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宽禁带半导体的光刻工艺

2024年07月16日 09:33 浏览：115 来源：小萍子

光刻是集成电路工艺中的关键性技术，最早的构想来源于印刷技术中的照相制版。它的概念是将掩模版上的图形（电路结构）“临时”（嵌套式）转移到硅片上的过程。光刻技术在半导体器件制造中的应用最早可追溯到1958年，实现了平面晶体管的制作。光刻工艺的成本在整个IC芯片加工成本中几乎占三分之一，IC集成度的提高，主要归功用于光刻技术的进步。

集成电路中对光刻的基本要求：

高分辩率。通常把线宽作为光刻水平的标志，也用加工图形线宽的能力来代表IC的工艺水平。
高灵敏度的光刻胶（指胶的感光速度）。为了提高IC产量，希望曝光时间越短越好。
低缺陷。在光刻中引入的缺陷的影响比其它工艺更严重，比如重复导致多数片子都变坏。
精密的套刻对准。允许的套刻误差为线宽的10%。
对大尺寸硅片的加工。在大尺寸硅片上满足上述光刻要求的难度更大。

光刻工艺的主要步骤图如下：

光刻的主要步骤

1. 涂胶（甩胶）：在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、没有缺陷的光刻胶薄膜。之前需要脱水烘焙，并且涂上HMDS或TMSDEA用以增加光刻胶与硅片表面的附着能力。

2. 前烘：去溶剂，减少灰尘污染，保持曝光精确度，减少显影溶解致厚度损失，减轻高速旋转致薄膜应力。由于前烘，光刻胶的厚度会减薄10%~20%。

3. 曝光：光刻胶通过掩模曝光，以正胶为例，感光剂DQ受光变为乙烯酮，再变为羧酸（易溶于碱液）。

4. 显影：正胶的曝光区和负胶的非曝光区在显影液中溶解，使曝光后光刻胶层中形成的潜在图形显现出来。图形检查，不合格的返工，用丙酮去胶。

5. 坚膜：高温处理过程，除去光刻胶中的剩余溶液，增加附着力，提高抗蚀能力。坚膜温度（光刻胶玻璃态转变温度）高于前烘和曝光后烘烤温度，在这个温度下，光刻胶将软化，表面在表面张力的作用下而圆滑化，减少光刻胶层中的缺陷，并修正光刻胶图形的边缘轮廓。

6. 刻蚀或注入。

7. 去胶：将光刻胶从硅片的表面除去，包括干法去胶和湿法去胶。干法去胶就是用等离子体（如氧等离子体）将光刻胶剥除。湿法去胶又分为有机溶剂（常用丙酮）去胶和无机溶剂（如H2SO4和H2O2）去胶，而金属化后必须用有机溶剂去胶。干法去胶和湿法去胶经常搭配进行。

以在SiO2氧化膜上光刻为例，如下图，首先在有SiO2覆盖的硅片表面涂布一层对紫外光敏感材料，这种材料是一种液态物质叫做光刻胶。将少量液态光刻胶滴在硅片上，再经过高速旋转后，则在硅片表面形成一层均匀的光刻胶薄膜。甩胶之后，在较低的温度(80oC-100oC)下进行一定时间烘焙，其目的是，使光刻胶中的溶剂挥发，从而改善光刻胶与表面的粘附性。硬化后的光刻胶与照像所使用的感光胶相似。

接下来用UV光通过掩模版的透光区使光刻胶曝光，如图（b）所示。掩模版是预先制备的玻璃或石英版，其上复制有需要转移到SiO2薄膜上的图形。掩模版的暗区可以阻挡UV光线通过。曝光区域中的光刻胶会发生光化学反应，反应的类型与光刻胶的种类有关。对于负性光刻胶，在经过光照的区域会发生聚合反应，变得难以去除。浸入显影剂之后，曝光区域发生聚合反应的负胶保留下来，而没有曝光的区域的负胶被分解掉，溶于显影液中。经过显影之后的负胶图形如图（c）的右图所示。正性光刻胶中含有大量的感光剂，可以显著地抑制正胶在碱性显影液中的溶解速度。经过曝光之后，感光剂发生分解，使得曝光区域的正胶被优先除去，其效果如图（c）的左图所示。从应用的过程来看，负胶在早期的IC工艺中广泛应用。现在正胶的应用已经成为主流，因为正胶可以提供更好的图形控制。

对准方法

1. 预对准，通过硅片上的notch或者flat进行激光自动对准；

2. 通过对准标志（Align Mark），位于切割槽（Scribe Line）上。另外层间对准，即套刻精度（Overlay），保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准。

曝光中最重要的两个参数是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。如果能量和焦距调整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的图形。表现为图形的关键尺寸超出要求的范围。

曝光方法

1. 接触式曝光（Contact Printing）：掩膜板直接与光刻胶层接触。曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相当，设备简单。缺点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，寿命很低（只能使用5～25次）；1970前使用，分辨率〉0.5μm。

2. 接近式曝光（Proximity Printing）：掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为10～50μm。可以避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤。但是同时引入了衍射效应，降低了分辨率。1970后适用，但是其最大分辨率仅为2～4μm。

3. 投影式曝光（Projection Printing）：在掩膜板与光刻胶之间使用透镜聚集光实现曝光。一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作。优点：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影响减小。投影式曝光分类如下：

扫描投影曝光（Scanning Project Printing）。70年代末～80年代初，〉1μm工艺；掩膜板1：1，全尺寸；

步进重复投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或称作Stepper）。80年代末～90年代，0.35μm（I line）～0.25μm（DUV）。掩膜板缩小比例（4：1），曝光区域（Exposure Field）22×22mm（一次曝光所能覆盖的区域）。增加了棱镜系统的制作难度；

扫描步进投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。90年代末～至今，用于≤0.18μm工艺。采用6英寸的掩膜板按照4：1的比例曝光，曝光区域（Exposure Field）26×33mm。优点：增大了每次曝光的视场；提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。但是，同时因为需要反向运动，增加了机械系统的精度要求。

在曝光过程中，需要对不同的参数和可能缺陷进行跟踪和控制，会用到检测控制芯片/控片（Monitor Chip）。根据不同的检测控制对象，可以分为以下几种：

颗粒控片（Particle MC）：用于芯片上微小颗粒的监控，使用前其颗粒数应小于10颗；

卡盘颗粒控片（Chuck Particle MC）：测试光刻机上的卡盘平坦度的专用芯片，其平坦度要求非常高；

焦距控片（Focus MC）：作为光刻机监控焦距监控；

关键尺寸控片（Critical Dimension MC）：用于光刻区关键尺寸稳定性的监控；

光刻胶厚度控片（PhotoResist Thickness MC）：光刻胶厚度测量；

光刻缺陷控片（PDM，Photo Defect Monitor）：光刻胶缺陷监控。举例：0.18μm的CMOS扫描步进光刻工艺。

光源：KrF氟化氪DUV光源（248nm）；数值孔径NA：0.6～0.7；焦深DOF：0.7μm 分辨率Resolution：0.18～0.25μm（一般采用了偏轴照明OAI_Off- Axis Illumination和相移掩膜板技术PSM_Phase Shift Mask增强）；套刻精度Overlay：65nm；产能Throughput：30～60wafers/hour（200mm）；视场尺寸Field Size：25×32mm；

显影方法

1. 整盒硅片浸没式显影（Batch Development）：缺点为显影液消耗很大；显影的均匀性差。

2. 连续喷雾显影（Continuous Spray Development）。

3. 自动旋转显影（Auto-rotation Development）：一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面，同时硅片低速旋转（100～500rpm）。喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。

4. 水坑（旋覆浸没）式显影（Puddle Development）：喷覆足够（不能太多，最小化背面湿度）的显影液到硅片表面，并形成水坑形状（显影液的流动保持较低，以减少边缘显影速率的变化）。硅片固定或慢慢旋转。一般采用多次旋覆显影液：第一次涂覆、保持10～30秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。然后用去离子水冲洗（去除硅片两面的所有化学品）并旋转甩干。优点：显影液用量少；硅片显影均匀；最小化了温度梯度。

显影液

1. 正性光刻胶的显影液：正胶的显影液位碱性水溶液。KOH和NaOH因为会带来可动离子污染（MIC，Movable Ion Contamination），所以在IC制造中一般不用。最普通的正胶显影液是四甲基氢氧化铵（TMAH）（标准当量浓度为0.26，温度 15～250C）。在I线光刻胶曝光中会生成羧酸，TMAH显影液中的碱与酸中和使曝光的光刻胶溶解于显影液，而未曝光的光刻胶没有影响；在化学放大光刻胶（CAR，Chemical Amplified Resist）中包含的酚醛树脂以PHS形式存在。CAR中的PAG产生的酸会去除PHS中的保护基团（t-BOC），从而使PHS快速溶解于TMAH显影液中。整个显影过程中，TMAH没有同PHS发生反应。

2. 负性光刻胶的显影液：显影液为二甲苯。清洗液为乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。

显影中的常见问题

1. 显影不完全（Incomplete Development）：表面还残留有光刻胶。显影液不足造成；

2. 显影不够（Under Development）：显影的侧壁不垂直，由显影时间不足造成；

3. 过度显影（Over Development）：靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。显影时间太长。