集成电路制造工艺之光刻及刻蚀工艺

第八章光刻与刻蚀工艺光刻是集成电路工艺中的关键性技术。在硅片表面涂上光刻胶薄层，经过光照、显影，在光刻胶上留下掩模版的图形。在集成电路制造中，利用光刻胶图形作为保护膜，对选定区域进行刻蚀，或进行离子注入，形成器件和电路结构。随着集成电路的集成度不断提高，器件的特征尺寸不断减小，期望进一步缩小光刻图形的尺寸。目前已经开始采用线宽为0.2-0.1μm的加工技术。①高分辨率。通常把线宽作为光刻水平的标志，线宽越来越细，要求光刻具有高分辨率。②高灵敏度的光刻胶。光刻胶的灵敏度通常是指光刻胶的感光速度。光刻胶灵敏度提高，曝光时间短，但往往使光刻胶的其他属性变差。③低缺陷。在集成电路芯片的加工进程中，如果在器件上产生一个缺陷，即使缺陷的尺寸小于图形的线宽，也可能会使整个芯片失效。④精密的套刻对准。集成电路芯片的制造需要经过多次光刻，在各次曝光图形之间要相互套准。通常要采用自动套刻对准技术。⑤对大尺寸硅片的加工。为了提高经济效益和硅片利用率，一般在一个大尺寸硅片上同时制作很多个完全相同的芯片。对于光刻而言，在大尺寸硅片上满足前述的要求难度更大。ULSI中对光刻的基本要求8.1、光刻工艺流程曝光、显影、刻蚀(或淀积)是光刻过程中的三个主要步骤。8.1.1、涂胶在集成电路工艺中，光刻胶层的作用是在刻蚀或离子注入过程中，保护被光刻胶覆盖的材料。因此，光刻胶层与硅片表面之间需要牢固地黏附。涂胶的目的是在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没有缺陷的光刻胶薄膜。在涂胶之前，硅片一般需要经过脱水烘焙并且涂上用来增加光刻胶与硅片表面附着能力的化合物。以光刻胶在SiO2表面的附着情况为例，由于SiO2的表面是亲水性的，而光刻胶是疏水性的，SiO2表面可以从空气中吸附水分子，含水的SiO2会使光刻胶的附着能力降低。因此在涂胶之前需要预先对硅片进行脱水处理，称为脱水烘焙。①在150-200℃释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脱水；③进行750℃以上的脱水。脱水烘焙在涂胶之前，还应在Si片表面上涂上一层化合物，其目的也是为了增强光刻胶与硅片之间的附着力。目前应用比较多的是六甲基乙硅氮烷(简称HMDS)。在实际应用中，HMDS的涂布都是以气相的方式进行的，HMDS以气态的形式输入到放有硅片的容器中，然后在硅片的表面完成涂布。还可以将脱水烘焙与HMDS的气相涂布结合起来进行。硅片首先在容器里经过100-200℃的脱水烘焙，然后直接进行气相涂布。由于避免了与大气的接触，硅片吸附水分子的机会将会降低，涂布HMDS的效果将会更加理想。涂布HMDS涂胶工艺步骤：①将光刻胶溶液喷洒到硅片表面上；②加速旋转托盘(硅片)，直至达到需要的旋转速度；③达到所需的旋转速度后，保持一定时间的旋转。涂胶把硅片放在一个平整的金属托盘上，有小孔与真空管相连，硅片就被吸在托盘上，硅片与托盘一起旋转。光刻胶的膜厚与光刻胶本身的黏性有关对于同样的光刻胶，光刻胶的膜厚由旋转速度决定，转动速度越快，光刻胶层的厚度越薄，光刻胶的均匀性也越好。涂胶的过程应始终在超净环境中进行。同时喷洒的光刻胶溶液中不能含有空气，因为气泡的作用与微粒相似，都会在光刻工艺中引起缺陷。光刻胶的膜厚8.1.2、前烘在液态的光刻胶中，溶剂的成份占65％-85％，经过甩胶之后，虽然液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但仍含有10％-30％的溶剂，涂胶以后的硅片，需要在一定的温度下进行烘烤，使溶剂从光刻胶内挥发出来，这一步骤称为前烘。(前烘后光刻胶中溶剂含量降至到5％左右)在前烘过程中，由于溶剂的挥发，光刻胶的厚度也会减薄，一般减小的幅度为10％-20％左右。降低灰尘的玷污；减轻因高速旋转形成的薄膜应力，从而提高光刻胶的附着性。如果光刻胶没有经过前烘处理，对于正胶来说，非曝光区的光刻胶由于溶剂的含量比较高，在显影液中也会溶解变簿，从而使光刻胶的保护能力下降。前烘的作用前烘的温度和时间需要严格地控制。前烘的温度太低或时间太短光刻胶层与硅片表面的黏附性差；由于光刻胶中溶剂的含量过高，曝光的精确度也会变差；太高的溶剂浓度使显影液对曝光区和非曝光区光刻胶的选择性下降，导致图形转移效果不好。前烘温度太高光刻胶层的黏附性也会因为光刻胶变脆而降低；过高的烘焙温度会使光刻胶中的感光剂发生反应，使光刻胶在曝光时的敏感度变差。前烘的温度和时间前烘通常采用干燥循环热风、红外线辐射以及热平板传导等热处理方式。在ULSI工艺中，常用的前烘方法是真空热平板烘烤。真空热平板烘烤可以方便地控制温度，同时还可以保证均匀加热。前烘的加热方式8.1.4、显影显影后所留下的光刻胶图形将在后续的刻蚀和离子注入工艺中做为掩膜，因此显影也是一步重要工艺。严格地说，在显影时曝光区与非曝光区的光刻胶都有不同程度的溶解。曝光区与非曝光区的光刻胶的溶解速度反差越大，显影后得到的图形对比度越高。影响显影效果的主要因素包括：①光刻胶的膜厚；②前烘的温度和时间；③曝光时间；④显影液的浓度；⑤显影液的温度；⑥显影液的搅动情况等。以正胶为例，在显影过程中，曝光区的光刻胶在显影液中溶解，非曝光区的光刻胶则不会溶解。曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形，显影后便显现出来。目前广泛使用的显影的方式是喷洒方法。可分为三个阶段：①硅片被置于旋转台上，并且在硅片表面上喷洒显影液；②然后硅片将在静止的状态下进行显影；③显影完成之后，需要经过漂洗，之后再旋干。喷洒方法的优点在于它可以满足工艺流水线的要求。显影之后，一般要通过光学显微镜、扫描电镜(SEM)或者激光系统来检查图形的尺寸是否满足要求。如果不能满足要求，可以返工。因为经过显影之后只是在光刻胶上形成了图形，只需去掉光刻胶就可以重新进行上述各步工艺。显影方式与检测8.1.5、坚膜硅片在经过显影之后，需要经历一个高温处理过程，简称坚膜。坚膜的主要作用是除去光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对硅片表面的附着力，同时提高光刻胶在刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性和保护能力。通常坚膜的温度要高于前烘温度。光刻胶的光学稳定是通过紫外光辐照和加热来完成的。经过UV辐照和适度的热处理(110℃)之后，在光刻胶的表面图形上可以形成交叉链接的硬壳，可以使光刻胶图形在高温过程中不会变形。光学稳定可以使光刻胶产生均匀的交叉链接，提高光刻胶的抗刻蚀能力，进而提高刻蚀工艺的选择性。经过UV处理的光刻胶，要先经过氧等离子的活化，然后通过湿法除去。光学稳定8.1.6刻蚀8.1.7去胶在集成电路工艺中，去胶的方法包括湿法去胶和干法去胶，在湿法去胶中又分为有机溶液去胶和无机溶液去胶。有机溶液去胶主要是使光刻胶溶于有机溶液中（丙酮和芳香族的有机溶剂），从而达到去胶的目的。无机溶液去胶的原理是使用一些无机溶液(如H2SO4和H2O2等)，将光刻胶中的碳元素氧化成为二氧化碳，把光刻胶从硅片的表面上除去。由于无机溶液会腐蚀A1，因此去除A1上的光刻胶必须使用有机溶液。干法去胶则是用等离子体将光刻胶剥除。光刻胶通过在氧等离子体中发生化学反应，生成气态的CO，CO2和H2O由真空系统抽走。相对于湿法去胶，干法去胶的效果更好，但是干法去胶存在反应残留物的玷污问题，因此干法去胶与湿法去胶经常搭配进行。8.2、分辨率分辨率R描述了光刻工艺中可能达到的最小光刻图形尺寸，表示每mm内最多能刻蚀出多少可分辨的线条数。线宽与线条间距相等的情况下，R定义为线条越细，分辨率越高。光刻的分辨率受到光刻系统、光刻胶和工艺等各方面的限制。这里我们只从物理角度对分辨率进行探讨。光刻中所用的曝光光源是光、电子、离子和X射线等各种粒子束。从量子物理的角度看，限制分辨率的因素是衍射。)(211mmLR设有一物理线度L，为了测量和定义它，必不可少的误差为ΔL，根据量子理论的不确定性关系，则有其中h是普朗克常数，Δp是粒子动量的不确定值。对于曝光所用的粒子束，若其动量的最大变化是从-p到+p，即Δp=2p，代入上式，则有ΔL在这里表示分清线宽L必然存在的误差。若ΔL就是线宽，那么它就是物理上可以得到的最细线宽，因而最高的分辨率hpLphL2hpLR21max最高的分辨率不同的粒子束，因其能量、动量不同，则ΔL亦不同。对于光子通常把上式看作是光学光刻方法中可得到的最细线条，即不可能得到一个比λ/2还要细的线条。其物理图像是，光的波动性所显现的衍射效应限制了线宽≥λ/2。因此最高分辨率为：这是仅考虑光的衍射效应而得到的结果，没有涉及光学系统的误差以及光刻胶和工艺的误差等，因此这是纯理论的分辨率。1max1mmR2L光子曝光的最高的分辨率关于光束的线宽限制，对其他的粒子束同样适用。任何粒子束都具有波动性，即德布罗意物质波，其波长λ与质量m、动能E的关系描述如下。粒子束的动能E为其动量p粒子束的波长由此，用粒子束可得到的最细线条为mEmVhp2mEhL22mEh2221mVE任意粒子曝光的最高的分辨率结论：若粒子束的能量E给定后，则粒子的质量m愈大，ΔL愈小，因而分辨率愈高。以电子和离子作比较，离子的质量大于电子，所以它的ΔL小，即分辨率高。但这个说法有一定的限制，因为离子本身的线度一般大于1Å，所以用它加工的尺寸不可能做到小于它本身的线度。对于m一定，即给定一种粒子，例加电子，则其动能愈高，ΔL愈小，分辨率愈高。光学光刻胶通常包含有三种成份：①聚合物材料(树脂)：附着性和抗腐蚀性②感光材料：感光剂③溶剂：使光刻胶保持为液态8.3、光刻胶的基本属性正胶的感光区在显影时溶掉，没有感光的区域在显影时不溶解，因此形成的光刻胶图形是掩模版图形的正影像。负胶的情况与正胶相反，经过显影后光刻胶层上形成的是掩模版的负性图形。正胶的分辨率比负胶高。光刻胶通常可分为正胶和负胶，经过曝光和显影之后所得到的图形是完全相反的。光刻胶的对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的倾角和线宽。8.3.1、对比度为了测量光刻胶的对比度，将一定厚度的光刻胶膜在不同的辐照剂量下曝光，然后测量显影之后剩余光刻胶的膜厚，利用得到的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线进行计算就可以得到对比度。光刻胶的对比度：不同的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线的外推斜率。1212XXYY根据对比度定义，Y2＝1.0，Y1=0，X2＝log10Dog，X1＝log10Dig。负胶的对比度负胶的对比度)/(log110igognDD对于负胶，只有达到临界曝光剂量后，才形成胶体的交叉链接，临界曝光剂量以下的负胶中不会形成图形，如图所示。达到临界曝光剂量后，随曝光剂量的增加，负胶膜上形成的胶化图像厚度逐渐加大，最终使胶化图像的薄膜厚度等于初始时负胶的膜厚。其中，Dig为负胶的临界曝光剂量，Dog为负胶的胶化薄膜厚度与曝光开始时负胶膜厚度相等时的曝光剂量。测量正胶对比度的方法与负胶相同，正胶的膜厚随着曝光剂量的增加而减小，直到在显影的过程中被完全除去，曝光区域剩余的正胶膜厚与曝光剂量的关系如图所示。正胶的对比度根据对比度定义，Y2＝0，Y1=1.0，X2＝log10Dc，X1＝log10Do。正胶的对比度)(log110ocpDDDc为完全除去正胶膜所需要的最小曝光剂量，Do为对正胶不产生曝光效果所允许的最大曝光剂量。在理想的曝光过程中，投到光刻胶上的辐照区域应该等于掩模版上的透光区域，在其他区域应该没有辐照能量。在实际的曝光过程中，由于衍射和散射的影响，光刻胶所接受的辐照具有一定的分布。以正胶为例，部分区域的光刻胶受到的曝光剂量小于Dc而大于Do，在显影过程中只有部分溶解。因此经过显影之后留下的光刻胶的侧面都会有一定的斜坡。光刻胶的对比度越高，光刻胶层的侧面越陡。光刻胶的侧墙倾斜由于线宽是通过测量光刻胶/衬底之上特定高度的线条间距得到的，光刻胶侧面的陡度越好，线宽描述掩模尺寸的准确度就越高。最终的图形转移是经过刻蚀完成的，而干法刻蚀在一定程度上对光刻胶也有侵蚀作用，所以陡峭的光刻胶可以减小刻蚀过程中的钻蚀效应，从而提高分辨率。侧墙倾斜对分辨率的影响采用调制转移函数(MTF)来描述曝光图形的质量，