然后硅片將在靜止的狀態(tài)下進行顯影；③顯影完成之后，需要經過漂洗，之后再旋干。噴灑方法的優(yōu)點在于它可以滿足工藝流水線的要求。顯影之后，一般要通過光學顯微鏡、掃描電鏡(SEM)或者激光系統來檢查圖形的尺寸是否滿足要求。如果不能滿足要求，可以返工。因為經過顯影之后只是在光刻膠上形成了圖形，只需去掉光刻膠就可以重新進行上述各步工藝。顯影方式與檢測15第15頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1.5堅膜硅片在經過顯影之后，需要經歷一個高溫處理過程，簡稱堅膜。堅膜的主要作用是除去光刻膠中剩余的溶劑，增強光刻膠對硅片表面的附著力，同時提高光刻膠在刻蝕和離子注入過程中的抗蝕性和保護能力。通常堅膜的溫度要高于前烘溫度。16第16頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月光刻膠的光學穩(wěn)定是通過紫外光輻照和加熱來完成的。經過UV輻照和適度的熱處理(110℃)之后，在光刻膠的表面圖形上可以形成交叉鏈接的硬殼，可以使光刻膠圖形在高溫過程中不會變形。光學穩(wěn)定可以使光刻膠產生均勻的交叉鏈接，提高光刻膠的抗刻(腐)蝕能力，進而提高刻蝕工藝的選擇性。但去除經過UV處理的光刻膠需要進行額外的一步工藝，光刻膠首先經過氧等離子的活化，然后通過濕法除去。光學穩(wěn)定17第17頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1.6刻蝕8.1.7去膠在集成電路工藝中，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溶液去膠和無機溶液去膠：有機溶液去膠主要是使光刻膠溶于有機溶液中（丙酮和芳香族的有機溶劑），從而達到去膠的目的。無機溶液去膠的原理是使用一些無機溶液(如H2SO4和H2O2等)，將光刻膠中的碳元素氧化成為二氧化碳，把光刻膠從硅片的表面上除去。由于無機溶液會腐蝕A1，因此去除A1上的光刻膠必須使用有機溶液。干法去膠則是用等離子體將光刻膠剝除。光刻膠通過在氧等離子體中發(fā)生化學反應，生成氣態(tài)的CO，CO2和H2O由真空系統抽走。相對于濕法去膠，干法去膠的效果更好，但是干法去膠存在反應殘留物的玷污問題，因此干法去膠與濕法去膠經常搭配進行。18第18頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2分辨率

分辨率R描述了光刻工藝中可能達到的最小光刻圖形尺寸，表示每mm內最多能刻蝕出多少可分辨的線條數。線寬與線條間距相等的情況下，R定義為:

線條越細，分辨率越高。光刻的分辨率受到光刻系統、光刻膠和工藝等各方面的限制。這里我們只從物理角度對分辨率進行探討。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，限制分辨率的因素是衍射。19第19頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月設有一物理線度L，為了測量和定義它，必不可少的誤差為ΔL，根據量子理論的不確定性關系，則有其中h是普朗克常數，Δp是粒子動量的不確定值。對于曝光所用的粒子束，若其動量的最大變化是從-p到+p，即Δp=2p，代入上式，則有ΔL在這里表示分清線寬L必然存在的誤差。若ΔL就是線寬，那么它就是物理上可以得到的最細線寬，因而最高的分辨率

一、最高的分辨率20第20頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月不同的粒子束，因其能量、動量不同，則ΔL亦不同。對于光子通常把上式看作是光學光刻方法中可得到的最細線條，即不可能得到一個比λ/2還要細的線條。其物理圖像是，光的波動性所顯現的衍射效應限制了線寬≥λ/2。因此最高分辨率為：

這是僅考慮光的衍射效應而得到的結果，沒有涉及光學系統的誤差以及光刻膠和工藝的誤差等，因此這是純理論的分辨率。二、光子曝光的最高分辨率21第21頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月關于光束的線寬限制，對其他的粒子束同樣適用。任何粒子束都具有波動性，即德布羅意物質波，其波長λ與質量m、動能E的關系描述如下：粒子束的動能E為：其動量p：粒子束的波長：由此，用粒子束可得到的最細線條為：三、任意粒子曝光的最高分辨率22第22頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月結論：若粒子束的能量E給定后，則粒子的質量m愈大，ΔL愈小，因而分辨率愈高。以電子和離子作比較，離子的質量大于電子，所以它的ΔL小，即分辨率高。但這個說法有一定的限制，因為離子本身的線度一般大于1?，所以用它加工的尺寸不可能做到小于它本身的線度。對于m一定，即給定一種粒子，例加電子，則其動能愈高，ΔL愈小，分辨率愈高。23第23頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.3光刻膠的基本屬性光學光刻膠通常包含有三種成份：①聚合物材料(樹脂)：附著性和抗腐蝕性②感光材料：感光劑③溶劑：使光刻膠保持為液態(tài)正膠的感光區(qū)在顯影時溶掉，沒有感光的區(qū)域在顯影時不溶解，因此形成的光刻膠圖形是掩模版圖形的正影像。負膠的情況與正膠相反，經過顯影后光刻膠層上形成的是掩模版的負性圖形。正膠的分辨率比負膠高。光刻膠通?？煞譃檎z和負膠，經過曝光和顯影之后所得到的圖形是完全相反的。24第24頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月光刻膠的對比度會直接影響到曝光后光刻膠膜的傾角和線寬。為了測量光刻膠的對比度，將一定厚度的光刻膠膜在不同的輻照劑量下曝光，然后測量顯影之后剩余光刻膠的膜厚，利用得到的光刻膠膜厚-曝光劑量響應曲線進行計算就可以得到對比度。8.3.1對比度光刻膠的對比度：不同的光刻膠膜厚-曝光劑量響應曲線的外推斜率。25第25頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月根據對比度定義，Y2＝1.0，Y1=0，X2＝log10Dog，X1＝log10Dig。

負膠的對比度一、負膠的對比度對于負膠，只有達到臨界曝光劑量后，才形成膠體的交叉鏈接，臨界曝光劑量以下的負膠中不會形成圖形，如圖所示。達到臨界曝光劑量后，隨曝光劑量的增加，負膠膜上形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負膠的膜厚。其中，Dig為負膠的臨界曝光劑量，Dog為負膠的膠化薄膜厚度與曝光開始時負膠膜厚度相等時的曝光劑量。26第26頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月測量正膠對比度的方法與負膠相同，但在測量的過程中需要使用顯影劑。正膠的膜厚隨著曝光劑量的增加而減小，直到在顯影的過程中被完全除去，曝光區(qū)域剩余的正膠膜厚與曝光劑量的關系如圖所示。二、正膠的對比度根據對比度定義，Y2＝0，Y1=1.0，X2＝log10Dc，X1＝log10Do。正膠的對比度：Dc為完全除去正膠膜所需要的最小曝光劑量，Do為對正膠不產生曝光效果所允許的最大曝光劑量。27第27頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月三、光刻膠的側墻傾斜在理想的曝光過程中，投到光刻膠上的輻照區(qū)域應該等于掩模版上的透光區(qū)域，在其他區(qū)域應該沒有輻照能量。在實際的曝光過程中，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)城的光刻膠受到的曝光劑量小于Dc而大于Do，在顯影過程中只有部分溶解。因此經過顯影之后留下的光刻膠的側面都會有一定的斜坡。光刻膠的對比度越高，光刻膠層的側面越陡。28第28頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月由于線寬是通過測量光刻膠/襯底之上特定高度的線條間距得到的，光刻膠側面的陡度越好，線寬描述掩模尺寸的準確度就越高。最終的圖形轉移是經過刻蝕完成的，而干法刻蝕在一定程度上對光刻膠也有侵蝕作用，所以陡峭的光刻膠可以減小刻蝕過程中的刻蝕效應，從而提高分辨率。四、側墻傾斜對分辨率的影響29第29頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月采用調制轉移函數(MTF)來描述曝光圖形的質量：MTF的定義表達式為：Imax為曝光圖形上的最大輻照強度，Imin為最小輻照強度。定義光刻膠的臨界調制轉移函數為：

為了使曝光系統能夠得到要求的線條，對應這些線條尺寸的調制轉移函數MTF就需要大于或等于所用的光刻膠的CMTF。

對比度與CMTF之間的關系為：

如果已知曝光系統對各種線條的MTF，根據光刻膠對比度，可以計算這一系統可以形成的最小圖形尺寸。五、調制轉移函數和臨界調制轉移函數30第30頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月在顯影過程中，如果顯影液滲透到光刻膠中，光刻膠的體積就會膨脹，這將導致圖形尺寸發(fā)生變化，這種膨脹現象主要發(fā)生在負膠中。由于負膠存在膨脹現象，對于光刻小于3μm圖形的情況，基本使用正膠來代替負膠。正膠在顯影液中的溶解機制與負膠不同，不會發(fā)生膨脹，所以正膠的分辨率比負膠高。8.3.2光刻膠的膨脹31第31頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月光刻膠的光敏度是指完成所需圖形曝光的最小曝光劑量。對于光化學反應，光敏度是由曝光效率（參與光刻膠曝光的光子能量與進入光刻膠中的光子能量的比值）決定的。通常正膠比負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間。實際工藝中對光刻膠光敏度是有限制的。如果光刻膠的光敏度過高，室溫下就可能發(fā)生熱反應，這將使光刻膠的存儲時間減少。此外，對光敏度高的正膠曝光時，每個像素點只需要得到少量的光子就可以完成曝光。而每個像素點上接收到的光子數受統計漲落影響，這就將對均勻曝光產生影響。8.3.3光敏度32第32頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月

光刻膠的抗刻蝕能力是指在圖形轉移的過程中，光刻膠抵抗刻蝕的能力。通常光刻膠對濕法刻蝕有比較好的抗刻蝕能力。對于大部分的干法刻蝕，光刻膠的抗刻蝕能力比較差。DQN正膠對干法刻蝕有比較好的抗刻蝕能力，但光敏度會降低?？梢葬槍涛g中使用的刻蝕劑來改進光刻膠的抗刻蝕能力，對氯化物的刻蝕劑可以在光刻膠中添加氟化物來加強抗蝕能力。大部分X射線和電子束光刻膠抗干法刻蝕的能力比光學光刻膠還差。通常干法刻蝕的工作溫度比濕法腐蝕要高，這就要求光刻膠能夠保證在工作溫度下的熱穩(wěn)定。一般光刻膠需要能夠經受200℃以上的工作溫度。8.3.4抗刻蝕能力和熱穩(wěn)定性33第33頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月在刻蝕的過程中，如果光刻膠黏附不牢就會發(fā)生鉆蝕和浮膠，直接影響光刻的質量，甚至使整個圖形丟失。光刻膠附著問題在多晶硅、金屬層和高摻雜的SiO2層上最為明顯。影響光刻膠黏附性的因素有很多，襯底材料的性質和表面圖形的情況以及工藝條件都會對光刻膠黏附性造成影響。增強光刻膠與襯底表面之間的黏附方法有：①在涂膠之前對硅片進行脫水處理；②使用HMDS或TMSDEA增黏劑；③提高堅膜的循環(huán)溫度。另外，使用干法刻蝕可以降低對光刻膠黏著力的要求。8.3.5黏著力34第34頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月光刻膠是由溶劑溶解了固態(tài)物質(如樹脂)所形成的液體，其中溶解的固態(tài)物質所占的比重稱為溶解度。光刻膠的溶解度將決定甩膠后所形成的光刻膠膜的厚度以及光刻膠的流動性。光刻膠的黏滯度與溶解度和環(huán)境溫度都有關系，并且黏滯度是影響甩膠后光刻膠膜厚的兩個因素之一(另一個為甩膠速度)。只有嚴格控制涂膠和甩膠時的溶解度以及工作的溫度，才能得到可重復的膠膜厚度。8.3.6溶解度和黏滯力35第35頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月光刻膠的純凈度與光刻膠中的微粒數量和金屬含量有關。通過嚴格的過濾和超凈包裝，可以得到高純度的光刻膠。即使是高純度的光刻膠，使用前仍需要進行過濾。因為隨著存儲時間的增加，光刻膠中的微粒數量還會繼續(xù)增加。光刻膠的過濾通常是在干燥的惰性氣體(如氮氣)中進行的，根據需要選擇過濾的級別，一般直徑在0.1μm以上的微粒都需要除去。光刻膠的金屬含量主要是指鈉和鉀在光刻膠中的含量。因為光刻膠中的鈉和鉀會帶來污染，降低器件的性能。通常要求光刻膠的金屬含量越低越好，特別是鈉需要達到50萬原子分之一。這種低濃度的鈉和鉀可以通過原子吸收光譜分光光度計來測量。8.3.7微粒數量和金屬含量36第36頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月光刻膠中的成份會隨時間和溫度而發(fā)生變化。在存儲期間，由于交叉鏈接的作用，DQN正膠中的高分子成份會增加，這時DQN感光劑不再可溶，而是結晶成沉淀物。另一方面，如果保存在高溫的條件下，光刻膠會發(fā)生交叉鏈接。這兩種因素都增加了光刻膠中微粒的濃度，所以光刻膠在使用前需要經過過濾。通常負膠的儲存壽命比正膠短(負膠易于自動聚合成膠化團)。從熱敏性和老化情況來看，DQN正膠在封閉條件下儲存是比較穩(wěn)定的。如果儲存得當，DQN正膠可以保存六個月至一年。采用適當的運輸和存儲手段，在特定的條件下保存以及使用前對光刻膠進行過濾，這都有利于解決光刻膠的老化問題。8.3.8存儲壽命37第37頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.4多層光刻膠工藝為了得到既?。梢蕴岣叻直媛剩┒种旅埽ūＷo下面的圖形）的光刻膠層，采用多層光刻膠(MLR)技術。多層光刻膠(MLR)技術：采用性質不同的多層光刻膠，分別利用其抗蝕性、平面平坦化等不同特性完成圖形的轉移。在雙層光刻膠工藝中，頂層光刻膠經過曝光和顯影后形成曝光圖形，在后續(xù)的刻蝕工藝中作為刻蝕掩蔽層；底層光刻膠用來在襯底上形成平坦化的平面，需要通過干法刻蝕(氧等離子刻蝕)去掉。

缺點：MLR工藝雖然有很多優(yōu)點，但是增加了工藝的復雜性，不但降低了產量，而且可能增加缺陷和成本。38第38頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月如右圖所示，首先在硅片上甩上底層膠，保護襯底上的圖形，在起伏的襯底上形成平坦化的光刻膠平面。經過前烘之后，在底層膠上面再甩一層很薄的正膠，用來作為成像層。經過曝光和顯影之后，在頂層膠中形成所需要的圖形。頂層膠中含有酐，經過曝光后轉化為羧酸，而非曝光區(qū)中的酐被保留下來。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應，使硅氧烷中的硅原子保留在頂層膠中，頂層膠中約含有20％-30％的硅。8.4.1光刻膠圖形的硅化學增強(Si-CARL)工藝39第39頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月然后在氧氣氛中進行干法刻蝕，頂層膠中的硅與氧反應，從而在頂層膠表面形成SiO2薄層。因此在刻蝕過程中，氧等離子只刻蝕沒有被頂層保護的底層光刻膠。經過刻蝕之后，由頂層光刻膠保護的圖形被保留下來，轉移到底層光刻膠上去。利用Si化學增強方法可以形成高寬比很大的圖形，還可以形成分辨率小于0.25μm的圖形。40第40頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月經過甩膠和前烘之后，在光刻膠上甩上一層CEL薄膜，CEL薄膜通常是不透明的，在投影曝光系統中，通過掩膜板，透光區(qū)的CEL在強光作用下變?yōu)橥该?，光線通過透明區(qū)的CEL并對下面的光刻膠曝光。在對光刻膠曝光的過程中，不透明的CEL可以吸收衍射的光線。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，使用CEL就可以充分發(fā)揮投影曝光的優(yōu)點，同時又達到接觸式曝光的效果。曝光之后，先通過濕法顯影除去CEL，再對光刻膠進行顯影。8.4.2對比增強層CEL41第41頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月采用對比增強層可以增加分辨率42第42頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月為了減少MLR所增加的工藝復雜性，選擇性地將硅擴散到成像層中，稱為擴散增強硅烷基化光刻膠工藝(DESIRE)。8.4.3硅烷基化光刻膠表面成像工藝1.擴散增強硅烷基化光刻膠工藝①光刻膠DNQ曝光，DNQ分解，形成隱性圖形。②前烘，未曝光的DNQ形成交叉鏈接，不容易吸收硅。③硅烷基化，高溫下將基片放在含硅的HMDS或TMDS中烘烤，硅擴散進入到曝光區(qū)的光刻膠中。43第43頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月④O2等離子體刻蝕，曝光區(qū)中的硅氧化形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。通過DESIRE工藝形成的是負性的圖形（曝光區(qū)留下）。44第44頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月PRIME工藝能夠選擇性地形成正性的圖形。在曝光的過程中，曝光區(qū)的感光劑發(fā)生分解的同時形成交叉鏈接，交叉鏈接的深度可以達到30nm。然后由UV輻照代替前烘。UV輻照可以使未曝光區(qū)的感光劑分解，從而可使硅擴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)進行的。

經過干法刻蝕光刻膠之后，就在光刻膠上形成了正性的掩膜圖形。2.干法刻蝕正膠成像(PRIME)工藝45第45頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.5抗反射涂層工藝8.5.1、駐波效應曝光光波進入到光刻膠層之后，如果沒有被完全吸收，就會有一部分光穿過光刻膠膜達到襯底表面，被襯底表面反射，又回到光刻膠中。

反射光與光刻膠中的入射光發(fā)生干涉，形成駐波，駐波效應在光刻膠中形成以λ/2n為間隔、強弱相間的曝光區(qū)域，如圖所示。λ為曝光波長，n為光刻膠的折射率。46第46頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月由于駐波的影響，光刻膠中光強的周期性變化，引起光刻膠中光吸收的不均勻，導致線寬發(fā)生變化，最終降低分辨率。襯底的強反射也會加重駐波效應的影響。為了改善駐波效應，在光刻膠層表面或底部使用抗反射涂層(ARC)，同時在曝光后進行烘焙(PEB)。曝光后烘焙：是在顯影之前進行的，經過曝光和曝光后烘焙，非曝光區(qū)的感光劑會向曝光區(qū)擴散，從而在曝光區(qū)與非曝光區(qū)的邊界形成了平均的曝光效果。對于曝光0.5μm以下的線條都需要使用上述技術，否則0.4μm以下的i線曝光是不可能實現的。駐波效應使分辨率降低47第47頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.5.2底層抗反射涂層(BARC)

BARC位于襯底和光刻膠之間，由高消光率的材料組成，可以吸收穿過光刻膠層的光線。光線入射到BARC與光刻膠的界面時，少部分被反射回光刻膠中，大部分進入到BARC里。通過調整BARC的厚度，使透射光穿過BARC的過程中，形成/4的光程。進入到BARC中的光，經襯底表面反射后兩次通過BARC層，產生/2的光程，即產生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，使強度減弱甚至抵消。如果BARC與入射光匹配良好，只有少量的光可以由光刻膠/BARC界面反射回光刻膠。同時，反射光的振幅減小，也會降低駐波效應的影響。使用BARC的代價是增加了工藝復雜性，且需要獨立的工序去除BARC。48第48頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月BARC膜可以通過PVD或CVD形成。在BARC被淀積到襯底上之后，再把光刻膠甩在BARC層上。早期的有機BARC可以使用濕法腐蝕來去除。由于濕法腐蝕是各向同性的，對BARC進行濕法腐蝕不適用于0.5μm以下的光刻工藝。

新型的有機BARC可以使用氧等離子體通過干法刻蝕除去。這樣，BARC就可以應用到DUV光刻中。通過PECVD淀積硅氮氧化物或硅氮化物層來形成無機BARC，無機BARC的化學性質一般與其下的覆蓋層類似，可以有效地除去。另一方面，無機的BARC比有機BARC在刻蝕中有更高的選擇性。而且，在刻蝕過程中，無機BARC也可以做為硬掩蔽層。49第49頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月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)上普遍應用的曝光光源。8.6.1水銀弧光燈光源在248nm的KrF準分子激光器被應用到DUV光刻之前，光刻系統是使用高壓水銀燈作為光源。汞燈內部充有水銀氣體，在兩個電極之間施加高壓脈沖，脈沖將會使電極間的氣體電離，形成弧光發(fā)射，高壓水銀氣的發(fā)射弧放射出了一個特征光譜。如果在汞燈內加入一定的氙氣，可以提高波長為200～300nm范圍的輸出能量。50第50頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月每條單一波長光線含有的能量要低于弧形燈產生能量的2％，為了得到最大的光強，可以使用高能水銀弧光燈(輸出功率200～2000W)。高能水銀弧光燈發(fā)射的大部分為紅外光和可見光，因此需要過濾器將紅外光和可見光從光路中過濾掉。右圖顯示了汞氣的發(fā)射光譜。在350～450nm的UV光譜范圍內，有三條強而銳利的發(fā)射線：i線(365nm)、h線(405nm)和g線(436nm)。通過折射透鏡進行分離，就可以得到單一波長的光線。51第51頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月52第52頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.6.2投影式照明系統投影式照明系統的作用是收集從弧光燈中射出的光，并使收集的光通過掩模版投射到透鏡組的入射光孔中。光學收集系統：通常為拋物面或橢圓面的鏡子，盡可能多地將發(fā)射的光波引到需要曝光的硅片表面。過濾器：將其他波長光過濾，通過投影透鏡的就是曝光波長的光線。光線空間均勻：弧形燈發(fā)射光線的空間一致性不夠好，照明掩膜要求光強波動小于1％。使用蜂窩狀透鏡，產生小弧形燈的多重圖像，從多重圖像射出的光集合在一起，產生一個平均強度，這個平均強度要均勻很多。53第53頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.6.3準分子激光DUV光源DUV光刻系統中的光源是準分子激光器：KrF準分子激光器：可以產生波長為248nm的DUV光線，目前已經成為光刻工藝中的主要光源，應用于0.35μm、0.25μm和0.18μmCMOS技術。ArF準分子激光器：可以產生波長為193nm的DUV光線，應用于0.2μm以下的CMOS工藝。54第54頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月準分子：是由一個惰性氣體原子和一個鹵素原子組成的特殊分子，這種分子只是在準穩(wěn)態(tài)的激發(fā)狀態(tài)下被約束在一起。如果其中一個或兩個原子處在激發(fā)態(tài)，就可以發(fā)生化學反應形成二聚物。準分子發(fā)射DUV光：當準分子中的原子的狀態(tài)由激發(fā)態(tài)衰變到基態(tài)時，二聚物就分離成兩個原子，在衰變的過程中，有DUV能量放射。準分子激光原理KrF準分子激光器：首先是等離子體中產生Kr+和F-離子，然后對Kr+和F-離子氣體施加高電壓的脈沖，使這些離子結合在一起形成KrF準分子。在一些準分子開始自發(fā)衰變之后，它們發(fā)射的光穿過含有準分子的氣體時，就會激勵這些準分子發(fā)生衰變。因此，準分子激光以短脈沖形式發(fā)射，而不是連續(xù)地發(fā)射激光。只要充以足夠高的電壓，那么激發(fā)、脈沖和激光發(fā)射就會重復產生。55第55頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.6.4接近式曝光接近式曝光裝置主要由四部分組成：光源和透鏡系統掩模版硅片(樣品)對準臺汞燈發(fā)射的紫外光由透鏡變成平行光，平行光通過掩模版后在光刻膠膜上形成圖形的像。掩模版與硅片之間有一小的間隙s，一般為5μm，故稱為接近式曝光。56第56頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月在8.2節(jié)中我們知道，光子曝光的最高分辨率為1/λ。但在接近式曝光系統中，由于掩模版和硅片間有一小間隙s，必須考慮這種情況下衍射對分辨率的限制。經過分析，如果像與掩膜版尺寸相同，沒有畸變，則接近式曝光系統的最小線寬為：因此分辨率為：若s=5μm，λ=400nm，則a=2μm，R=250線對。

實際s>5μm，因此接近式曝光只能用于3μm以上的工藝。接近式曝光的分辨率57第57頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.6.5接觸式曝光

接觸式曝光系統與接近式相同，唯一的區(qū)別是掩模版與硅片是緊密接觸，因此接觸式曝光的分辨率優(yōu)于接近式曝光。接觸式是集成電路研究與生產中最早采用的曝光方法，但目前已處于被淘汰的地位，主要原因是掩模版和硅片緊密接觸容易引入大量的工藝缺陷，成品率太低。58第58頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.6.6投影光刻投影光刻系統如圖所示：光源光線經透鏡后變成平行光通過掩模版由第二個透鏡聚焦投影并在硅片上成像硅片支架和掩模版間有一對準系統59第59頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月投影曝光系統的分辨率：主要是受衍射限制。透鏡系統能夠分辨的最小間隔y為：

NA為透鏡系統的數值孔徑，一般為0.2-0.45。若NA=0.4，=400nm，則y=0.61μm。投影光刻可以達到亞微米水平。投影曝光的兩個突出優(yōu)點：①樣品與掩模版不接觸，所以免去了接觸磨碰引入的工藝缺陷。②掩模版不易破損，可對掩模版做修整去除缺陷，提高掩模版利用率。投影光刻已成為3μm以下的主要光刻方法投影曝光系統的分辨率及優(yōu)點60第60頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.6.7離軸照明離軸照明技術在不改變工作波長、投影物鏡的數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，因而得到廣泛應用。對于數值孔徑一定的投影物鏡，當光柵周期太小時，在同軸照明情況下，±1級及更高階衍射光都被物鏡的光闌遮擋，只有0級衍射光進入物鏡，0級衍射光不包含任何空間信息，硅片上不能形成掩模的圖像。如果采用離軸照明的光線，如圖(b)所示，0級和-1級衍射光都可能進入成像系統的光瞳，-1級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：61第61頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月焦深：焦點深度，當焦點對準某一物體時，不僅位于該點平面上的各點都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度內，也能看得清楚，這個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，則只能看到物體的一薄層，焦深與其它技術參數有以下關系：

1．焦深與物鏡的數值孔鏡成反比，

2．焦深大，分辨率降低。離軸照明條件下，參與成像的0級與-1級衍射光的夾角小于傳統照明條件下成像的±

1級衍射光之間的夾角。因此，要實現相同的光刻分辨率，離軸照明需要較小的NA。由上式可知，與傳統照明相比，離軸照明提高了焦深。離軸照明增大焦深62第62頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.6.8擴大調焦范圍曝光

擴大調焦范圍曝光(FLEX,FocusLatitudeEnhancementExposure)，主要適用于曝光接觸孔或通孔時擴展焦深，同時也可以用于曝光硅片表面不平坦引起表面隨機變化的區(qū)域。FLEX也稱為焦點鉆孔技術。在這種方法中，曝光視場中存在有兩個焦點，一個位于光刻膠膜的中點，另一個接近光刻膠膜的頂部表面。因此，每個接觸孔的圖像包括兩個疊置的圖像，一個在焦點上，一個在焦點外。焦點外的圖像可以在一個寬敞的區(qū)域上伸展，其只對焦點上的圖像產生模糊的背景效果。63第63頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.6.9化學增強的深紫外光刻膠對于0.35μm以下的工藝，需要采用深紫外光源，由于樹脂和DNQ對紫外光的250nm波長都存在強吸收，在DUV區(qū)不能很好地使用，這就需要使用化學增強(CA)的光刻膠材料。在曝光過程中，CA膠吸收光子使光敏酸(PAG)分解，形成少量的酸。這些酸在堅膜過程中，會誘發(fā)一系列的化學轉化，增強光刻膠在顯影液中的可溶性。由于此后的反應是催化反應，在每次化學反應中都會生成酸，可以持續(xù)地參加反應。CA光刻膠的優(yōu)點：相對較高的光敏度；相比于DNQ/樹脂光刻膠，CA膠的對比度也較高。64第64頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月對于0.35μm的工藝，通常會使用混合的光學曝光技術，包括使用i線和248nm的DUV曝光(后者使用單層的CA光刻膠)。當器件尺寸達到0.25μm時，就需要完成由i線到248nm深紫外光源的過渡。通過采用相轉移技術和多層光刻膠技術，248nm的光刻將會廣泛應用到小尺寸器件的制備中去。下一代193nm的光刻所需要的光刻膠，將依然依賴于CA膠。CA膠的主要問題是膠的成份，由于受氣體和襯底的影響使光刻膠污染，對曝光后的后烘條件的敏感度以及在干法刻蝕中抗腐蝕能力降低。65第65頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月制作一個完整的ULSI芯片需要20-25塊不同圖形的掩膜版。傳統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，形成1X或4X、5X的掩膜版。8.7掩模板的制造石英玻璃的熱擴散系數小(5×10-7cm/cm℃)，使石英玻璃板在掩模版刻寫過程中受溫度變化的影響較小。石英玻璃對248nm和193nm波長的通透效果是最好的。8.7.1石英玻璃板66第66頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月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形成的。選擇鉻膜是因為鉻膜的淀積和刻蝕都比較容易，而且對光線完全不透明。在鉻膜的下方還要有一層由鉻的氮化物或氧化物形成的薄膜，增加鉻膜與石英玻璃之間黏附力。在鉻膜的上方需要有一層的20nm厚的Cr2O3抗反射層。這些薄膜都是通過濺射法制備的。使用濺射方法的優(yōu)點在于淀積的薄膜黏附力好，而且薄膜的厚度均勻性比較好。67第67頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.7.3掩模板的保護層為了防止在掩模版上形成缺陷，需要用保護膜將掩模版的表面密封起來，這樣就可以避免掩模版遭到空氣中微粒以及其他形式的污染。保護膜的厚度需要足夠薄，以保證透光性，同時又要耐清洗，還要求保護膜長時間暴露在UV射線的輻照下，仍然能保持它的形狀。目前所使用的材料包括硝化纖維素醋酸鹽和碳氟化合物，形成的保護薄膜厚度為l～2μm。有保護膜的掩模版可以用去離子水清洗，這樣可以去掉保護膜上大多數的微粒，然后再通過弱表面活性劑和手工擦洗，就可以完成對掩模版的清潔。68第68頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.7.4移相掩模（PSM）當圖形尺寸縮小到深亞微米，通常需要使用移相掩膜(Phase-ShiftMask)技術。移相掩膜與準分子激光源相結合，可以使光學曝光技術的分辨能力大為提高。移相掩膜的基本原理是在光掩模版的某些透明圖形上增加或減少一個透明的介質層，稱移相器，使光波通過這個介質層后產生180°的相位差，與鄰近透明區(qū)域透過的光波產生干涉，從而抵消圖形邊緣的光衍射效應，提高曝光的分辨率。移相層材料有兩類：①有機膜，以光刻膠為主，如聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA膠)；②無機膜，如二氧化硅。69第69頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.8X射線曝光

X射線曝光使用的X射線是用高能電子束轟擊一個金屬靶產生的，當高能電子撞擊靶時將損失能量，而能量損失的主要機理之一是激發(fā)原子核內層電子的躍遷，當這些激發(fā)電子落回到基態(tài)時，將發(fā)射X射線。這些X射線形成分立的線譜，其能量取決于靶材料。X射線源必須在真空下工作，因此X射線必須透過窗口進入到常壓氣氛中進行曝光。窗口材料對X射線吸收要盡量少，鈹是常用的窗口材料。X射線透過掩模版照射到硅片上的光刻膠完成曝光。掩模材料對X射線的吸收也要少，所以X射線的波長一般選在2～40?，即軟X射線區(qū)。8.8.1X射線曝光系統目前集成電路中的光刻技術已經達到0.13μm，已接近光學光刻的極限。替代光學光刻的主要有X射線光刻和電子束光刻。70第70頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.8.2圖形的畸變在X射線曝光系統中，所選X射線的波長小于40?，故衍射對分辨率的影響只有當線寬小于20?時才明顯。因此當圖形尺寸大于20?，而小于1μm時，引起圖形畸變和影響分辨率的主要原因不是衍射，而是半陰影和幾何畸變。電子束轟擊金屬靶所產生的X射線，沒有簡單的反射鏡和透射鏡能夠使它變成平行光，實際是發(fā)散型的點光源。71第71頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月為了減小曝光圖形的畸變，只有減小點光源的尺寸才可以降低半陰影Δ和樣品上不同位置的投影偏差。從圖中可以看出半陰影Δ為：其中S是掩模版與樣品的距離，d是靶斑尺寸，D是光源到掩模版的距離。D大則單位面積上接收到的X射線劑量變小，曝光時間加長；d小對Δ有利，但靶斑尺寸減少是非常困難的。在實際應用中通常是采用折衷的方法，以得到最佳的Δ。一、半陰影72第72頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月當樣品上曝光位置偏離X射線束的軸心時，入射X射線與硅片表面法線有一傾角，不同位置傾角不同，因此產生了幾何偏差x：其中W是硅片曝光位置偏離X射線束軸心的距離，若在硅片的邊上，即W等于硅片的半徑Wr，相應的偏差是最大幾何偏差xm：樣品與掩模版的間隙S也會引入幾何偏差，樣品表面不是絕對平面，存在加工偏差引起的隨機起伏和多次光刻引起的有規(guī)則的圖形起伏，這些因素引起的幾何偏差dx為：其中dS為硅片起伏不平引起的S的變化量。如果要求dx最大變化量dxm≤0.1μm，則可以允許的dS的相應變化dSm≤1.05μm。在4英寸的硅片平面上起伏變化量≤1μm是非常高的技術要求。二、幾何畸變73第73頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.8.3X射線光源在X射線曝光中，對X射線源的要求主要有：①輻射功率高，使X射線曝光時間小于60秒；②X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要，要求X射線源的尺寸小于1mm：③X射線的能量要求在1～10keV，使X射線對掩模版中的透光區(qū)有較好的透過率，從而滿足掩模反差大的要求；④使用平行光源，X射線難以聚集，光源發(fā)射X射線的形式決定了X射線到達硅片的形式。X射線光源：電子轟擊固體靶形成的X射線光源和等離子體源，基本是點光源。同步輻射X射線光源近乎平行發(fā)射，因此目前被廣泛關注。74第74頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.8.4X射線曝光的掩模版只有波長在2～40?之間時，低原子序數的輕元素材料(如氮化硅、氮化硼、鈹等)對X射線吸收較弱，而高原子序數的重元素材料(如金)對X射線的吸收很強，所以可通過適當的選擇制成掩模版。這也是X射線曝光時，波段選擇在2～40?的一個重要原因。X射線光刻要在掩模版上形成可透X射線區(qū)和不透X射線區(qū)，從而形成曝光圖形。大多數固體材料對波長小于2?的X射線的吸收都很少，如果是薄膜材料幾乎是透明的。當X射線的波長大于40?時，大多數材料對X射線吸收又都很強，因而不可能制成具有高反差的掩模版。75第75頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月通常采用LPCVD方法沉積低原子序數的輕元素材料膜(如氮化硅)來形成透光的薄膜襯底。吸收體層則采用常規(guī)的蒸發(fā)、射頻濺射或電鍍等方法形成。X射線吸收體圖形的加工，一般由電子束掃描光刻和干法刻蝕、精細電鍍等圖形轉移技術來實現。在X射線掩模版的基本結構中，用于薄膜襯底的材料主要有硅、氮化硅、碳化硅、金剛石等，而吸收體材料除廣泛使用的金之外，還有鎢、鉭、鎢-鈦等。76第76頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.8.5X射線光刻膠由于X射線具有很強的穿透能力，深紫外曝光用的光刻膠對X射線光子的吸收率很低，只有少數入射的X射線能對光化學反應做貢獻，所以通常用于深紫外曝光的光刻膠在X射線波段靈敏度非常低。提高X射線光刻膠靈敏度的主要方法是，在光刻膠合成時添加在特定波長范圍內具有高吸收峰的元素，從而增強光化學反應，提高光刻膠的靈敏度。77第77頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.9電子束直寫式曝光電子束直寫式曝光技術可以完成0.1～0.25μm的超微細加工，甚至可以實現數十納米線條的曝光。目前，電子束曝光技術已廣泛地應用于制造高精度掩模版、移相掩膜和X射線掩模版的過程中。電子束曝光的原理是利用具有一定能量的電子與光刻膠碰撞作用，發(fā)生化學反應完成曝光。具有一定能量的電子束進入光刻膠，與光刻膠發(fā)生碰撞時，主要有三種情況：①電子束穿過光刻膠層，既不發(fā)生方向的變化也沒有能量的損失；②電子束與光刻膠分子發(fā)生彈性散射，方向發(fā)生改變，但不損失能量；③電子束與光刻膠分子發(fā)生非彈性散射，方向改變，且有能量損失。78第78頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月

電子進入光刻膠之后發(fā)生的彈性散射，是由于電子受到核屏蔽電場作用而引起的方向偏轉，絕大多數情況下偏轉角小于90。在非彈性散射的情況下，散射角θ與入射電子的能量損失有關。一般來說經過散射之后，電子束散開的距離約為入射深度的一半。79第79頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.9.1鄰近效應電子在光刻膠中發(fā)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θ很小，只導致曝光圖形的輕微展寬。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，因此造成電子束曝光所形成的圖形出現畸變，這種效應稱為鄰近效應。鄰近效應可分為兩種情況：①因增強曝光引起圖形的凸起；②因減弱曝光引起圖形的缺損。

80第80頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月從圖中的A點入射的電子不僅對A點本身起曝光作用，而且散射電子還會對A點周圍區(qū)域的曝光也做出貢獻。同樣，入射到A點周圍區(qū)域的電子，因散射也會提供能量給A點，促進A點的曝光。如果各點以同樣電子束照射，A點剛好達到閾值能量完成化學反應，對于處在邊緣的B點來說，散射電子對B點所貢獻的能量相當于A點的1/2，B點就會顯得曝光不充分，從而出現邊界內移。對于C點，它只接受相當于A點1/4的散射電子，因而曝光的情況比B點還差。

由于電子散射的影響，造成圖形畸變，兩個相鄰圖形之間會凸出。為了克服電子散射引起的圖形畸變，在電子束曝光中，通過選擇電子束的能量、光刻膠的膜厚和曝光劑量，可以在一定程度上克服電子散射引起的圖形畸變問題。81第81頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.9.2電子束曝光系統目前電子束曝光系統主要有以下幾類：1.改進的掃描電鏡(SEM)：是從電子顯微鏡演變過來的，通過對電子束進行聚焦，從而在光刻膠上形成圖形。其分辨率取決于所選用的SEM，由于其工作臺的移動較小，一般只適用于研究工作。2.高斯掃描系統：通常有兩種掃描方式：①光柵掃描系統，采用高速掃描方式對整個圖形場進行掃描，利用快速束閘，實現選擇性曝光；②矢量掃描方式，只對需曝光的圖形進行掃描，沒有圖形部分快速移動。分辨率可以達到幾納米。3.成型束系統：在成型束系統中，需要在曝光前將圖形分割成矩形和三角形，通過上下兩直角光闌的約束形成矩形束。成型束的最小分辨率一般大于100nm，但曝光效率高。82第82頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月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采用散射式掩膜技術。掩模版由原子序數低的SiNx薄膜和原子序數高的Cr/W組成，電子在SiNx薄膜發(fā)生小角度散射，而在Cr/W中電子會大角度散射。處于投影系統的背焦平面上的光闌可以將大角度散射的電子過濾掉，從而在光刻膠上形成高對比度的圖形。83第83頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.10ULSI對圖形轉移的要求在光刻工藝中，經過曝光和顯影之后，在光刻膠層中形成圖形結構，通過刻蝕可以在光刻膠下方的材料上重現出與光刻膠上相同的圖形，實現圖形的轉移。隨著超大規(guī)模集成技術的發(fā)展，圖形加工的線條寬度越來越細，對轉移圖形的重現精度和尺寸的要求也越來越高。目前在集成電路工藝中應用的刻蝕技術主要包括：液態(tài)的濕法腐蝕和氣態(tài)的干法刻蝕。84第84頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.10.1圖形的保真度經過腐蝕之后圖形，通常呈現為三種情況：設縱向腐蝕速率為Vv、側向腐蝕速率為Vl。圖(a)，Vl=0，腐蝕只沿縱向進行，為各向異性腐蝕。圖(b)和(c)，在縱向腐蝕的同時，側向也進行了腐蝕。若Vv=Vl，為各向同性腐蝕。85第85頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月在一般的腐蝕過程中，Vv＞Vl＞0，實際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：

如果用被腐蝕層的厚度h和圖形側向展寬量df-dm來代替縱向和橫向的腐蝕速率，則上式可改寫為：若df-dm=0時，A＝1，表示圖形轉移過程產沒有失真；若df-dm＝2h，A＝0，表示圖形失真情況嚴重，即各向同性腐蝕；通常0<A<1。86第86頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.10.2選擇比在實際的腐蝕過程中，掩模和襯底也會被腐蝕，為了嚴格控制每一層腐蝕圖形的轉移精度，同時避免對其他各層材料的腐蝕，需要控制不同材料的腐蝕速率。選擇比是指兩種不同材料在腐蝕的過程中被腐蝕的速率比。通常可以用選擇比來描述圖形轉移中各層材料的相互影響。87第87頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月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一般小于微米量級。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，這些因素都會造成腐蝕圖形轉移的不均勻。假設要腐蝕的薄膜平均厚度為h，各處厚度的變化因子為0≤δ≤1；腐蝕的平均速度為V，各處腐蝕速率的變化因子為1＞ζ＞0?？紤]極限情況：最厚處用最小腐蝕速率腐蝕，時間為tmax，最薄處用最大腐蝕速率腐蝕，時間為tmin，則有：如果以tmin為腐蝕時間，則厚膜部位未腐蝕盡；若延長腐蝕時間，這將造成較薄部位的過刻蝕，影響圖形轉移精度。為了獲得理想的腐蝕、控制腐蝕的均勻性，同時減少過刻非常重要。88第88頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.10.4刻蝕的清潔

ULSI的圖形非常精細，在腐蝕過程中如果引入玷污，既影響圖形轉移的精度，又增加了腐蝕后清洗的復雜性和難度。在干法刻蝕過程中出現的聚合物再淀積將影響刻蝕質量，而重金屬玷污在接觸孔的部位將使結漏電。

防止玷污是腐蝕的一個重要要求。89第89頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.11濕法腐蝕濕法腐蝕：通過腐蝕溶液與被腐蝕薄膜進行化學反應，除去沒有被光刻膠保護的薄膜。優(yōu)點：工藝簡單；腐蝕的選擇性較高。缺點：各向同性的腐蝕，存在側向腐蝕?？刂茲穹ǜg的主要參數包括：腐蝕溶液的濃度腐蝕的時間反應溫度溶液的攪拌方式等。90第90頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.11.1Si的濕法腐蝕濕法腐蝕硅時，一般采用強氧化劑對硅進行氧化，然后利用HF酸與SiO2反應去掉SiO2，從而達到對硅的腐蝕目的。最常用的腐蝕溶液是硝酸與氫氟酸和水(或醋酸)的混合液?；瘜W反應方程式為：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水平91第91頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月對Si的濕法腐蝕還可以使用KOH的水溶液與異丙醇(IPA)的混合液作為腐蝕溶液。對于金剛石或閃鋅礦結構，(111)面的原子比(100)面排得更密，因而(111)面的腐蝕速度比(100)面的腐蝕速度小。經過腐蝕的Si膜結構如圖。(a)采用SiO2層做為掩模對(100)晶向的硅進行腐蝕，可以得到V形的溝槽結構。如果SiO2上的圖形窗口足夠大，或者腐蝕的時間比較短，可以形成U形的溝槽。(b)如果被腐蝕的是(110)晶向的硅片，則會形成基本為直壁的溝槽，溝槽的側壁為(111)面。這種濕法腐蝕的方法大多用于微機械元件的制造，在集成電路工藝中并不多見。92第92頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.11.2SiO2的濕法腐蝕

SiO2的濕法腐蝕可以使用氫氟酸(HF)做為腐蝕劑，其反應方程式為：

在反應過程中，HF不斷消耗，因此反應速率隨時間的增加而降低。通常在腐蝕液中加入氟化氨作為緩沖劑，氟化氨分解產生HF，維持HF的恒定濃度。在集成電路工藝中，除了需要對熱氧化和CVD等方式得到的SiO2進行腐蝕外，還需要對磷硅玻璃(PSG)和硼磷硅玻璃(BPSG)等進行腐蝕。因為組成成份不同，HF對這些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可以使用加熱的磷酸(130～150℃)來進行腐蝕。8.11.3Si3N4的濕法腐蝕93第93頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.12干法刻蝕技術干法刻蝕：利用等離子體激活的化學反應或者是利用高能離子束轟擊去除物質的方法。8.12.1干法刻蝕的原理干法刻蝕特點：

各向異性，縱向的刻蝕速率遠大于橫向的刻蝕速率；離子對光刻膠和無保護的薄膜同時進行刻蝕，選擇性比濕法腐蝕差。94第94頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月等離子體刻蝕：利用輝光放電產生的活性粒子與需要刻蝕的材料發(fā)生化學反應形成揮發(fā)性產物完成刻蝕。具有比較好的選擇性，各向異性相對較差。濺射刻蝕：高能離子轟擊需要刻蝕的材料表面，使被撞原子受到擾動，脫離原來的位置飛濺出來，即通過濺射的物理過程完成刻蝕。具有比較好的各向異性，但選擇性相對較差。反應離子刻蝕(RIE)：介于濺射刻蝕與等離子刻蝕之間的刻蝕技術，同時利用了物理濺射和化學反應的刻蝕機制?？梢造`活地選取工作條件以求獲得最佳的刻蝕效果。目前，在集成電路工藝中廣泛使用的是反應離子刻蝕技術。

干法刻蝕的分類：95第95頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.12.2二氧化硅和硅的干法刻蝕在ULSI工藝中對二氧化硅的刻蝕通常是在含有氟化碳的等離子體中進行。早期刻蝕使用的氣體為四氟化碳(CF4)，現在使用比較廣泛的反應氣體有CHF3，C2F6，SF6和C2F8，其目的都是用來提供碳原子及氟原子與SiO2進行反應。

CF4的反應為：使用CF4對SiO2進行刻蝕時，刻蝕完SiO2之后，會繼續(xù)對硅進行刻蝕。為了解決這一問題，在CF4等離子體中通常加入一些附加的氣體成份，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。96第96頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月在使用CF4對硅和SiO2進行等離子刻蝕時，氟與SiO2反應的同時，還與CFx原子團(x≤3)結合而消耗掉，造成氟原子的穩(wěn)態(tài)濃度比較低，刻蝕速率較慢。如果加入適量的氧氣，氧氣也同樣被電離，氧可與CFx原子團反應，造成CFx原子團耗盡，減少了氟原子的消耗，使F/C原子比增加，加快SiO2刻蝕速度。在氧組分達到臨界值之后，繼續(xù)增加氧的組分，由于氟原子濃度被氧沖淡，刻蝕速度下降?？涛g硅時，臨界氧組分只有12%，氧組分繼續(xù)增加，刻蝕速率下降比SiO2更快。這是由于氧原子傾向于吸附在Si的表面上，阻擋了氟原子加入反應。隨著更多氧的吸附，對Si的刻蝕影響進一步增加。對硅的刻蝕速度最大時，其氧氣的組分要小于刻蝕SiO2的情況。一、加入適量的氧氣97第97頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月在CF4等離子體中加入氫氣，隨氫組分增加：二、加入適量的氫氣SiO2的刻蝕速度緩慢減小，持續(xù)到氫的組分達到40%；Si的刻蝕速度迅速減小，當氫的組分大于40%時，對Si的刻蝕停止。在CF4等離子體中加入適量的氫氣，可以增強SiO2/Si刻蝕的選擇性。98第98頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月如果F/C比較高(添加氧氣)，其影響傾向于加快刻蝕。如果F/C比較低(添加氫氣)，刻蝕過程傾向于形成高分子聚合物薄膜。在CF4等離子體中添加氣體成份，影響等離子體內F/C原子比。目前集成電路的干法刻蝕工藝中，通常用CHF3等離子體進行SiO2的刻蝕，加入少量氧來提高刻蝕速度。99第99頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.12.3Si3N4的干法刻蝕在ULSI工藝中，Si3N4的用途主要有兩種：一是在SiO2層上面，通過LPCVD淀積Si3N4，做為氧化或擴散的掩蔽層，不成為器件的組成部分?？梢允褂肅F4等離子刻蝕。另一種是通過PECVD淀積Si3N4做為器件保護層。這層Si3N4在經過光刻和干法刻蝕之后，Si3N4下面的金屬化層露出來，形成器件的壓焊點，然后進行測試和封裝?？梢允褂肅F4-O2等離子體進行刻蝕。實際上用于刻蝕SiO2的方法，都可以用來刻蝕Si3N4

。由于Si-N鍵的結合能介于Si-O鍵與Si-Si鍵之間，所以Si3N4的刻蝕速度在刻蝕SiO2和刻蝕Si之間。因此，Si3N4/SiO2

的刻蝕選擇性比較差。100第100頁，課件共111頁，創(chuàng)作于2023年2月8.12.4多晶硅與金屬硅化物的干法刻蝕集成電路中一般采用polycide（多晶硅/難熔金屬硅化物）多層柵結構，也稱多晶硅化金屬。在MOSFET中，柵極的尺寸控制是決定性能的關鍵，對刻蝕的各向異性和選擇性的要求都很高。由于多晶硅的刻蝕速度比金屬硅化物的刻蝕速度快得多，會造成金屬硅化物下方的多晶硅被刻蝕，導致多晶硅化金屬對SiO2的附著力下降。

對多晶硅化金屬的各向異性刻蝕通常需要分兩步進行。首先是對多晶硅上方的金屬硅化物進行刻蝕；當上層的金屬硅化物完成刻蝕之后，開始刻