第八章_基本光刻工艺流程-表面准备到曝光

第八章基本光刻工艺流程-表面准备到曝光

概述

最重要的光刻工艺是在晶圆表面建立图形。这一章是从解释基本光刻工艺十步法和讨论光刻胶的化学性质开始的。我们会按照顺序来介绍前四步（表面准备到对准和曝光）的目的和执行方法。

目的

完成本章后您将能够：

1．勾画出基本的光刻工艺十步法制程的晶圆截面。

2．解释正胶和负胶对光的反应。

3．解释在晶圆表面建立空穴和凸起所需要的正确的光刻胶和掩膜版的极性。4．列出基本光刻十步法每一步的主要工艺选项。

5．从目的4的列表中选出恰当的工艺来建立微米和亚微米的图形。

6．解释双重光刻，多层光刻胶工艺和平整化技术的工艺需求。

7．描述在小尺寸图形光刻过程中，防反射涂胶工艺和对比增强工艺的应用。8．列出用于对准和曝光的光学方法和非光学方法。

9．比较每一种对准和曝光设备的优点。

介绍

光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面层上的所规定的特定区域的基本操作（图8.1）。Photolithography是用来定义这个基本操作的术语。还有其它术语为Photomasking, Masking, Oxide或者Metal Removal （OR,MR）和Microlithography。

光刻工艺是半导体工艺过程中非常重要的一道工序，它是用来在不同的器件和电路表面上建立图形（水平的）工艺过程。这个工艺过程的目标有两个。首先是在晶圆表面建立尽可能接近设计规则中所要求尺寸的图形。这个目标被称为晶圆的分辨率（resolution）。图形尺寸被称为电路的特征图形尺寸（feature size）或是图像尺寸（image size）。

第二个目标是在晶圆表面正确定位图形（称为Alignment或者Registration）。整个电路图形必须被正确地定位于晶圆表面，电路图形上单独的每一部分之间的相对位置也必须是正确的（图8.2）。请记住，最终的图形是用多个掩膜版按照特定的顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来的。图形定位的的要求就好像是一幢建筑物每一层之间所要求的正确的对准。很容易想象，如果建筑物每一层和每一层不能很好地对准，那么它会对电梯以及楼梯带来什么样的

影响。同样，在一个电路中，如果每层和它的上一层不能很好地对准可能会导致整个电路的失效。

因为在光刻蚀工艺过程中的每一步都会有变异，所以对特征图形尺寸和缺陷水平的控制是很难的。光刻的过程是一个权衡的过程（请看光刻工艺每一步的介绍）。除了对特征图形尺寸和图形对准的控制，在工艺过程中的缺陷水平的控制同样也是非常重要的。光刻操作步骤的数目之多和光刻工艺层的数量之大可以看出光刻工艺在半导体工艺过程中是一个主要的缺陷来源。

图8.1 基本光刻工艺

Wafer 晶圆

Surface layer 表面层

Patterned layer 图形层

图8.2 五层掩膜的硅栅二极管

Gate mask 栅掩膜

Well mask 阱掩膜

Contact mask 接触掩膜

Metal mask 金属掩膜

Pad mask PAD掩膜

光刻蚀工艺概述

光刻蚀工艺是和照相、蜡纸印刷比较接近的一种多步骤的图形转移过程。首先是在掩膜版上形成所需要的图形，之后通过光刻工艺把所需要的图形转移到晶圆表面的每一层。

图形转移是通过两步来完成的。首先，图形被转移到光刻胶层（图8.3）。光刻胶是和正常胶卷上所涂的物质比较相似的一种感光物质。曝光后会导致它自身性质和结构的变化。如图8.3所示，光刻胶被曝光的部分由可溶性物质变成了非溶性物质。这种光刻胶类型被称为负胶，这种化学变化称为聚合（polymerization）。通过化学溶剂（显影剂）把可以溶解的部分去掉，在光刻胶层就会留下一个孔，这个孔就是和掩膜版不透光的部分相对应的。

图8.3 第一次图形转移－掩膜/图形到光刻胶层

Process Step 工艺步骤

Purpose 目的

Alignment and exposure 对准和曝光（目的是掩膜版和图形在晶圆上的精确对准，和光刻胶的曝光。负胶是聚合的）

Development 显影（目的是去除非聚合的光刻胶）

Mask/Reticle 掩膜/图形

Resist 光刻胶

Oxide layer氧化层

Wafer 晶圆

第二次图形转移是从光刻胶层到晶圆层（图8.4）。当刻蚀剂把晶圆表面没有被光刻胶盖住的部分去掉的时候，图形转移就发生了。光刻胶的化学性决定了它不会在化学刻蚀溶剂中溶解或是慢慢溶解；它们是抗刻蚀的（etch resistant），因此它们称作Resist或是Photoresist。

在图8.3和图8.4的例子中，晶圆表面形成了空穴。空穴的形成是由于在掩膜版上那一部分是不透光的。如果掩膜版的图形是由不透光的区域决定的，称为亮场掩膜版（clear field mask）（图8.5）。而在一个暗场掩膜版中，在掩膜版上图形是用相反的方式编码的。如果按照同样的步骤，就会在晶圆表面留下凸起（图8.6）。

刚刚我们介绍了对光有负效应的光刻胶，称为负胶。同样还有对光有正效应的光刻胶，称为正胶。光可以改变正胶的化学结构从不可溶到可溶。这种变化称为光溶解（photosolubilization）。图8.7显示了用正胶和亮场掩膜版在晶圆表面建立凸起的情况。

图8.4 第二次图形转移－从光刻胶层到晶圆层

Process Step 工艺步骤

Etch 刻蚀（目的是将晶圆顶层通过光刻胶的开口去除）

Purpose 目的

Photoresist removal（strip）光刻胶去除（目的是从晶圆上去除光刻胶层）

Oxide layer 氧化层

Resist 光刻胶

Wafer 晶圆

图8.5 掩膜/图形的极性

Light field 亮场

Dark field 暗场

图8.6 光刻中的空穴和凸起

Photomasking Hole 光刻的空穴

Phtomasking island 光刻的凸起

图8.8显示了用不同极性的掩膜版和不同极性的光刻胶相结合而产生的结果。通常来讲我们是根据尺寸控制的要求和缺陷保护的要求来选择光刻胶和掩膜版极性，从而使电路工作的。这些问题会在这一章的工艺部分讨论。

光刻十步法

把图像从掩膜版上转移到晶圆表面是由多个步骤来完成的（图8.9）。特征图形尺寸、对准容忍度、晶圆表面情况和光刻层数都会影响到特定光刻工艺的难易程度和每一步骤的工艺。许多光刻工艺都被定制成特定的工艺条件。然而，大部分都是基本光刻十步法的变异或选项。我们所演示的这个工艺过程是一个亮场掩膜