利用光刻形成接触孔和布线层的实例
光刻技术是一类特殊的照相制版技术,它是采用掩模(mask)将电路图形由光刻胶转写-显影,经刻蚀,形成需要的电路图形。该工程依场所不同也简称为photolitho-工程、photo-工程、litho-工程等。图形曝光中使用的缩小投影曝光装置(Steper)是半导体制造装置中最为昂贵的,属于超高精密光学仪器。器件制造中要经过分步相机20~30次的反复曝光,因此光刻工程是IC芯片制程的中枢。
在半导体基板上形成绝缘膜。此处,在绝缘膜的下方,半导体元件的一部分已预先形成扩散层。此扩散层的作用是实现电气接触,因此需要在绝缘膜上开孔。这便是接触孔图形。为此,需要在已形成的绝缘膜上涂布称为光刻胶的感光性树脂。一般,光刻胶膜的厚度在0.5~1μm,采用旋转涂布法涂布。膜层经℃左右的热处理,使光刻胶中的有机溶剂挥发。此后,采用紫外线,用掩模图形对光刻胶投影,则在光刻胶中形成掩模图形的潜像。在此,作为接触孔图形,是按所希望的位置开出相对应的孔。接着进行曝光后的坚膜烘焙,烘焙温度一般在~℃。此后,利用显影液进行显影处理。
光刻胶材料分正型和负型两种,前者掩模图形透光部分曝光的光刻胶溶解于显影液,而后者掩模图形透光部分曝光的光刻胶在显影液中不溶解。通过掩模图形的明暗与光刻胶种类的组合,可获得所希望的图形。工业上正型光刻胶使用较多。
曝光,显影:
在微影曝光工程中,首先要在硅圆片表面均匀地涂布感光性树脂光刻胶,涂布操作需要在涂胶机(Coating)中进行。在涂胶机中,将硅圆片固定在旋转甩胶台上,抽真空,由上方的喷嘴向硅片表面中心滴入液态光刻胶,由于硅圆片高速旋转,从而在表面形成均匀的光刻胶薄膜。光刻胶的感光性对温度、湿度很敏感,在超净工作间内操作光刻胶的区域要用特殊的橙色光照明,而且必须特别注意控制温度和湿度。
涂布好光刻胶的硅圆片,要装在称作步进重复曝光机的曝光装置中进行掩模图形的复制。对于不同光源的光,采用各种各样的透镜系统,通常利用实际图形5倍大小的掩模,进行缩微投影,先对一个芯片进行曝光,此后通过步进重复(step-and-repeat),对整个硅圆片进行扫描。
决定步进重复曝光机性能的两大要素,一是光的波长,二是透镜的数值孔径(NA)。换句话说,能稳定地形成多么微细的图形取决于这两个因素,要想得到更高的分辨率,需要利用波长更短的光和数值孔径更大的透镜。但与此同时,焦点的深度也会变浅,由于元件表面凹凸很多,如果焦点深度太浅,芯片内部就会出现结像不实的状态,从而也就难以形成微细化的图形。因此,为了实现图形的微细化,必须同时对元件表面进行平坦化处理。
曝光后的硅圆片在经过PEB(PostExposureBake:曝光后烘烤)后,进行显影(又称显相)处理。用g线及i线对光刻胶曝光时,由于驻波的影响,光刻胶图形的边沿会变成微型锯齿状。上述PEB处理的目的之一是消除这种微小缺陷,另一个目的是,对于准分子激光光刻胶来说,可以通过催化反应加速酸的产生。显影要在显影机(Developer)中进行,将强碱性显影液TMAH[N(CH3)4OH]滴在或喷射在硅圆片上。
显影处理中所利用的光化学反应,对于g线、i线光刻胶和准分子激光光刻胶是不同的,但最为重要的是,以“正光刻胶”为例,利用光照射部分光刻胶的化学反应,在碱溶液作用下化学结构发生变化,进而溶于显影液中。而未被光照射部分的光刻胶图形则不发生变化而保留下来。显影后的硅圆片要在烘箱中热处理,以使光刻胶中残留的冲洗液及水分蒸发,同时增加光刻胶的热稳定性。在此之后送入干法刻蚀工序。
光刻工程:
从在基板上涂布光刻胶开始,而后,进行曝光、显影、刻蚀、去除使用过的光刻胶等一系列步骤。将整个工艺流程分成前半和后半两部分,前半部分是电路图形向光刻胶膜的转写,即对光刻胶进行处理的工序;后半部分是利用该光刻胶图形对基体膜进行加工的工序。后半工序包括蚀刻和光刻胶去除两步。
电路图形是利用曝光装置,通过光刻掩模,在光刻胶上选择性地照射紫外光,利用光刻胶内部的光化学反应,形成电路图形的潜像。通过对该潜像显影,形成光刻胶图形。
现在的曝光装置仅从20世纪60年代算起,就经历过多次的技术革新,且早已进入缩小投影曝光装置(Steper)时代。随着图形微细化的进展,其性能也不断提高,使用的光源已进入到紫外、远紫外、深紫外(deepUV)区域。Steper是由光学设备厂商提供的半导体制造装置,由照明系统、透镜系统、精密移动台架等组成,属于高度精密设备。它是依照半导体制造技术路线图,依照明确的技术目标设定而开发的,半导体器件厂商对于Steper厂商的依赖度几乎达%。
光刻胶(感光性树脂)是由化学品厂商提供的,每个时代所用的光刻胶对于紫外线波长来说都有足够的灵敏度(感度),这是为得到高图像分辨率的感光性聚合物材料开发的成果。对金属污染及颗粒混入的管理极为严格,无论同一批次内,还是不同批次间,对于均质性的要求都极为严格,属于精细化学(finechemistry)产品。尽管光刻胶材料本身并非特殊,但用于VLSI,不仅要求极严,而且身价倍增,越是用于短波长的,附加值越高。
在光源短波长化的同时,对光刻胶特性的要求越来越严,烘焙及显影条件等需要更高的管理水平。特别是,KrF、ArF光源光刻用的“化学增幅型光刻胶”更应提起注意,例如,烘焙时的温度管理需要比以前要严格得多。
光刻工艺流程:
随着缩小投影曝光装置(Steper)用光源的短波长化(从g线到i线),光刻胶也在不断改良中。即使在采用准分子激光短波长光源中,也开发出KrF用及ArF光源用的光刻胶。但是,材料仍然不算完善。
传统正型光刻胶还存在吸收这些短波长的光后难以分解的倾向。与之对应,最近化学增幅型光刻胶的概念引起人们的
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