-
半导体工艺讲解
(1)--
掩模和光刻（上）<
/p>
概述
光刻工
艺是半导体制造中最为重要的工艺步骤之一。
主要作用是将掩膜板上
的图形复制到硅片上，
为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备。
光刻的成
本约为整个硅片制造工艺的
1/3
，耗费时间约占整个硅片工艺的
40
～
60%
。
光刻机是生
产线上最贵的机台，
5
～
15
百万美元
/
台。主要是贵在成像系统
（由
15
～
20
个直
径为
200
～
300mm
的透镜组成）和定位系统（定
位精度小于
10nm
）。其折旧速度非常快，大约
3
～
9
万人民币
/
天，所以也称之为印钞机。
光刻部分的主
要机台包括两部分：轨道机（
Tracke
r
），用于涂胶显影；扫描曝
光机（
S
canning )
光刻工艺的要
求：光刻工具具有高的分辨率；光刻胶具有高的光学敏感性；
准确地对准；大尺寸硅片的
制造；低的缺陷密度。
光刻工艺过程
一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶
、软烘、
对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。
1
、硅片清洗烘干（
Cleaning and Pre-
Baking
）
方法：湿法清洗＋去
离子水冲洗＋脱水烘焙（热板
150
～
2500C,1
～
2
分钟，
氮气保护）
目的：
a<
/p>
、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；
b
、
除去水蒸气，
是基底表面由亲水性变
为憎水性，
增强表面的黏附性
（对光刻胶或
者是
HMDS-
〉六甲基二硅胺烷）。
2
、涂底（
Priming)<
/p>
方法：
a
、气
相成底膜的热板涂底。
HMDS
蒸气淀积，
200
～
2500C,30
秒钟；
优点：涂底均匀、避免颗粒污染；
b
、旋转涂底。缺点：颗粒污染、涂底不均
匀、
HMDS
用量大。
目的：使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性。
3
、旋转涂胶（
Spin-on PR
Coating
）
方法：
a
、静态涂胶（
Static
）。硅片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发
溶剂（原光刻胶的溶剂约占
65
～
85%,
旋涂后
约占
10
～
20%
）；
b
、动
态（
Dynamic
）。低速旋转（
5
00rpm_rotation per minute
）、滴胶、
加速旋转（
3000rpm
）、甩胶、挥发溶剂。
决定光刻胶涂胶厚度的关键参数：光刻胶的黏度（
Viscosity
），黏度越低，
光刻胶的厚度越薄；旋
转速度，速度越快，厚度越薄；
影响光刻胶厚度均运性的参数
：
旋转加速度，
加速越快越均匀；
与旋
转加速
的时间点有关。
一般旋涂光刻
胶的厚度与曝光的光源波长有关
（因为不同级别的曝光波长对
应
不同的光刻胶种类和分辨率）：
I-line
最厚，约～
3μm
；
KrF<
/p>
的厚度约～
μm
；
ArF
的厚度约～
μm
。
4
、软烘（
Soft
Baking
）
方法：真空热板，<
/p>
85
～
120
℃
,30
～
60
秒；
目的：除去溶剂（
4
～
7%
）；增强黏附性；释放光刻胶膜内的应力；
防止光
刻胶玷污设备；
边缘光刻胶的
去除（
EBR
，
Edge Bead
Removal
）。光刻胶涂覆后，在硅片边
缘的正反两面都会
有光刻胶的堆积。
边缘的光刻胶一般涂布不均匀，
不能得到很<
/p>
好的图形，
而且容易发生剥离
（
Peeling
）
而影响其它部分的图形。
所以需要去除。
方法：
< br>a
、化学的方法（
Chemical EBR
）。软烘后，用
PGMEA
或
EGMEA
去
边溶剂，喷出少量在正反面边缘出，并小心控
制不要到达光刻胶有效区域；
b
、
光学
方法（
Optical EBR
）。即硅片边缘曝光（
WEE
，
Wafer Edge Exposu
re
）。在
完成图形的曝光后，用激光曝光硅片边缘，然后在显
影或特殊溶剂中溶解
5
、对准并曝光（
Alignment
and Exposure
）
对准方
法：
a
、
预对准，
通过硅片上的
notch
或者
fl
at
进行激光自动对准；
b
、
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（
Overla
y
），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（
F
ocus
）。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
：
a
、接触式曝光（
Contact
Printing
）
。掩膜板直接与光刻胶层
< br>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〉
μm
。
< br>
b
、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
< br>。
c
、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：
扫描投影曝光（
Scanning Project Prin
ting
）。
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，
μm
（
I line<
/p>
）～
μm
（
DU
V
）。掩膜板缩小比例（
4
：
1
），曝光
区域（
Ex
posure Field
）
22×22mm
< br>（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
）。
9
0
年代末～至今，
用于
≤μm
工艺。
采用
6
英寸的掩
膜板按照
4
：
1
的比例曝光，
曝光区域
（
Expos
ure
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<
/p>
（
Monitor Chip
）。根据不同的检测控制对象，可以分为以下几
种：
a
、颗粒控片（
Particle MC
< br>）：用于芯片上微小颗粒的监控，使用前其颗粒
数应小于
10
颗；
b
、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；
c
、
焦距控片（
Focus MC
）：作为光
刻机监控焦距监控；
d
、关键尺寸控片（
Critical Dimension MC
）：用于光刻区关
< br>键尺寸稳定性的监控；
e
、光刻胶厚度控片（
PhotoResist Thickness MC
）：光刻胶
厚度测量；
f
、光刻缺陷控片（
PDM
，
Photo Defect
Monitor
）：光刻胶缺陷监控。
举例：
μm
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
：～；
焦深
DOF
：
μm
分辨率
Resolution
：
～
μm
（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
～
60wafer
s/hour
（
200mm
）；
视场尺寸
Field Size
：
25×32mm
；
6
、后烘（
PEB
< br>，
Post Exposure
Baking
）
< br>方法：热板，
110
～
1300
C,1
分钟。
目的：
a
、减少驻波效应；
b
、激发化学增强光刻胶的
PAG
产生的酸与
光刻
胶上的保护基团发生反应并移除基团使之能溶解于显影液。
7
、显影（
Development<
/p>
）
方法：
a<
/p>
、整盒硅片浸没式显影（
Batch Development<
/p>
）。缺点：显影液消耗
很大；显影的均匀性差；
< br>b
、连续喷雾显影（
Continuous Spray
Development
）
/
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。
c
< br>、水坑（旋覆浸没）式
显影（
Puddle Devel
opment
）。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，<
/p>
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<
/p>
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：
< br>a
、
正性光刻胶的显影液。
正胶
的显影液位碱性水溶液。
KOH
和
Na
OH
因为会带来可
动离子污染（
MIC
，
Movable Ion Con
tamination
），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（
TM
AH
）（标准当量浓度
为，温度
15
～
250C
）
。在
I
线光刻胶曝光中会生成羧酸，
T
MAH
显影液中的碱
与酸中和使曝光的光刻胶溶解于显影液，<
/p>
而未曝光的光刻胶没有影响；
在化学放
大
光刻
胶
（
C
AR
，
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<
/p>
快速溶
解于
TMAH
显
影液中。整个显影过程中，
T
MAH
没有同
PHS
发生反应。
b
、负性
光刻胶的显影液。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：
a
、显影不完全（
Incomplete Dev
elopment
）。表面还残
留有光刻胶。显影液不足造成；
b
、显影不够（
Under Deve
lopment
）。显影的侧
壁不垂直，由显影时间不足造成；
c
、过度显影（
Over Devel
opment
）。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。
8
、硬烘（
Hard
Baking
）
方法：热板，
100
～
1300C
（略高于玻璃化温度
Tg
），
1
～
2
分钟。
目的：
a
、完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂（以
免在污染后续的离子注入环境，
例如
DNQ
酚醛树脂
光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂）；
b
、坚膜，以提高
光刻胶在离子注入或刻蚀中
保护下表面的能力；
c
、进一步增强光刻胶与硅片表
面之间的黏附性；
d
、进
一步减少驻波效应（
Standing Wave
Effect
）。
常见问题：
a
、烘烤不足（
Underbake
）。减弱光刻胶的强度（抗刻蚀能力和
离子注入中
的阻挡能力）；降低针孔填充能力（
Gapfill
Capability for the needle
hole
）；降低与基底的黏附能力。
b
、烘烤过度（
Overbake
）。引起光刻胶的流
动，使图形精
度降低，分辨率变差。
另外还可以用深紫外线（
DUV
，
Deep Ultra-Violet
）坚膜。使正性光刻胶树脂
发生交联形成一层薄的表面硬壳，
增加光刻胶的热稳定性。
在后面的等离子刻蚀
和离子注入（
125
～
2000C
）工艺中减少因光刻胶高温流动而引起分辨率的降低。
光学基础
光的反射（
reflection
）。光射到任何表面的时候都会发生反射，并且符合反<
/p>
射定律：
入射角等于反射角。在曝光的
时候，光刻胶往往会在硅片表面或者金
属层发生反射，
使不希望
被曝光的光刻胶被曝光，
从而造成图形复制的偏差。
常
常需要用抗反射
涂层
（
ARC
，
Anti-
Reflective Coating
）
来改善因反射造成的
缺陷。
光的折射
（
< br>refraction
）
。
光通
过一种透明介质进入到另一种透明介质的时候，
发生方
向的改变。主要是因为在两种介质中光的传播速度不同（
λ=v/f<
/p>
）。直观
来说是两种介质中光的入射角发生改变。
所以我们在
90nm
工艺中利用高折射率
的水
为介质（空气的折射率为，而水的折射率为）
，采用浸入式光刻技术，从
而提高了分辨率。而且这种技术有可能将被沿用至
45nm
工艺节点。
光的衍射或者绕射（
diffraction
< br>）。光在传播过程中遇到障碍物（小孔或者
轮廓分
明的边缘）时，会发生光传播路线的改变。曝光的时候，掩膜板上有尺
寸很小的图形而且间距很窄。
衍射会使光部分发散，
导致光刻
胶上不需要曝光的
区域被曝光。
衍射现象会造成分辨率的下降。
<
/p>
光的干涉（
interference
）
。波的本质是正弦曲线。任何形式的正弦波只要
具有相同的频率就能相互干涉，即相长相
消：相位相同，彼此相长；相位不同，
彼此相消。
在曝光的过程
中，
反射光与折射光往往会发生干涉，
从而降低了图形
特征复制的分辨率。
调制传输函数（
MTF, Modulation
Transfer Function
）。用于定义明暗对比度
的参数。即分辨掩膜板上明暗图形的能力，与光线的衍射效应密切相关。
MTF=(Im
ax- Imin)/(Imax+Imin)
，好的调制传输函数，就会得到更加陡直
的光刻胶
显影图形，即有高的分辨率。临界调制传输函数
（
CMTF,Critical Modulation
Transfer Function
）。主要表征光刻胶本身
曝光对比度的参数。即光刻胶分辨透
射光线明暗的能力。
一般来
说光路系统的调制传输函数必须大于光刻胶的临界调
制传
输函数，即
MTF>CMTF
。
数值孔径（
NA,
Numerical Aperture
）。透镜收集衍射光（聚光）的能力。
NA=n*sinθ=n*
（透镜半径
/
透镜焦长）。一般来说
NA
大小为
~
。提高数值孔径的
方法：
1
、提高介质折射率
n
，采用水代替
空气；
2
、增大透镜的半径；
分辨率
（
Resolution
）
。
区分临近最小尺寸图形的能力。
R=kλ/(NA)=(n*sinθ)
。
提高分辨率的方法：
1
、减小光源的波长；<
/p>
2
、采用高分辨率的光刻胶；
3
、增大
透镜半径；
4
、
采用高折射率的介质，
即采用浸入式光刻技术；
5
、
优化光学棱
镜
系统以提高
k
（
~
）值（
k
是标志工
艺水平的参数）。
焦深（
DOF
，
Depth of Focus
）。表示焦点周围的范围，在该范围内图像连续
地保持清晰。
焦深是焦点上面和下面的范围，
焦深应该穿越整个光刻胶层的上下
表面，这样才能够保证光
刻胶完全曝光。<
/p>
DOF=kλ/(NA)2
。增大焦深的方法：
< br>1
、
增大光源的波长；
2
、采用小的数值孔径；
3
、利用
CMP
进行表面平坦化。由于
前两种方法会
降低分辨率，而分辨率是芯片制造所努力提升的重要参数，因此
我们需要在看上去相互矛盾的两个方面做出某种平衡。
一般在保证基本
的焦深要
求下不降低分辨率，
即以分
辨率为主。所以，现在一般采用
CMP
平坦化技术保
证足够的焦深。
掩膜板
/
光罩
掩膜板
/
光罩（
Photo Mask/Reticle
）硅片上的电路元件图形都来自于版图，
因此掩膜板的质量在光刻工艺中的扮演着非常重要的角色。
1
、掩膜板的分类：
光掩膜板（
Photo Mask
）包
含了整个硅片的芯片图形特征，进行
1
：
1
图形
复制。这种掩膜板用于比较老的接近式光刻和扫描对准
投影机中。
投影掩膜板（
Reticle
）只包含硅片上的一部分图形（例如四个芯片），一般<
/p>
为缩小比例
（一般为
< br>4
：
1
）。需要步进重复来完成
整个硅片的图形复制。一般
掩膜板为
6X6inch
（
152mm
）大小，厚度约为
< br>”~”
（
~
）。投影掩膜板的
优点：
1
、
投影掩膜板的特征尺寸较大
（
4×
），掩膜板制造更加容易；
2<
/p>
、掩膜板上的缺陷
会缩小转移到硅片
<
/p>
上，对图形复制的危害减小；
3
、使曝光
的均匀度提高。
2
、掩膜板的制造：
掩膜板的基材一般为熔融石英（
qu
artz
），这种材料对深紫外光（
DUV
，
KrF-248nm
，
ArF-
193nm
）
具有高的光学透射，
而且
具有非常低的温度膨胀和低的
内部缺陷。
掩膜板的掩蔽层一般为铬（
Cr
，
Chromium
）。在基材上面溅射一层铬，铬
层的厚度一般
为
800~1000
埃，在铬层上面需要涂布一层抗反射涂层（
ARC
，
Anti-
Reflective Coating
）。
制作过程：
a
、在石英表面溅射一层铬层，在铬层上旋
涂一层电子束光刻胶；
b
、利用电子束（或
激光）直写技术将图形转移到电子束光刻胶层上。电子源产
生许多电子，
这些电子被加速并聚焦
（通过磁方式或者电方式
被聚焦）
成形投影
到电子束光刻胶上，扫描
形成所需要的图形；
c
、曝光、
显影；
d
、湿法或者干
法刻蚀（先进的
掩膜板生产一般采用干法刻蚀）去掉铬薄层；
e
、去除电子束光
刻胶；
d
、粘保护膜
< br>
（
Mount Pellicle
）。保护掩膜板杜绝灰尘（
Dust
）和微小颗
粒
（
Particle
）
污染。
保护膜被紧绷在一个密封框架上，
在掩膜板上方约
5~10mm
。
<
/p>
保护膜对曝光光能是透明的，厚度约为
~12μm
（乙酸硝基氯苯为
μm
；聚酯碳氟
化物为
12μm
）。
3
、掩膜板的损伤和污染
掩膜板是光刻复制图形的基准和蓝本，
掩膜板上的任何缺陷都会对最终图形
精度产生严重的影响。所以掩膜板必须保持
“
< br>完美
”
。
使用掩膜板存在许多损伤来源：掩膜板掉铬；表面擦伤，需要轻拿轻放；静
电放电（
ESD
），在
掩膜板夹子上需要连一根导线到金属桌面，将产生的静电导
出。另外，不能用手触摸掩
膜板；灰尘颗粒，在掩膜板盒打开的情况下，不准进
出掩膜板室（
Mask Room
），在存取掩膜板时室内最多保持
2
人。
因为掩膜板在整个制造工艺中的地位
非常重要。
在生产线上，
都会有掩膜板
管理系统
（
RTMS
，
Reticle Management System
）
来跟踪掩膜板的历史
（
History
）
、
现状（
Status
）、位置（
Location
）等相关信息，以
便于掩膜板的管理。
光刻胶
光刻胶是一种有机化合物，
它受紫外光曝光后，
在显影液中的溶解度会发生
变化。一般光刻胶以液态涂覆在硅片表面上，曝光后烘烤成
固态。
1
、光刻胶的作用：
a
、将掩膜板上的图形转移到硅片表面的氧化层中；
b
、
在后续工序中，保护下面的材料（刻蚀或离子注入）。
2
、光刻胶的物理特性参数：
a
、分辨率（
resolution
）。区别硅片表面相邻图形特征的能力。一般用关键
尺寸（
CD
，
Critical Dimensi
on
）来衡量分辨率。形成的关键尺寸越小，光刻胶的
分辨率越
好。
b
、对比度（
Contrast
）。指光刻胶从曝光区到非曝光区
过渡的陡度。对比
度越好，形成图形的侧壁越陡峭，分辨率越好。
c
、敏感度（
Sensitiv
ity
）。光刻胶上产生一个良好的图形所需一定波长光的
最小
能量值（或最小曝光量）。单位：毫焦
/
平方厘米或
mJ/cm2
。光刻胶的敏感
性对于波长更短的深
紫外光（
DUV
）、极深紫外光（
EU
V
）等尤为重要。
d
、粘滞性
/
黏度（
Visco
sity
）。衡量光刻胶流动特性的参数。粘滞性随着光
刻胶中
的
溶剂的减少而增加；高的粘滞性会产生厚的光刻胶；越小的
粘滞性，
就有越均匀的光刻胶厚度。光刻胶的比重（
SG
，
Specific Gravity
）是衡
量光刻胶
的密度的指标。
它与光刻胶中的固体含量有关。
较大的比重意味着光刻胶中含有
更多的固体，粘滞性更高、流动性更差
。粘度的单
位：泊（
poise
），光刻胶一
般用厘泊（
cps
，厘泊为
1%
泊）来度量。百分泊即厘泊为绝对粘
滞率；运动粘滞
率定义为：
运动粘滞率
=
绝对粘滞率
/
比重。
单位：
百分斯托克斯
（
cs
）
＝
cps/
SG
。
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