光刻技術(shù)研究

1、編號：河南大學2010屆本科畢業(yè)論文 光刻技術(shù)研究 論文作者姓名： 張永攀 作 者 學 號：1023009650 所 在 學 院：物理院 所 學 專 業(yè)：電子信息科學與技術(shù)導 師 姓 名：谷城 導 師 職 稱：講師 2014 年 4 月 25 日光刻技術(shù)研究 摘要光刻技術(shù)是集成電路制造中至關(guān)重要的一環(huán)，同時光刻技術(shù)的發(fā)展速度也在一定程度上決定了集成電路更新?lián)Q代的周期，因此對光刻技術(shù)的研究對于集成電路的發(fā)展進程就顯得尤為關(guān)鍵。本文首先講述了光刻技術(shù)的含義以及它在集成電路制造工藝中的作用和地位，給讀者一個直觀的感受，然后具體介紹了光刻技術(shù)主要用到的設備和材料并且一一闡釋了光刻的每個步驟，并結(jié)合每個

2、步驟探討未來可能會出現(xiàn)改進的地方，最后從理論和可實現(xiàn)性兩方面結(jié)合自己的理解預測未來光刻技術(shù)的走向，試著找到最有可能實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的新的工藝技術(shù)。關(guān)鍵詞：光刻技術(shù)，重要作用，流程，發(fā)展方向AbstractLithography is a vital part of the integrated circuit , at the same time, the speed of the development of lithography technology determines the integrated circuit upgrade cycle to a certain extent, s

3、o studying lithography process is particularly critical in the development of integrated circuit. First, this article tells us the definition of lithography and its role and status in the integrated circuit process to give the readers an intuitive feeling, then it introduced equipment and materials

4、of lithography in detail and illustrates the each step of lithography, then combined with the steps to explore where it can be improved. Finally, from the two aspects of theory and reality it predicts the future lithography combined with own understanding, and try to find the new technology which mo

5、st likely to achieve mass production.Keywords: Lithography, important role, process, direction231、緒論71.1集成電路71.2光刻82、光刻技術(shù)的實現(xiàn)92.1光刻所需的設備和材料92.1.1 硅92.1.2光刻機102.2光刻技術(shù)的操作流程122.2.1硅片清洗烘干122.2.2涂底122.2.3旋轉(zhuǎn)涂膠122.2.4軟烘122.2.5邊緣光刻膠的去除132.2.6對準132.2.7曝光132.2.8后烘132.2.9顯影142.2.10硬烘143、光刻技術(shù)的具體應用（以N阱CMOS工藝為例）14

6、3.1 N阱制作153.1.1.在p襯底上進行n阱注入153.1.2.曝光153.1.3,n阱注入163.2.有源區(qū)的形成173.3,生成多晶柵184、光刻技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)224.1 光學光刻的物理極限224.1.1降低工藝因子K1224.1.2 提高數(shù)值孔徑224.1.3 縮短曝光波長225、結(jié)論236、參考文獻237、 致謝231、緒論 集成電路（integrated circuit）是一種微型電子器件或部件，它不僅在工、民用電子設備如收錄機、電視機、計算機等方面得到廣泛的應用，同時在軍事、通訊、遙控等方面也得到廣泛的應用。集成電路制造時利用研磨、拋光、氧化、擴散、光刻、外延生長、蒸發(fā)等一整

7、套平面工藝技術(shù)，把一個電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)。其中光刻技術(shù)是集成電路制造中最關(guān)鍵的，因為光刻確定了器件的關(guān)鍵尺寸，而尺寸又是集成電路中最重要的參數(shù)之一。1.1集成電路集成電路是微電子領域發(fā)展過程中的一個里程碑。其發(fā)明者為杰克基爾比（基于鍺的集成電路）和羅伯特諾伊思（基于硅的集成電路）。當今半導體工業(yè)大多數(shù)應用的是基于硅的集成電路。集成電路或稱微電路（microcircuit）、 微芯片（microchip）、芯片（chip）在電子學中是一種把電路（主要包括

8、半導體裝置，也包括被動元件等）小型化的方式，并通常制造在半導體晶圓表面上。它具有體積小，重量輕，引出線和焊接點少，壽命長，可靠性高，性能好等優(yōu)點，同時成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。用集成電路來裝配電子設備，其裝配密度比晶體管可提高幾十倍至幾千倍，設備的穩(wěn)定工作時間也可大大提高。圖1.1集成電路集成電路，又稱為IC，按其功能、結(jié)構(gòu)的不同，可以分為模擬集成電路、數(shù)字集成電路和數(shù)/模混合集成電路三大類。模擬集成電路又稱線性電路,用來產(chǎn)生、放大和處理各種模擬信號（指幅度隨時間變化的信號。例如半導體收音機的音頻信號、錄放機的磁帶信號等），其輸入信號和輸出信號成比例關(guān)系。而數(shù)字集成電路用來產(chǎn)生、放大和處理各種數(shù)

9、字信號（指在時間上和幅度上離散取值的信號。例如3G手機、數(shù)碼相機、電腦CPU、數(shù)字電視的邏輯控制和重放的音頻信號和視頻信號）。1.2光刻在晶圓的制造過程中，晶體三極管、二極管、電容、電阻和金屬層的各種物理部件在晶圓表面或表層內(nèi)構(gòu)成。這些部件是每次在一個掩膜層上生成的，并且結(jié)合生成薄膜及去除特定部分，通過光刻工藝過程，最終在晶圓上保留特征圖形的部分。光刻生產(chǎn)的目標是根據(jù)電路設計的要求，生成尺寸精確的特征圖形，并且在晶圓表面的位置正確且與其它部件的關(guān)聯(lián)正確。光刻過程中的錯誤可造成圖形歪曲或套準不好，最終可轉(zhuǎn)化為對器件的電特性產(chǎn)生影響。圖形的錯位也會導致類似的不良結(jié)果。光刻工藝中的另一個問題是缺陷。

10、光刻是高科技版本的照相術(shù)，只不過是在難以置信的微小尺寸下完成。在制程中的污染物會造成缺陷。事實上由于光刻在晶圓生產(chǎn)過程中要完成5層至20層或更多，所以污染問題將會放大。光刻過程中的錯誤可造成圖形歪曲或套準不好，最終可轉(zhuǎn)化為對器件的電特性產(chǎn)生影響。隨著電子產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步和發(fā)展，光刻技術(shù)及其應用已經(jīng)遠遠超出了傳統(tǒng)意義上的范疇，如上所述，它幾乎包括和覆蓋了所有微細圖形的傳遞、微細圖形的加工和微細圖形的形成過程，而隨著芯片集成度越來越高，尺寸越來越小，對光刻技術(shù)的要求也就越來越高，因此光刻技術(shù)的發(fā)展在整個集成電路領域內(nèi)中就顯得就至關(guān)重要了，近年來也出現(xiàn)了很多新的光刻技術(shù)，如193nm浸入式技術(shù)、157

11、nm極短紫外光刻(EUV)、電子束投影光刻(EPL)、納米壓印光刻等，但由于技術(shù)或成本等原因的限制，目前還不能應用于大規(guī)模生產(chǎn)。2、光刻技術(shù)的實現(xiàn)2.1光刻所需的設備和材料2.1.1 硅我們都知道，硅廣泛存在于我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷纳匙又?，可以說是卻之不盡用之不竭的。不過不是隨便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑細選，從中提取出最最純凈的硅原料才行。首先，硅原料要進行化學提純，這一步驟使其達到可供半導體工業(yè)使用的原料級別。而為了使這些硅原料能夠滿足集成電路制造的加工需要，還必須將其整形，這一步是通過溶化硅原料，然后將液態(tài)硅注入大型高溫石英容器而完成的。而后，將原料進行高溫溶化。中學化學課上我

12、們學到過，許多固體內(nèi)部原子是晶體結(jié)構(gòu)，硅也是如此。為了達到高性能處理器的要求，整塊硅原料必須高度純凈，及單晶硅。然后從高溫容器中采用旋轉(zhuǎn)拉伸的方式將硅原料取出，此時一個圓柱體的硅錠就產(chǎn)生了。然后通過切片，腐蝕，清洗等一系列步驟，最終得到可用于集成電路制造的硅片。2.1.2光刻機高端的投影式光刻機可分為步進投影和掃描投影光刻機兩種，分辨率通常在幾十納米至幾微米之間，高端光刻機號稱世界上最精密的儀器，世界上已有7000萬美金的光刻機。高端光刻機堪稱現(xiàn)代光學工業(yè)之花，其制造難度之大，全世界只有少數(shù)幾家公司能夠制造。生產(chǎn)線和研發(fā)用的低端光刻機為接近、接觸式光刻機，分辨率通常在數(shù)微米以上。圖2.1 光刻

13、機型 號（Model）: ABM/6/350/NUV/DCCD/M光刻機一般根據(jù)操作的簡便性分為三種，手動、半自動、全自動。手動：指的是對準的調(diào)節(jié)方式，是通過手調(diào)旋鈕改變它的X軸，Y軸和thita角度來完成對準，對準精度可想而知不高了；半自動：指的是對準可以通過電動軸根據(jù)CCD的進行定位調(diào)諧；自動： 指的是 從基板的上載下載，曝光時長和循環(huán)都是通過程序控制，自動光刻機主要是滿足工廠對于處理量的需要。光源是光刻機最核心的部分。常見光源分為:紫外光（UV），g線：436nm;i線：365nm，深紫外光（DUV）,KrF 準分子激光：248 nm, ArF 準分子激光：193 nm，極紫外光（EUV

14、），10 15 nm。光刻機對光源系統(tǒng)的要求a.有適當?shù)牟ㄩL。波長越短，可曝光的特征尺寸就越??；波長越短，就表示光刻的刀鋒越鋒利，刻蝕對于精度控制要求越高，因為衍射現(xiàn)象會更嚴重。b.有足夠的能量。能量越大，曝光時間就越短；c.曝光能量必須均勻地分布在曝光區(qū)。一般采用光的均勻度 或者叫 不均勻度 光的平行度等概念來衡量光是否均勻分布;常用的紫外光光源是高壓弧光燈（高壓汞燈），高壓汞燈有許多尖銳的光譜線，經(jīng)過濾光后使用其中的g 線（436 nm）或i 線（365 nm）。對于波長更短的深紫外光光源，可以使用準分子激光。例如KrF 準分子激光（248 nm）、ArF 準分子激光（193 nm）和F2

15、準分子激光（157 nm）等。光刻機的主要性能指標有：支持基片的尺寸范圍，分辨率、對準精度、曝光方式、光源波長、光強均勻性、生產(chǎn)效率等。分辨率是對光刻工藝加工可以達到的最細線條精度的一種描述方式。光刻的分辨率受受光源衍射的限制,所以與光源、光刻系統(tǒng)、光刻膠和工藝等各方面的限制。對準精度是在多層曝光時層間圖案的定位精度。曝光方式分為接觸接近式、投影式和直寫式。曝光光源波長為紫外、深紫外和極紫外區(qū)域，光源有汞燈，準分子激光器等。2.1.3光刻膠光刻膠是由感光樹脂、增感劑（見光譜增感染料）和溶劑三種主要成分組成的對光敏感的混合液體。根據(jù)其化學反應機理和顯影原理，可分負性膠和正性膠兩類。光照后形成不可

16、溶物質(zhì)的是負性膠；反之，對某些溶劑是不可溶的，經(jīng)光照后變成可溶物質(zhì)的即為正性膠。圖2.2 光刻膠的作用2.2光刻技術(shù)的操作流程一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測等工序。2.2.1硅片清洗烘干方法：濕法清洗+去離子水沖洗+脫水烘焙（熱板150250C,12分鐘，氮氣保護）目的：a、除去表面的污染物（顆粒、有機物、工藝殘余、可動離子）；b、除去水蒸氣，使基底表面由親水性變?yōu)樵魉?，增強表面的黏附?.2.2涂底方法：a、氣相成底膜的熱板涂底。HMDS蒸氣淀積，200250C,30秒鐘；優(yōu)點：涂底均勻、避免顆粒污染；b、旋轉(zhuǎn)涂底。缺點

17、：顆粒污染、涂底不均勻、HMDS用量大。目的：使表面具有疏水性，增強基底表面與光刻膠的黏附性。2.2.3旋轉(zhuǎn)涂膠方法：a、靜態(tài)涂膠（Static）。硅片靜止時，滴膠、加速旋轉(zhuǎn)、甩膠、揮發(fā)溶劑（原光刻膠的溶劑約占6585%,旋涂后約占1020%）；b、動態(tài)（Dynamic）。低速旋轉(zhuǎn)（500rpm_rotation per minute）、滴膠、加速旋轉(zhuǎn)（3000rpm）、甩膠、揮發(fā)溶劑。決定光刻膠涂膠厚度的關(guān)鍵參數(shù)：光刻膠的黏度（Viscosity），黏度越低，光刻膠的厚度越?。恍D(zhuǎn)速度，速度越快，厚度越?。挥绊懝饪棠z均勻性的參數(shù)：旋轉(zhuǎn)加速度，加速越快越均勻；與旋轉(zhuǎn)加速的時間點有關(guān)。一般旋涂光

18、刻膠的厚度與曝光的光源波長有關(guān)。2.2.4軟烘方法：真空熱板，85120C,3060秒；目的：除去溶劑（47%）；增強黏附性；釋放光刻膠膜內(nèi)的應力；防止光刻膠玷污設備；2.2.5邊緣光刻膠的去除光刻膠涂覆后，在硅片邊緣的正反兩面都會有光刻膠的堆積。邊緣的光刻膠一般涂布不均勻，不能得到很好的圖形，而且容易發(fā)生剝離（Peeling）而影響其它部分的圖形。所以需要去除。方法：a、化學的方法（Chemical EBR）。軟烘后，用PGMEA或EGMEA去邊溶劑，噴出少量在正反面邊緣處，并小心控制不要到達光刻膠有效區(qū)域；b、光學方法（Optical EBR）。即硅片邊緣曝光（WEE，Wafer Edge

19、 Exposure）。在完成圖形的曝光后，用激光曝光硅片邊緣，然后在顯影或特殊溶劑中溶解；2.2.6對準對準方法：a、預對準，通過硅片上的notch或者flat進行激光自動對準；b、通過對準標志（Align Mark），位于切割槽（Scribe Line）上。另外層間對準，即套刻精度（Overlay），保證圖形與硅片上已經(jīng)存在的圖形之間的對準。2.2.7曝光曝光中最重要的兩個參數(shù)是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。如果能量和焦距調(diào)整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的圖形。表現(xiàn)為圖形的關(guān)鍵尺寸超出要求的范圍。曝光方法：a、接觸式曝光（Contact Printing）。掩膜板直接

20、與光刻膠層接觸。曝光出來的圖形與掩膜板上的圖形分辨率相當，設備簡單。缺點：光刻膠污染掩膜板；掩膜板的磨損，壽命很低（只能使用525次）；1970前使用，分辨率0.5m。b、接近式曝光（Proximity Printing）。掩膜板與光刻膠層的略微分開，大約為1050m?？梢员苊馀c光刻膠直接接觸而引起的掩膜板損傷。但是同時引入了衍射效應，降低了分辨率。1970后適用，但是其最大分辨率僅為24m。c、投影式曝光（Projection Printing）。在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡聚集光實現(xiàn)曝光。一般掩膜板的尺寸會以需要轉(zhuǎn)移圖形的4倍制作。優(yōu)點：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影

21、響減小。在曝光過程中，需要對不同的參數(shù)和可能缺陷進行跟蹤和控制，會用到檢測控制芯片/控片（Monitor Chip）。根據(jù)不同的檢測控制對象，可以分為以下幾種：a、顆?？仄≒article MC）：用于芯片上微小顆粒的監(jiān)控，使用前其顆粒數(shù)應小于10顆；b、卡盤顆?？仄–huck Particle MC）：測試光刻機上的卡盤平坦度的專用芯片，其平坦度要求非常高；c、焦距控片（Focus MC）：作為光刻機監(jiān)控焦距監(jiān)控；d、關(guān)鍵尺寸控片（Critical Dimension MC）：用于光刻區(qū)關(guān)鍵尺寸穩(wěn)定性的監(jiān)控；e、光刻膠厚度控片（PhotoResist Thickness MC）：光刻膠厚

22、度測量；f、光刻缺陷控片（PDM，Photo Defect Monitor）：光刻膠缺陷監(jiān)控。2.2.8后烘方法：熱板，110130C,1分鐘。目的：a、減少駐波效應；b、激發(fā)化學增強光刻膠的PAG產(chǎn)生的酸與光刻膠上的保護基團發(fā)生反應并移除基團使之能溶解于顯影液。2.2.9顯影方法：a、整盒硅片浸沒式顯影（Batch Development）。缺點：顯影液消耗很大；顯影的均勻性差；b、連續(xù)噴霧顯影（Continuous Spray Development）/自動旋轉(zhuǎn)顯影（Auto-rotation Development）。一個或多個噴嘴噴灑顯影液在硅片表面，同時硅片低速旋轉(zhuǎn)（100500rp

23、m）。噴嘴噴霧模式和硅片旋轉(zhuǎn)速度是實現(xiàn)硅片間溶解率和均勻性的可重復性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)參數(shù)。c、水坑（旋覆浸沒）式顯影（Puddle Development）。噴覆足夠（不能太多，最小化背面濕度）的顯影液到硅片表面，并形成水坑形狀（顯影液的流動保持較低，以減少邊緣顯影速率的變化）。硅片固定或慢慢旋轉(zhuǎn)。一般采用多次旋覆顯影液：第一次涂覆、保持1030秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。然后用去離子水沖洗（去除硅片兩面的所有化學品）并旋轉(zhuǎn)甩干。優(yōu)點：顯影液用量少；硅片顯影均勻；最小化了溫度梯度。顯影中的常見問題：a、顯影不完全（Incomplete Development）。表面還殘留有光刻膠。顯影液不足造

24、成；b、顯影不夠（Under Development）。顯影的側(cè)壁不垂直，由顯影時間不足造成；c、過度顯影（Over Development）。靠近表面的光刻膠被顯影液過度溶解，形成臺階。顯影時間太長。2.2.10硬烘方法：熱板，100130C（略高于玻璃化溫度Tg），12分鐘。目的：a、完全蒸發(fā)掉光刻膠里面的溶劑（以免在污染后續(xù)的離子注入環(huán)境，例如DNQ酚醛樹脂光刻膠中的氮會引起光刻膠局部爆裂）；b、堅膜，以提高光刻膠在離子注入或刻蝕中保護下表面的能力；c、進一步增強光刻膠與硅片表面之間的黏附性；d、進一步減少駐波效應（Standing Wave Effect）。3、光刻技術(shù)的具體應用（以N

25、阱CMOS工藝為例）N阱CMOS工藝平面圖如下圖： 圖3.13.1 N阱制作3.1.1.在p襯底上進行n阱注入圖 3.23.1.2.曝光圖3.3圖3.43.1.3,n阱注入圖3.5圖3.63.2.有源區(qū)的形成圖3.7圖3.83.3,生成多晶柵圖3.9圖3.103.4.源/漏注入圖3.11圖3.123.5.接觸、金屬化、及保護層圖3.13圖3.14最終結(jié)果如下：圖3.154、光刻技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)隨著集成電路的發(fā)展，特征尺寸不斷變小，現(xiàn)有的光刻技術(shù)幾乎達到了物理極限，于是國內(nèi)外紛紛投入巨資開發(fā)既具有高分辨力又成本低的新的光刻技術(shù)，為了把握下一代光刻技術(shù)發(fā)展的主流，必須正確認識傳統(tǒng)光科技術(shù)的極限，并了

26、解下一代光刻技術(shù)。4.1 光學光刻的物理極限通常情況下，對一臺光學投影光刻系統(tǒng)而言，極限指的是光分辨力的物理極限。光分辨力R可以用瑞利公式表示R=k1/NA式中:k1為工藝因子，為曝光波長，NA為投影光刻物鏡的數(shù)值孔徑。不難看出，提高光刻分辨力可以通過降低工藝因子k1，縮短波長，和提高投影物鏡的數(shù)值孔徑NA實現(xiàn)。下面具體分析傳統(tǒng)光刻分辨力的極限及對應的改進措施。4.1.1降低工藝因子K1對實驗環(huán)境，工藝因子可降低至0.5，而生產(chǎn)環(huán)境一般為0.7，要想使工藝因為最小，就只有當掩膜設計，照明條件和抗蝕劑工藝同時達到最佳化時才能實現(xiàn)?？墒沁@些條件并不容易滿足，經(jīng)過10年的努力，工藝因子在生產(chǎn)中僅僅達

27、到了0.4，而且當k1降低到0.25時就達到了物理極限。4.1.2 提高數(shù)值孔徑在增大物鏡的數(shù)值孔徑方面，由目前193nmArF光刻機的數(shù)值孔徑已達0.85，比最初的0.28增大了300%.但是這個數(shù)值已經(jīng)接近極限了，再進一步提高幾乎是不可能的了。4.1.3 縮短曝光波長在光源方面，經(jīng)歷了g線（436nm）-i線(365nm)遠紫外線(248nm)深紫外線（193nm）4個階段。如果采用更短的波長，則需要更復雜的光源系統(tǒng)，成本會大大增加。同時，波長越來越短又造成了焦深的大大減小，從而帶來一系列問題。不過相對于以上兩個方向，通過縮短波長這一舉措來提高分辨力還是最可行的，因為目前還沒有達到接近其物

28、理極限的水平。下面介紹幾種新一代的光刻技術(shù)：a.極紫外光刻（EUVL）極紫外光刻用波長為10-14納米的極紫外光作 光源。雖然該技術(shù)最初被稱為軟X射線光刻，但實際上更類似于光學光刻。所不同的是由于在材料中的強烈吸收，其光學系統(tǒng)必須采用反射形式。極紫外光已經(jīng)是光學光源的極限了，所以下一步也許就該考慮非光學光源的研究了。b.X射線光刻（XRL）XRL光源波長約為1納米。由于易于實現(xiàn)高分辨率曝光，自從XRL技術(shù)在70年代被發(fā)明以來，就受到人們廣泛的重視。XRL的主要困難是獲得具有良好機械物理特性的掩膜襯底。近年來掩膜技術(shù)研究取得較大進展。SiC目前被認為是最合適的襯底材料。由于與XRL相關(guān)的問題的研究已經(jīng)比較深入，加之光學光刻技術(shù)的發(fā)展和其它光刻技術(shù)的新突破，XRL不再是未來惟一的候選技術(shù)，美國最近對XRL的投入有所減小。盡管如此，XRL技術(shù)仍然是不可忽視的候選技術(shù)之一。c.電子束光刻（EBL）電子束光刻采用高能電子束對光刻膠進行曝光從而獲得結(jié)構(gòu)圖形，由于其德布羅意波長為0.004納米左右，電子束光刻不受衍射極限的影響，可獲