半導體器件與工藝-光刻(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 為得到所需的圖像，使用狹波或單一波長曝光光源，準直平行光，以及對上述距離嚴格控制的方法都被運用到光刻機中。使用最廣泛的曝光光源是高壓汞燈，它所產生的光為紫外光（ UV〕。為減小特征圖形尺寸，起初使用的燈泡和光刻膠不斷地發展和改進。為獲得更高的清晰度，光刻膠被設計成只與汞燈光譜中很窄一段波長的光反應。這種需求使得在光譜更短波長中使用的燈泡和光刻膠得以發展。光譜中的這一部分稱為深紫外區或 DUV。其他可以提供波長較短，曝光能量較高的光源還有：準分子激光器， X射線以及電子束。 曝光光源曝光光源掩膜版 在硅片制造中經常使用兩個術語：投影掩膜版和掩膜版。投影掩膜版只包括硅片上一部分圖形（例如 4個芯片）。這個圖形必須通過分步重復來覆蓋整個襯底。在硅片制造中投影掩膜版用于分步重復光刻機和步進掃描光刻機、光掩膜版或掩膜版包含了整個硅片的芯片陣列并且通過單一曝光轉印圖形 ( 1:1圖像轉印、掩膜版用于較老的接近式光刻和掃描對準投影機中 )。 掩膜版必須制造得非常完美。所有硅片上的電路元件都來自版圖，因此投影掩膜版的質量在亞微米光刻獲得高質量圖形中扮演著關鍵角色。如果版圖缺陷（如變形和不正確圖形位置）沒有被發現，它們就會被復制到硅片表面的光刻膠上。投影掩膜版在它們剛制造完畢，就要進行大量的自動測試來檢查缺陷和顆粒。 顯影 晶圓完成定位和曝光后，器件或電路的圖案被以曝光和未曝光區域的形式記錄在光刻膠上。通過對未聚合光刻膠的化學分解來使圖案顯影。顯影技術被設計成使之把完全一樣的掩膜版圖案復制到光刻膠上。不良的顯影工藝造成的問題是不完全顯影，它會導致開孔的不正確尺寸，或使開孔的側面內凹。在某些情況下，顯影不夠深而在開孔內留下一層光刻膠。第三個問題是過顯影會過多地從圖形邊緣或表面上去除光刻膠。 顯影■ 負光刻膠顯影 在光刻膠上成功地使圖案顯影要依靠光刻膠的曝光機理。負光刻膠暴露在光線下，會有一個聚合的過程，它會導致光刻膠聚合。在兩個區域間有足夠高的分解率以使聚合的區域只失去很小部分光刻膠。顯影完成后還要進行沖洗，沖洗的作用是雙重的。第一，快速地稀釋顯影液。雖然聚合的光刻膠不會被顯影液分解，但在曝光的邊緣總會有一個過渡區，其中包含部分聚合的分子。如果顯影液留在表面上便會溶解這部分區域而改變圖案尺寸。第二，沖洗可去除在開孔區少量部分聚合的光刻膠。顯影■ 正光刻膠顯影 正光刻膠有不同的顯影條件。兩個區域（聚合的和未聚合的區域）有不同的溶解率，約為 1:4。這意味著在顯影中總會從聚合的區域失去一些光刻膠。使用過度的顯影液或顯影時間過長可以導致光刻膠太薄而不能使用。結果有可能導致在刻蝕中翹起或斷裂。 大多數用正光刻膠的制造廠使用四甲基氫氧化氨溶液（TMAH）。有時要添加表面活性劑來去除表面張力使溶液更易親合晶圓表面。正光刻膠的性質使它們在環保上比有機溶液的負光刻膠更具吸引力。正光刻膠的顯影工藝比負光刻膠更為敏感。 濕法顯影 ■沉浸 沉浸是在耐化學腐蝕的傳輸器中的晶圓被放進盛有顯影液的池中放置一定的時間然后再被放入加有化學沖洗液的池中進行沖洗。■噴射顯影 噴射工藝可在單一或批量系統中完成。在單一晶圓配置中，晶圓被真空吸在吸盤上并旋轉，同時顯影液和沖洗液依次噴射到晶圓表面。沖洗之后晶圓吸盤高速旋轉使晶圓被甩干。在外觀和設計上，單晶圓噴射系統和點膠機一樣只是通入不同的化學品。單晶圓噴射系統具有可集成顯影和硬烘焙工藝而實現自動化的優點。這個工藝的一個主要優點是均勻性的提高。 ■混凝顯影 混凝顯影是用以獲得 正光刻膠噴射顯影工藝 優點的一種工藝。工藝開始時，在靜止的晶圓表面上覆蓋一層顯影液。表面張力使顯影液在晶圓表面上不會流散到晶圓外。要求顯影液在晶圓表面上停留一定的時間，通常是以吸盤加熱的晶圓，這時絕大部分的顯影會發生?；炷@影實際上是單晶圓且只有晶圓單面沉浸的工藝。在要求的時間過后，更多的顯影液被噴到晶圓表面上并沖洗、干燥，然后送下一道工序。 ■ 等離子體去除浮渣 不完全顯影會造成浮渣，浮渣可以是留在晶圓表面上的未溶解的光刻膠塊或是干燥后的顯影液。在微米和微米以下的 ULSI生產線中，在化學顯影后用氧等離子體來去除浮渣。 濕法顯影 干法等離子體刻蝕對于刻蝕晶圓表面層已經是完善的工藝了。在等離子體刻蝕中，離子由等離子體場得到能量，以化學形式分解暴露的晶圓表面層。干法光刻膠顯影要求光刻膠化學物的曝光或未曝光的部分易于被氧等離子體去除，即圖案的部分從晶圓表面上氧化掉。 干法（等離子）顯影 硬烘焙通過溶液的蒸發來固化光刻膠，使光刻膠和晶圓表面有良好的粘貼。硬烘焙的時間和溫度的決定與在軟烘焙工藝是一樣的。起始點是由光刻膠制造商推薦的工藝。之后，工藝被精確調整，以達到粘貼和尺寸控制的要求。 硬烘焙是立即在顯影后或是馬上在開始刻蝕前來進行的。熱烘焙增強粘貼的機理是脫水和聚合。加熱使水份脫離光刻膠，同時使之進一步聚合，從而增強了其耐刻蝕性。硬烘焙溫度的上限以光刻膠流動點而定。當光刻膠流動時，圖案尺寸便會改變。硬烘焙 在顯影和烘焙之后就是要完成光刻掩膜工藝的第一次質檢。檢驗的目的是區分那些有很低可能性通過最終掩膜檢驗的晶圓，提供工藝性能和工藝控制數據；以及分揀出需要重做的晶圓。 顯影檢驗 ■ 人工檢驗 直觀檢驗晶圓表面。檢驗可在正常的室內光線下進行，但是更多時候晶圓要在直射的白光或高密度紫外光下進行。檢驗時晶圓與光線成一定的角度。用這種方法可以非常有效地檢查出膜厚的不規則、粗顯影問題、劃傷及污染，特別是污點。 顯影檢驗的方法 隨著芯片密度的增大每個芯片上的器件也在減小。這就要用倍數更大的顯微鏡來檢查。放大倍數的增加會使視景減小，這又會造成操作員用更多的時間來檢查晶圓。通常的規程是選擇一些具體的區域來檢查。在每個掩膜級別，有一些圖案的尺寸對于整個電路是非常關鍵的。對每個級別有一個代表性的圖案被選出來作為關鍵尺寸（ Critical Dimension，CD）?！鲎詣訖z驗 隨著芯片尺寸增大和元件尺寸的減小，工藝變得更加繁多并精細，人工檢驗的效力也到了極限。自動檢驗系統提供了更多數據。顯影檢驗的方法 刻蝕 在完成顯影檢驗步驟后，掩膜版的圖案就被固定在光刻膠膜上并準備刻蝕。在刻蝕后圖案就會被永久地轉移到晶圓的表層?？涛g就是通過光刻膠暴露區域來去掉晶圓最表層的工藝?？涛g工藝主要有兩大類：濕法和干法刻蝕。兩種方法的主要目標是將光刻掩膜版上的圖案精確地轉移到晶圓的表面。刻蝕參數 ■ 刻蝕速率 在刻蝕過程中去除硅片表面材料的速度，通常用 197。/min表示?？涛g窗口的深度稱為臺階高度。 ■刻蝕剖面 指的是被刻蝕圖形的側壁形狀。有兩種基本的刻蝕剖面 :各向同性和各向異性刻蝕剖面。對于亞微米尺寸的圖形來說，希望刻蝕剖面是各向異性的，即刻蝕只在垂直于硅片表面的方向進行，只有很少的橫向刻蝕。這種垂直的側壁使得在芯片上可制作高密度的刻蝕圖形各向異性刻蝕對于小線寬圖形亞微米器件的制作來說非常關鍵。先進集成電路應用上通常需要 88到 89垂直度的側壁。各向異性刻蝕大部分是通過干法等離子體刻蝕來實現的。 刻蝕參數 ■刻蝕偏差 指刻蝕以后線寬或關鍵尺寸間距的變化。它通常是由于橫向鉆蝕引起的，但也能由刻蝕剖面引起。當刻蝕中要去除掩膜下過量的材料時，會引起被刻蝕材料的上表面向光刻膠邊緣凹進去，這樣就會產生橫向鉆蝕。 刻蝕參數 ■選擇比 定義為被刻蝕材料的刻蝕速率與另一種材料的刻蝕速率的比。高選擇比意味著只刻除想要刻去的那一層材料。一個高選擇比的刻蝕工藝不刻蝕下面一層材料（刻蝕到恰當的深度時停止）并且保護的光刻膠也未被刻蝕。干法刻蝕通常不能提供對下一層材料足夠高的刻蝕選擇比。在這種情況下，一個等離子體刻蝕機應裝上一個終點檢測系統，使得在造成最小的過刻蝕時停止刻蝕過程。當下一層材料正好露出來時，終點檢測器會觸發刻蝕機控制器而停止刻蝕。 刻蝕參數 ■ 均勻性 刻蝕均勻性是一種衡量刻蝕工藝在整個硅片上，或整個一批，或批與批之間刻蝕能力的參數。均勻性與選擇比有密切的關系，因為非均勻性刻蝕會產生額外的過刻蝕。均勻性的一些問題是因為刻蝕速率和刻蝕剖面與圖形尺寸和密度有關而產生的。刻蝕速率在小窗口圖形中較慢，甚至在具有高深寬比的小尺寸圖形上刻蝕會停止。具有高深寬比硅槽的刻蝕速率要比具有低深寬比硅槽的刻蝕速率慢。這一現象被稱為深寬比相關刻蝕（ ARDE），也被稱為 微負載效應 。 刻蝕參數 ■殘留物 刻蝕殘留物是刻蝕以后留在硅片表面不想要的材料。它常常覆蓋在腔體內壁或被刻蝕圖形的底部。刻蝕殘留物是 IC制