第十三章 基本光刻工艺流程.pdf

第十三章基本光刻工艺流程光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面层上所规定的特定 区域的基本操作，如图所示。这一章主要介绍基本光刻工 艺中的表面准备至曝光的工艺步骤及光刻胶的特性。13.1简介光刻工艺过程的两个目 标是：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，其次是在晶 圆表面正确定位图形。晶圆表面层晶圆图形层整个电路图形必须被正确定位于晶圆表面，电路图 独土里缨的每一部分之间的相对位置也必须是正确的，出日受公之口凄最终的图形是用多个掩膜版按照特定的 顺序在晶园表面一层一层叠加建立起来的。图形定位的 要求就好像是一幢建筑物每一 层之间所要求的正确对准。如 果每一次的定位不准，将会导 致整个电路失效。除了对特征 图形尺寸和图形对准的控制，在工艺过程中的缺陷水平的控 制也同样是非常重要的。光刻 操作步骤的数目之多和光刻工 艺层的数量之大，所以光刻工 艺是一个主要的缺陷来源。#4 金属掩膜#5 PAD 掩膜#1阱掩膜#2栅掩膜#3 接触掩膜77Wafer Fabrication Process Flow光刻是IC制造中最关键步骤，光刻成本在整 个硅片加工成本中几乎占到三分之一。13.2光刻蚀工艺概况光刻蚀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园表面的每 一层。图形转移通过两步完成。首先，图形被转 移到光刻胶层（见下图）。光刻胶经过曝光后 自身性质和结构发生变化（由原来的可溶性物 质变为非可溶性物质，或者相反）。再通过化 学溶剂（显影剂）把可以溶解的部分去掉，在 光刻层下就会留下一个孔，而这个孔就是和掩:f=.Lb-膜版不透光的部分相对应。工艺步骤 目的/图形对准和曝光在掩膜版和图形在晶圆上 的精确对准和光刻胶的曝 光。负胶是聚合物戏畿掇皴：二二:：晶圆光刻胶 氧化层显影去触聚合的光服ononsHN，川川川川川川4光刻胶 氧化层其次，把图形从光刻胶层转移到晶园上。这一步是通过不同的刻蚀方法把晶园上没有被 光刻胶保护的部分的薄膜层去掉。这时图形转 移就彻底完成了。如图所示。工艺步骤刻蚀光刻胶去除如果掩膜版的图形是由不透光的区域决 定的，称其为亮场掩膜版；而在一个暗场,1亮场掩膜版中，掩膜版上的图形是用相反的方 式编码的，如果按照 同样的步骤，就会在晶园表面留下凸起的图形。暗场掩膜版主要 用来制作反刻金属互 联线。刚才介绍了对光有负效应的光刻胶，称为负性胶。同样还有对光有正效 应的光刻胶，称为正胶。用正性胶和亮场掩膜版在晶园表面建立凸起图形的 情况如图所示。工艺步骤 目的对准和曝光 掩膜版和图形在晶圆上的精确对准和光刻胶的曝光。正胶被光溶解掩膜版/图形光刻胶 氧化层显影 去除非聚合光刻胶晶圆光刻胶 氧化层刻蚀 表层去除7/Z7.光刻胶去除 光刻胶去除晶圆晶圆V/ANegative Lithography负 性光亥UShadow on photoresist 光刻胶上的阴影Chrome island on glass mask 在玻璃掩膜版上 的铭岛OxideSilicon substrateUltraviolet light紫外光被曝光的区域发生交联并变成阻止显影的化学物质Resulting pattern after the resist is developed.Positive Lithography正性光刻Chrome island on glass maskUltraviolet light IAreas exposed to light are dissolved.Exposed area一 of photoresistOxideSilicon substrateShadow onResulting pattern after the resist is developed.Relationship Between Mask and Resist 掩膜版与光刻胶之间的关系期望印在硅片上的光刻胶结构一 Chrome 铭一、Window-&Mask pattern required when using negative photoresist(opposite of intended structure)当使用负胶时要求掩膜版上 的图形与想要的结构相反./一光刻胶岛/一 Quartz石英 Mask pattern required when using positive photoresist(same as intended structure)当使用正胶时要求掩膜版上 的图形与想要的结构相同13.3光刻10步法把图形从掩膜版上转移到晶圆表面 是由多个步骤完成的（见下页图），特 征图形尺寸、对准精度、晶园表面情况 和光刻层数都会影响到特定光刻工艺的 难以程度。虽然许多光刻工艺都不尽相 同，但大部分都是基于光刻10步法的变 异或选项。所以了解和掌握基本的光刻 10步法是非常必要的。光刻10步法工艺（1-3）工艺步骤1.表面准备2.涂光刻胶3.软烘焙目的清洁和干燥晶圆表面在晶圆表面均匀涂抹 一薄层光刻胶加热,部分蒸发光刻 胶溶剂晶圆 4 晶阚光刻10步法工艺（4-7）4.对准和曝光胶的曝光人|U15.显影非聚合光刻胶的去PAK1掩膜版和图形6 上的精确对准H6.硬烘焙对溶剂的继续:蒸发7.显影目检检查表面的对准情2 和缺陷情况光刻10步法工艺(8-10)8.刻蚀将晶圆顶层通过光刻 胶的开口去除晶圆9.光刻胶去除将晶圆上的光刻胶层 去除晶圈10.最终目枪表面检查以发现刻蚀 的不规则和其他问题晶圆13.4光刻胶光刻胶是光刻工艺的核心，光刻过程中的所有操作都会 根据特定的光刻胶性质和想达到的预期结果而进行微调。光刻 胶的选择和光刻工艺的研发是一个非常漫长的过程。光刻胶的组成：光刻胶由4种成分组成:聚合物溶剂感光剂添加剂成分功能聚合物当被对准机光源曝光时，聚合物结构由可溶变成 聚合（或反之）溶剂稀化光刻胶，通过旋转 形成薄膜感光剂在曝光过程中控制和/或 调节光刻胶的化学反应添加剂各种添加的化学成分实 现工艺效果，例如染色聚合物聚合物是由一组大而且重的分子组成，包 括碳、氢和痒。塑料就是一种典型的聚合物。对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚 异戊二烯类型。是一种相互粘结的物质一一抗 刻蚀的物质，如图所示。未聚合的(b)能量聚合的正性胶的基本聚合物是苯酚一甲醛聚合物,也称为苯酚一甲醛树脂。如图所示。在光刻胶中聚合物是相对不可溶的，用适 当能量的光照后变成可溶状态。这种反应称为 光溶解反应。下表列出了用在光刻胶产品上的聚合物，正胶 和负胶相对的优点。光刻胶聚合物极性感光性(Coul/cm)曝光光源正性酚醛树脂（间 甲酚甲醛）+3-5 X 10-紫外负性聚异戊二烯紫外PMMA聚甲基丙烯酸酯+5 X 10-电子束PMIPK聚甲基异丙烯基酮+1 X 10-电子束/深紫外PBS聚丁烯1 W+2 X 10电子束TFECA聚三氟乙烷基氯丙烯 酸酯+8 X 10-电子束COP(PC A)共聚物（a氟乙基丙烯酸，a氨基乙烷基丙烯酸酯）5 X 10-电子束 X射线PMPS聚甲基戊烯1硼+2 X 10电子束溶剂光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶 剂的目的是光刻胶处于液态，以便是光刻胶能 够通过旋转的方法涂在晶圆表面。感光剂光刻胶中的感光剂是用来产生或者控制聚 合物的特定反应。如果聚合物中不添加感光剂,那么它对光的敏感性差，而且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度，而且限制反应光的光谱范围，或者把反应光限 制在某一波长的光。添加剂光刻胶中的添加剂主要在光刻胶薄膜中用来吸收和控制光线，可以阻止光刻胶没有被曝光的部分在显影过程中被溶解。13.5光刻胶的表现要素对光刻胶的要求包括以下几个方面:分辨率在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为对光刻胶的分辨率。产生的线条越小，分辨 率越高。分辨率不仅与光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定的工艺有关，比如：曝光光源、显影工艺等。粘结能力光刻胶与衬底膜层（SiO2、Al等）的粘结能力直接影响光刻的质量。不同的衬底表面，光刻胶的粘结能力是不同的。负性胶通常比正 性胶有更强的粘结能力。曝光速度灵敏性和曝光源光刻胶的感光灵敏度反应了光刻胶感光所 必须的照射量，而照射量正比于光的强度和感 光时间。光强度是和光源特定的波长有关系。不同光源（射线）对应的波长如下图所示。波长越短的光源（射线）能量越高。线皮 短电名称cm)伽马射线X射线紫外线(UV)L光红外线(IR)1010101,0-10播线波0-广元曲 1 除了普通光源，经常还根据不同需要选择X射 线或者电子束作为曝光光源。那么光刻胶灵敏 性作为一个参数，使通过能够使基本的反应开 始所需要的能量总和来衡量的，它的单位是mJ/平方厘米 负性胶通常的曝光时间是515秒，而正性胶则 需要用上34倍的时间。工艺宽容度整个光刻过程步骤之多，而且每一步骤都 会影响最终的图形尺寸，另外每一工艺步骤都 有它的内部变异。不同的光刻胶对工艺变异的 容忍性都不一样。那么，容忍性越高，在晶园 表面达到所需要尺寸的可能性就越大，或者说 工艺的宽容度就越大。针孔所谓针孔是指光刻胶层中尺寸非常小的空 穴。可以是涂胶工艺中由环境中的微粒污染物 造成的，也可以由光刻胶层结构上的空穴造成。针孔是有害的，因为它可以允许刻蚀剂渗过光 刻胶层进而在晶园表面层刻蚀除小孔。阶梯覆盖度随着晶园表面上膜层的不断增加，表面不再是完全平坦化的,如图所示。所以要求光刻 胶必须具有良 好的阶梯覆盖 特性。硅晶片再氧化之前台阶.硅晶片再氧化之后(b)13.6正胶和负胶的比较在工艺发展的早期，负胶一直在光刻工艺 中占主导地位，随着VLSI IC和25微米图形 尺寸的出现，负胶已不能满足要求。随后出现 了正胶，但正胶的缺点是粘结能力差。用正胶需要改变掩膜版的极性，这并不是 简单的图形翻转。因为用掩膜版和两种不同光 刻胶结合，在晶园表面光刻得到的尺寸是不一 样的（见下图）由于光在图形周围的衍射效应,使得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。(a)亮场掩膜 版和负胶组合 图形尺寸变小晶圆(需器於球迸*芳非聚合光刻胶聚合光刻胶(b)暗场掩膜 版和正胶组合 图形尺寸变大晶圆用正胶和暗场掩膜版组合还可以在晶二 园表面得到附加的针 孔保护。如果是亮场 掩膜版，大部分区域 是空穴，这样，玻璃上的任何缺陷及污染 物微粒都会影响光刻 质量，若是暗场掩膜 版则可以避免上述缺 陷的产生，如图所示。负胶 氧化物 晶圆(b)正胶成本比负胶高，但良品率高；负胶所用的显影剂容易得到，显影过程中图形 尺寸相对稳定。对于要求高的制作工艺选择正胶，而对于那些 图形尺寸大于2微米的工艺还是选择负胶。下图 显示了两种类型光刻胶属性的比较。参数正胶负胶纵横比（分辨力）更高黏结力更好曝光速度更快针孔数量更少阶梯覆盖度更好成本更高显影液有机溶剂水溶性溶剂光刻胶去除剂氧化工步酸酸金属工步氯化溶剂化合物普通酸溶剂13.7表面准备为确保光刻胶能和晶园表面很好粘 结，必须进行表面处理，包括三个阶段:微粒清除、脱水和涂底胶。微粒清除虽然光刻前的每一步工艺（氧化、掺 杂等）都是在清洁区域完成的，但晶园 表面有可能吸附一些颗粒状的污染物，所以必须给以清除。微粒清除方法见下 图。高压氮气吹除化学湿法清洗旋转刷刷洗高压水流 脱水烘焙经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定的水分（亲水性表面），所以必须脱水烘焙使其达到清洁干燥（干燥的表面称为憎水性表面），以便增加光刻胶和晶 园表面的黏附能力。保持憎水性表面通常通过下面两种方法：一是保持 室内湿度在50%下，并且在晶园完成前一步工艺之后尽 可能快的进行涂胶。亲水性 表面憎水性 表面水表与水表的照 亲性面憎性面对2 Si-0HSi-0-Si另一种方法是把晶园存储在用干燥并且干净的氮气净化过的 干燥器中。除此之外，一个加热的操作也可以使晶园表面恢复到憎水表 面。有三种温度范围：150-200（低温），此时晶园表面会被蒸发。到了400（中温）时，与晶圆表面结合较松的水分子会离开。当超过750（高温）时，晶园表面从化学性质上讲恢复到了憎水性条件。通常采用低 温烘焙，原因是操作简单。涂底胶涂底胶的目的是进一步保证光刻胶和晶圆表面的 粘结能力。底胶的选择必须保证一个很好的黏附和平 滑的表面。底胶的作用是从化学上把晶园表面的水分 子系在一起，因此增加了表面的黏附能力。目前广泛 应用的是六甲基乙硅烷(HMDS).方法有：沉浸式旋转式蒸汽式各有优缺点，使用时根据具体情况选择。13.8涂光刻胶目的是在晶园表面建立薄而均匀并且没有缺陷的光刻胶膜。要做到这一点必须用精良的设备和严格的工艺控制才能达到。厚度：05l.5Mm,均匀性：0.01Mm常用方法：旋转涂胶法 分手动，半自动，全自动 静态涂胶工艺首先把光刻胶通过管道堆积在晶园的中心,堆积量由晶园大小和光刻胶的类型决定，堆积 量非常关键，量少了会导致涂胶不均匀，量大 了会导致晶园边缘光刻胶的堆积甚至流到背面,如图所示。静态旋转工艺光刻胶膜的最终厚度是由光刻胶的粘度、旋转速度、表面张力和光刻胶的干燥属性来决 定的。旋转后光亥U 一.胶浇(N小允分1)=，、皿皿牛=J-完整光刻胶 过多 rc c光刻胶覆盖动态喷洒随着晶园直径越来越大，静态涂胶已不能 满足要求，动态喷洒是晶园以500rpm的速度低 速旋转，其目的是帮助光刻胶最初的扩散，用 这种方法可以用较少量的光刻胶而达到更均匀 的光刻胶膜。待扩散后旋转器加速完成最终要求薄而均匀的光刻胶膜。低转速高转速?真空自动旋转器自动系统如图所示，包含了晶园表面处理、涂底胶和涂光刻胶 的全部过程,标准的系统 配置就是一 条流水线。自动晶圆 装载旋转电机N一）吹除n真空13.9软烘焙因为光刻胶是一种粘稠体，所以涂胶结束后并不能直接进行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。烘焙后的光刻胶仍然保持“软”状态。但和晶园的粘结更加牢固。时间和温度是软烘焙的参数，不完全的烘焙在曝光过程中造成图像形成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。负胶必须在氮气中进行烘焙，而正胶可以 在空气中烘焙。下表总结了不同的烘焙方式。方法烘焙时间（分钟）温度控制 生产率 速度 排队类型 iaf/Hr热板 5 15对流烘箱 30真空嘘 30移动带式红外烘箱 57导热移动带 57微波 0.25旦里 旦里 dx;批批单单单差单片（小批量）6000009090604 nz-是是是不口否否13.10对准和曝光对准是把所需图形在晶园表面上定位或对 准。而曝光是通过曝光灯或其他辐射源将图形 转移到光刻胶涂层上。如果说光刻胶是光刻工 艺的“材料”核心，那么对准和曝光则是该工 艺的“设备”核心。图形的准确对准是保证器 件和电路正常工作的决定性因素之一。当硅片表面涂过光刻胶并前烘以后，光刻机就开始进行对准和曝光操 作。带胶硅片被自动传送到光刻机的承片台上。在这个台子上，硅片根据 需要被提升或降低来把它置于光刻机光学系统的聚焦范围内。硅片与投影 掩膜版对准以便保证图形能够传送到硅片表面的合适位置。一旦最佳聚焦 和对准获得后，快门就被打开，使UV光通过照明系统到投影掩膜版，再 通过投影透镜最后到带胶的硅片上（见图）。紫外光源快门对准激光投影透镜（缩小的投影掩膜版的视场到硅片表面）单视场曝光，包括：聚焦、对准、曝光、步进和重复 过程承片台在K Y,Z,8方向 控制硅片的位置快门在聚焦和对准过程中闭合，F 而在曝光过程中打开投影掩膜版（在投影掩膜版视场 内可能包含一个或多个芯片）图14.1版图转换到光刻胶上集成电路是通过在硅片表面几微米形成半导体器件，再通过连续的淀 积和形成材料层的图形来把这些器件相互连接形成电路的。电路设计者使 用装有特殊设计软件的计算机，进行器件、金属线、连接和其他芯片功能 所需的特殊电路设计的布局。整个硅片是逐层的，每层中又是逐个结构设 计完成的。就像制造蜡纸，一个或多个芯片电路设计图形被转印到投影掩 膜版上，需要多块投影掩膜版才能获得硅片表面的最终结构（见下图）。顶视图回4,多晶硅栅刻蚀8.金属刻蚀图14.2投影掩膜版图的设计和尺寸电路设计按照一套基本设计规则进行，规则规定了投影掩 膜版图形和所需尺寸。设计规则规定了参数线宽、线的间距、接触孔尺寸、通孔直径和投影掩膜版上图形间距。违反设计规 则就会导致成品率低或产品性能不稳定。投影掩膜版上设计的每层图形都有一个特殊功能，如接触 孔或金属线。图形和独特的材料相联系（例如氧化硅、铝等）有 足寸和容差。光刻过程中投影掩膜版把这些图形彼此套准来制 成硅片上的器件和电路。版图套准过程有对准规范，就是前面 指出的套准容差。投影掩膜版上图形与硅片上已存在的图形套 准，向光学光刻提出了特殊的对准挑战，即怎样能精确地把亚 微米尺寸套准。套准精度必须满足，使产品的可靠性更高并能 大量生产。光学曝光 在曝光过程中.从光源发出的光通过对准的掩膜版。版上有不透明和透明的区域，这些区域形成了要转移到硅片表面的图形。曝光 的目的就是要把版上图形精确地复制（在规范之内）成光刻胶上的最终图像。曝光的一方面是，在所有其他条件相同时,曝光光线波长越短能曝出的特征尺寸就越小。事 实上它是缩小硅片上特征尺寸的驱动。此外，曝 光的光线产生一定能量，这对光刻胶产生光化学 反应是必不可少的。光必须均匀地分配到曝光区 域。光学光刻需要在短波长下进行强曝光以获得 当今精细光刻的关键尺寸。曝光光源在光刻胶曝光过程中。光刻胶材料里发生光化学转变来转印投影掩膜版的图 形。这是光刻中关键的一步。它必须发生在最短的时间内，并在大量硅片生产中 是可重复的。普通光源光的波长范围大，图形边缘衍射现象严重，满足不 了特征尺寸的要求。所以作为晶园生产用的曝光光源必须是某一单一波 长的光源；另外光源还必须通过反射镜和透镜，使光源发出的光转化成 一束平行光，这样才能保证特征尺寸的要求。最广泛使用的曝光光源是高压汞灯，它所产生的光为紫外光（UV）,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（称为深紫外区或DUV）反应。紫外（UV）光用于光刻胶的曝光是因为光刻 胶材料与这个特定波长的光反应。波长也很重要，因为较短的波长可以获得光刻 胶上较小尺寸的分辨率。现今最常用于光学光刻的两种紫外光源是：汞灯准分子激光除这些通常使用的光源外，其他用于先进的或特殊应用的光刻胶曝光的源有x 射线、电子束、和离子束。衍射 光沿着直线传播。当光穿过一个小孔或经过一个轮廓分 明的边缘时，沿小孔边缘产生了干涉图形。结果得到了一个模糊的图 像，而不是希望出现在光和阴影之间的清晰边缘（见图）。光看上去沿 狭缝边缘弯曲了。这种现象被称做衍射。光是沿直线传播的 当光遇到物体边缘发生衍射 当光波穿过狭缝时产生衍射带或干涉图样图14.18从小孔衍射出的光的干涉图样像平面孔径衍射效应的简单例子。光线通过狭小孔径。与基于简单光 线追迹能解驿的情况相比，形成的影像稹说大得多的面积光的衍射是和光刻密切相关的，因为投影掩膜版上有小的清晰 图形并且间距很窄。曝光时，光必须通过这些图形（见图14.19）。衍 射图样夺走了曝光能量，并使光发散，导致光刻胶上不要曝光的区 域被曝光。这个问题在孔小时更严重。例如小到200mn的接触孔。由衍射引起的干涉图样能使小接触孔和小线条很难被光刻。衍射光束平面光波图14.19版图的衍射数值孔径一个透镜能够俘获一些衍射光(见图)。透镜收集衍射光的能力被称做透镜的数值孔径(NA)。对于一 个给定的透镜.NA测量透镜能够接收多少衍射光,并且 通过把这些衍射光会聚到一点成像。图14.20透镜俘获衍射光数值孔径由下列公式定义:NA=(n)Sin3m 2透镜的半径透镜的焦长其中，11=图像介质的折射率（对于空气，n约等于1）0 m=主光轴和透镜边缘线的夹角注意sin 0 m的值可以通过使用三角关系来近似。这个近视突出了通过增加镜头半径来增加数值孔径并 俘获更多衍射光的方式。增加数值孔径，就能把更多 的衍射光会聚到一点成像（见图142）。然而，通过 增加透镜的半径来增加数值孔径，也就意味着光学系 统更加复杂更加昂贵。针孔掩膜版透镜NA衍射光图14.21数值孔径在成像中的作用成像效果 m坏DM好抗反射涂层曝光 光线通过投影掩膜版后 在光刻胶上形成图案。在光刻胶的下面是最终 要被刻蚀形成图案的底 层薄膜。如果这个底层 膜是反光的，例如金属 和多晶硅层，那么光线 将从这个膜层反射并有 可能损害临近的光刻胶。这个损害能够对线宽控 制产生不利的影响。两 种最主要的光反射问题 是反射切口和驻波。在 刻蚀形成的垂直侧墙表 面，反射光到不需要曝 光的光刻胶中就会形成 反射切口（见图14.22）。UV*光光线掩膜版边缘衍射，被曝光的 光刻胶多晶硅表面反射未被曝光的 光刻胶图14.22光反射引起的光刻胶反射切口驻波 光刻中一个光波反射和干涉的例子是驻波现象。如果反射 硅片表面上光刻胶用单色光曝光，那么入射光照到光刻胶并通过光刻 腔层后被硅片表面发射（见图14.23）。驻波表征入射光波和反射光波之 间的干涉，这种干涉引起了随光刻胶厚度变化的不均匀曝光。驻波的 发生对深紫外光刻胶更加显著，因为很多硅片表面（例如氧化层、氮 化硅和多晶硅）在较短的深紫外波长反射更加厉害。曝光后，光刻胶 侧面是由过曝光和欠曝光而形成条痕的。驻渡本质上降低了光刻胶成驻波沿着光刻胶厚度引起不均匀曝光图14.23人射光和反射光在光刻胶中干涉透过光刻胶层的光射到可以反射的衬底上被反射回光刻胶，入射光与反射光发生干涉现成驻波，造成光刻胶层内不同深度 的光强不同。在光刻胶层中出现这种情况，会导致光刻胶侧墙 出现脊状条纹，如图所示。随着图形特征尺寸的不断减小，这 些脊状条纹对图形质量的影响非常大。驻波效应在光刻胶侧壁的反映抗反射涂层(ARC)直接用于反射材料的表面来减小光刻胶的驻波效 应(见图14.24)。抗反射涂层通过抑制曝光光束减少不想要的光反射，使 用最新的抗反射涂层能够减少99%的衬底反射。它们以薄层的形式被淀 积在硅片上，通常是从200A到2000A,依赖于抗反射涂层的类型和所用的 材料。染料也可以加在光刻胶中帮助阻止光波的干涉。另外，曝光和显 影之间的曝光后对(PEB)能够减少传统I线光刻胶驻波条纹宽度。曝光后 烘重新分布了光刻胶中的光敏化合物(PAC),并通过减小驻波获得了较陡 直的光刻胶侧墙剖面。使用抗反射涂层、着色和滤光片能帮助防止干涉 图14.24用抗反射涂层阻止驻波有两种类型的抗反射涂层：在光刻胶下面用来减少衬底反射的底部抗 反射涂层和淀积在光刻胶上面用来减少光刻胶表面二次反射的顶部抗反射 涂层。底部抗反射涂层已经显现出减少反射和诸如驻波等同题的最有效的 方怯，因此将成为讨论的重点。底部抗反射涂层底部抗反射涂层(B ARC)用来减小来自光刻胶下面反 射层的光反射，如图14.25所示。底部抗反射涂层材料是有机或无机绝缘 材料，在涂光刻胶前被加到硅片上。UV曝光光线掩膜版被曝光的 光刻胶多晶硅未被曝光图14.25通过底部抗反射涂层的光抑制有机抗反射涂层通过吸收光来减步反射，与涂光刻胶的方 式一样被旋涂在硅片上。无机抗反射涂层通过等离子体增强化 学气相淀积（PECVD）形成。无机抗反射涂层不吸收光，而是通 过特定波长相移相消起作用，是以折射率、膜层厚度和其他参 数（见图14.26）为基础的。成功的光波相位相消需要非常严格的 工艺参数控制，如底部抗反射涂层的厚度偏差容限是15 A。TiN被用做与与金属连接的扩散势垒区，也是一种较好的抗反 射涂层。然而，对于较短的波长，材料的反射率变化使干涉效 应很难控制。选择抗反射涂层的一个因素是，在完成光刻工艺步骤之后 抗反射涂层能被除去的能力。在某些情况下有机抗反射涂层（主要是顶部抗反射涂层）是水溶的，通过显影步骤的冲水很容 易去掉。无机抗反射涂层较难被去掉，特别是当它们的化学组 成与下层类似时。这个抗反射涂层有时被留在硅片表面并成为 器件的一部分。(A)人射光(B)上表面反射(D)图14.26底部抗反射涂层的光相移相消顶部抗反射涂层顶部抗反射涂层(TARC)在光刻 胶和空气的交界面上减少反射(见图14.27)。顶部抗反 射涂层材料不吸收光，而是作为一个透明的薄膜干涉 层，通过光线间的相干相消来消除反射。人射光光刻胶-衬底反射衬底入射光上抗反射涂层吸收衬底反射图14.27顶部抗反射涂层分辨率在光刻中，分辨率被定义为清晰分辨出硅片上间隔很近的特征图 形对的能力（例如相等的线条和问距）。这种性质显示在图14.28中。在先进的半导体IC制造中，为获得高集成度器件分辨率很关键。分 辨率对任何光学系统都是一个重要的参数，并且对光刻非常关键，因为我们需要在硅片上制造出极小的器件尺寸。2.0rv图14.28器件的分辨率分辨率公式如下所示：n kxR=NA其中，k二表示特殊应用的因子，范围是0.60.8 入二光源的波长NA二曝光系统的数值孔径这个公式表示在光刻中有三个参数影响分辨光刻胶上 几何图形的能力：1波长入2数值孔径NA3工艺因子k显而易见，减少曝光光源的波长对提高分辨率非常重要。波长的减小将提高光学系统的分辨能力。换句话说，波长越短越好。另一个提高分辨率的重要参数是增加投影 透镜的NA。有高数值孔径的透镜同样有高分辨率。然而 回想增加数值孔径就需要更大的透镜半径，这将变得很昂 贵。第三个参数k代表了光学系统工艺因子，并且能够影 响分辨率。然而，要把k减小至110.6以下受到实际的限制。已经有了一些可行的分辨率增强技术，如相移掩膜版(PSM)和光学接近修正(OPC).对减少k值改善图像分辨率 变得非常重要。焦深 焦点周围的一个范围，在这个范围内图像连续地保持清 晰，这个范围被称做焦深或DOF（见图14.30）。焦点是沿透镜中心出现 最佳图像的点。焦深是焦点上面和下面的范围，在这里能量相对为常 量。焦点可能不是正好在光刻胶层中心，但是焦深应该穿越光刻胶层 上下表面。任何曝光系统的确实可用的焦深都应该通过实验来确定相 应的工艺参数和相匹配的环境条件。目的就是找到并维持整个硅片和 不同硅片的最佳聚焦。图 14.30 焦深（DOF）描述焦深的方程式:DOF=一_2(NA)?其中，入=曝光的波长NA=光学系统的数值孔径焦深是利用照明光源波长和投影透镜的数值孔径来计算的O 当数值孔径增加后，透镜就可以捕获更多的光学细节并且系统 的分辨能力也增加了。焦深方程的含义是如果分辨率提高了那 么焦深就会减小（见图14.31）。增加图形分辨率对亚微米特征尺 寸是必要的。然而焦深减小的结果是严重缩减了光学系统的工艺宽容度。照明装置，入I线掩膜版川人DOF=一:2(NA)2焦平面XNARDOF365 nm045486 nm901 nm365 nm0.60365 nm皿_193 nm0.45257 on476 nm193 nm、0.60193 nm268 nm透镜.NA UDUV硅片DOF广焦深图14.3 1变化数值孔径时分辨率随焦深的变化分辨率和焦深的对应关系 在光刻中，对图像质量 起关键作用的两个因素是分辨率和焦深。半导体业界总是 受到竞争目标的挑战，既要获得更好的分辨率来形成关键 尺寸的图形，又要保持合适的焦深。影响硅片水平放置、平稳和透镜焦面水平的光刻设备和工艺的任何方面都将影 响曝光过程的聚焦质量。如果图像平面在光刻胶中最佳焦 面以外，质量就会变差。想像一个步进光刻机的焦深为1 微米，假定一根人的头发（直径100微米）掉到承片台和硅 片之间，硅片将被大致提升超出光刻机透镜焦点99微米。这台光刻机将不能实现聚焦，也不能成功地把版图和硅片 进行对准和曝光。光刻工具已经在它们的设备上采用技术 来补偿这些因素，例如差的硅片平整度和设备振动，但不 能补偿严重的环境沾污和损坏的部分。由于在淀积和刻蚀步骤中引入的表面起伏，硅片表面不是平面的。20世纪80年代，这种硅片表面结构限制了分辨率，因为光学系统不能充分地聚焦在硅片表面所有地方。当今人们采用许多技术来尽量减少表面不平的结构。表面平坦化最重要的硅片表面平坦化技术被称做化学 机械平坦化(CMP)的平坦化工艺。CMP在20世纪90年代被引入硅片制造中并且通过乎整 硅片表面来满足减小的焦深的要求(这使增加固形分辨率 可行)有着突出的贡献。对于0.25微米及以下的关键尺寸，CMP已经成为减小硅片表面构造不平的一个主要手段。CMP对光刻的意义在于，它使减少焦深获得较高的图形 分辨率成为可能。对准系统的性能表现对准和曝光包括两个系统：一个是要把图形在晶园表面上准确 定位（不同的对准机类型的对准系统各不相同）；另一个是曝光 系统（包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向到晶园表面上的 机械装置）。对准机的性能指标：分辨率：机器产生特定尺寸的能力，分辨率越高越好，机器的性能 越好。套准能力：图形准确定位的能力。其他标准如图所示：对准机选择标准 分辨力/分辨极限 对准精度 污染等级 可靠性 产率 总体所有权成本（coo）对准与曝光系统最初曝光设备是接触式光刻机和接近式光 刻机，而今，光刻机已发展成两大类型，即光 学光刻机和非光学光刻机，光刻机的种类如图所不。光学 光刻机采用紫外 线作为光源，而 非光学光刻机的 光源则来自电磁 光谱的其他成分。1 1光学 非光学_1 1-接触式 卜X射线_接近式 L电子束一投影式一步进式对准法则第一次光刻只是把掩膜版上的Y轴与晶园上的平边成90。,如图所示。接下来的掩膜版都用对准 标记与上一层带有图形的 掩膜对准。对准标记是一 个特殊的图形（见下页图）分布在每个芯片图形的边 晶圆掩膜版，X缘，很容易找到。经过刻蚀工艺对准标 记就永远留在芯片表面，同时作为下一次对准使 用。回对准标记(a)未对准种类：（a）X方向（b）转动（c）伸出对准系统比较光刻机系统 全局掩 掩膜版 曝光 分辨力 产量（150nini,膜版 光源（mm）waf/hr）接式式式/影复描式式 式投重扫线束 触描步步射子 接扫分分X电汞 0.25 0.50汞 0.9.25/ExL/氟化氟/深紫外0.35飞.80/ExL/氟化氮/深紫外0.250.40线束 射子 X电O 5 11 nz Au Au1 201 0900*0+1 O 片6 55 22-3 3 EX X X X写 X X直光刻机的分类接触式 接近式扫描投影步进式分步扫描 X射线 电子束混合和匹配13.11光刻设备从早期的硅片制造以来光刻设备可以分为五代,每一代又以那个时期获得特征尺寸（CD）分辨率 所需的设备类型为基础。这五个精细光刻时代如下所示：接触式光刻机 接近式光刻机 扫描投影光刻机 分步重复光刻机 步进扫描光刻机掩膜版光刻胶 晶圆接触式光刻接近式光刻投影光刻光刻技术 由60年代 初期的接 触式光刻 发展到现 在的投影 光刻1、接触式光刻机接触式光刻机是SSI时代直到20世纪70年代的主要光刻手段。它被用 于线宽尺寸约5微米及以上的生产方式中。尽管0.4微米线宽也能实现，现 今接触式光刻机已不被广泛使用。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（见图14.3.2）o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。紫外光通过掩模板透明部分，掩膜版的图形就被转 移到光刻胶上。一掩膜版 一硅片真空吸盘I图1432接触/接近式光刻机系统（承蒙Canon USA允许使用）(b)ZJ掩膜版光刻胶 吸盘接触式光刻机：（a）对准阶段；（b）接触阶段接触式光刻系统依赖人的操作，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，这就引入了 重复性和控制问题。2接近式光刻机接近式光刻机是从接触式光刻机发展而来的，并且在20世纪70年 代的是SSI时代和MSI早期同时普遍使用。这些光刻机如今仍然在生 产量小的实验室或较老的生产分离器件的硅片生产线中使用，在那里 更新设备在经济上不可行。它们适用于线宽尺寸2到4微米，依赖于诸 如衬底表面反射率等因素。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玷污问题，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（见图14.33）o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。UY曝光光线边缘的光衍射造成从掩膜版下例反射引起不希望的光刻胶曝光 图14.33接近式光刻机上的边缘衍射和表面反射3扫描投影光刻机业界认识到需要远离任何形式的接触或接近光刻系统,因为它们存在沾污问题、边缘衍射、分辨率限制并且依赖 操作者。20世纪70年代早期扫描投影光刻机（也叫扫描光 刻机）的发展试图解决这问题呢。扫描投影光刻机在70年 代末80年代初是占据主导地位的光刻设备。这些光刻机现 在仍在较老的硅片生产线中使用。它们适用于线宽大于1 微米的非关键层。扫描投影光刻机的概念是利用反射镜（例如基于反射 的光学系统）系统把有L 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。掩膜版投影成像系统简图晶圆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（见图1434）。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人，这种 光刻方法程困难。因为掩膜不能做到无缺陷。汞灯照明装置/硅片/掩膜版扫描方向曝光光线（UV狭缝逐渐扫过整不 掩膜版视场到硅片上）图14.3 4扫描投影光刻机(承蒙 Silicon Valley Group Lithography Systems 允许重绘 Perkin-Elmer 500 Micralign 图)版图 刻视 光JB cccrcLacccco vein n c 2。口。Q t M 善Ei富 uaoonouoaaQQG*一 on a CM，3n n nrn bocnouocoaoa-Qoa cue c uceuu-硅片明 照施 扫扫描投影光刻机原理图4、分步重复光刻机20世纪90年代用于硅片制造的主流精细光刻设备是分步重 复光刻机。分步重复光刻机有它们独特的名字是因为这种设备 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。步进光刻机最早是在20世 纪80年代早期商业化的。尽管起先不被昔遍接受，步进光刻机 从20世纪80年代后期主导了IC制造业，主要用于图形形成关键 尺寸小到0.35微米（常规I线光刻胶）和0.25微米（深紫外光刻胶）。步进光刻机使用投影掩膜版，上面包含了一个曝光场内对 应有一个或多个芯片的图形。步进光刻机不使用掩膜版，因为 掩膜版包含了所