半导体工艺-图形曝光与光刻

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1、图形曝光与光刻现代半导体器件物理与工艺PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices2004,7,30图形曝光与刻蚀图形曝光（lithography）是利用掩模版（mask）上的几何图形，通过光化学反应，将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜层上（光致抗蚀剂、光刻胶、光阻）的一种工艺步骤。这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域，如离子注入、接触窗与压焊垫区。而由图形曝光所形成的抗蚀剂图案，并不是电路器件的最终部分，而只是电路图形的印模。为了产生电路图形，这些抗蚀剂图案

2、不像再次转移至下层的器件层上。这种图案转移是利用腐蚀工艺，选择性地将未被抗蚀剂掩蔽的区域除去。光学图形曝光－洁净室在集成电路制造中，主要的图形曝光设备是利用紫外光[λ=0.2-0.4μm]的光学仪器。主要讨论曝光装置、掩模版、抗蚀剂与分辨率。尘埃粒子在掩模版图案上所造成的不同腐蚀的影响在IC制造中必须要求洁净的厂房，特别是图形曝光的工作区域，因为尘埃可能会粘附于晶片或掩模版上造成器件的缺陷从而是电路失效。英制系统等级数值是每立方英尺中直径大于或等于0.5um的尘埃粒子总数不准超过设计等级数值。公制系统等级数值是每立方米中

3、直径大于或等于0.5um的尘埃粒子总数不准超过设计等级数值（以指数计算，底数为10）。光刻机光刻机的性能由三个参数判断：分辨率、套准精度与产率。分辨率：能精确转移到晶片表面抗蚀剂膜上图案的最小尺寸；套准精度：后续掩模版与先前掩模版刻在硅片上的图形相互对准的程度；产率：对一给定的掩模版，每小时能曝光完成的晶片数量。光学曝光方法：遮蔽式曝光和投影式曝光。遮蔽式曝光：可分为掩模版与晶片直接接触的接触式曝光和二者紧密相邻的接近式曝光。若有尘埃或硅渣嵌入掩模版中，将造成掩模版永久性损坏，在后续曝光的晶片上形成缺陷。投影式曝光：在掩

4、模版与晶片间有一距离，10-50um。但这一间隙会在掩模版图案边缘造成光学衍射。导致分辨率退化。投影式曝光对遮蔽式曝光，最小线宽（临界尺寸）可用下式表示其中，λ是曝光光源的波长，g是掩模版与晶片间的间隙距离。当λ与g减小时，可以得到lCD缩小的优势。然而，当给定一个g，任何大于g的微尘粒子都会对掩模版造成损坏。一个投影系统的分辨率可以表示为λ是光源波长，k1为与工艺有关的参数，DNA是数值孔径。DNA的定义为N是影像介质的折射率，θ是圆锥体光线聚于晶片上一点的半角度值。其聚焦深度为简单的成像系统由于有较高的光强度与稳定度

5、，高压汞灯被广泛用作曝光光源。掩模版用于IC制造的掩模版通常为缩小倍数的掩模版。掩模版的第一步为设计者用CAD系统完整地将版图描绘出来。然后将CAD得到的数据信息传送到电子束图形曝光的图形产生器。再将图案直接转移至对电子束敏感的掩模版上。掩模版是由融凝硅土的基底覆盖一层铬膜组成。电路图案先转移至电子敏感层进而转移至底下的铬膜层，掩模版便完成了。一般而言，一组完整的IC工艺流程包含10-20道不同的掩模版。标准尺寸的掩模版衬底由15×10cm2、0.6cm厚的融凝硅土制成。掩模版尺寸是为了满足4:1与5:1的曝光机中透镜透

6、光区域的尺寸。厚度的要求是避免衬底扭曲而造成图案位移的错误。融凝硅土衬底则利用其热膨胀系数低，对短波长光的透射率高与高机械强度。IC掩模版缺陷密度是掩模版好坏的主要原因之一。掩模版缺陷可能在制造掩模版时或是接下来的图形曝光工艺步骤中产生。即使是一个很小的掩模版缺陷密度都会对IC的成品率产生很大的影响。成品率的定义是：每一晶片中正常的芯片数与中芯片数之比。若取一级近似，某一层掩模版与成品率Y之间的关系式为D为每单位面积致命缺陷的平均数；A为IC芯片的面积。若D对所有的掩模版层都是相同值（如N＝10层），则最后成品率为10道

7、掩模版的成品率，每道掩模版中包含不同缺陷密度所产生的影响抗蚀剂抗蚀剂是对光敏感的化合物，依其对光照的反应分成正性和负性。正性抗蚀剂：被曝光的区域将变得较易溶解，可以在显影步骤时较容易被去除。所产生的图案将会与掩模版上的图案一样。负性抗蚀剂：被曝光区域的抗蚀剂将变得较难溶解，所产生的图案与掩模版上的相反。正性抗蚀剂包括：感光化合物、树脂基材和有机溶剂；曝光后，曝光区的感光化合物因吸光改变了本身的化学结构而可以溶解于显影液中。负性抗蚀剂包括：聚合物和感光化合物合成。曝光后，感光化合物吸收光变成化学能而引起聚合物链反应，是聚合

8、物分子发生交联，变得难溶解于显影液中。缺点：显影中抗蚀剂吸收显影液而膨胀，限制了分辨率。曝光、显影后残存抗蚀剂的百分率与曝光能量有关。值得注意的是，即使未被曝光，少量抗蚀剂也会溶解。当曝光能量增加，抗蚀剂的溶解度也会增加，直到阈值能量ET时，抗蚀剂完全溶解。正抗蚀剂的灵敏度定义为曝光区域抗蚀剂完全溶解时所需的能量。除