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1、毕业设计（论文）报告题 目 光刻工艺的研究 系 别 尚德光伏学院 专 业微电子技术（液晶显示技术与应用）班 级 0902 学生姓名 赵俊 学 号 090425 指导教师 丁兰 2012年 4 月光刻工艺的研究摘要：光刻工艺是半导体制造中最为重要的工艺步骤之一。最重要的光刻工艺是在晶圆便面建立图形复制到硅片上，为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备。最后的步骤则是光刻胶的显影到最终检验。本文主要介绍了传统光刻技术和高级光刻工艺。开始介绍了光刻工艺的概述，以及光刻蚀工艺的概况。系统介绍了关于光刻蚀和光刻胶的内容，包括光刻胶的组成及正负胶的比较。然后以传统的十步法分类解析其内容，系统的介绍了这十步
2、流程，然后介绍了光刻质量的分析方法。最后为了展望未来光刻工艺的前景，本文又介绍了高级光刻工艺技术，先是提出集成电路中存在的问题，然后介绍了两种新型的光刻工艺技术，进一步深化我们对于光刻工艺的新技术、新工艺的认识。关键词：光刻胶、曝光、最终检验、前景Semiconductor Lithography TechnologyAbstract：Lithography is one of the most important process in semiconductor manufacturing steps. Photolithography process is the most importa
3、nt established copy the graphic to the silicon wafer surface, ready for etching or ion implantation process to be done next. Last step is photoresist developer to the ultimate test. This article primarily describes traditional lithography and advanced Photolithography process. Start the overview of
4、lithography, etching and lithography profiles. Corrosion system introduced on the lithography and photoresists, including composition of the photoresist and positive and negative comparison of rubber. And then the traditional ten-step classification analysis of their content, describes the ten steps
5、 of system processes and describes quality analysis method of lithography. Finally in order to look to the future prospects of lithography, this article also describes advanced lithography technology, first raised problems in the integrated circuit, and then introduced the two new lithography techno
6、logy, further deepening our awareness of new technology and new process of Photolithography process.Key Words : Photoresist、Exposure、Final testing、Prospects目录前言11.1 光刻工艺的概述21.2 光刻蚀工艺概况21.3光刻胶的组成材料及感光原理51.3.1光刻胶的组成材料51.3.3正胶和负胶的比较6第2章 光刻工艺流程72.1 光刻工艺十步法72.1.1 表面准备72.1.2 涂光刻胶72.1.3 软烘焙72.1.4 对准和曝光82.1
7、.5 显影82.1.6 坚膜82.1.7 显影检验92.1.8刻蚀92.1.9光刻胶去除102.1.10最终目检102.2 光刻质量分析112.2.1 溶胶112.2.2 小岛112.2.3 针孔12第3章 高级光刻工艺133.1 ULSI/VLSI集成电路图形处理过程中存在的问题133.2 晶圆表面问题143.2.1 光刻胶的光散现象143.2.2光刻胶里的反射现象143.3 先进光刻胶工艺153.3.1复层光刻胶/表面成像153.3.2铜制造工艺163.3.3化学机械研磨17附录19附录1 ULSI/VLSI19致谢20参考文献21前言光刻工艺作为推动半导体工业的“领头羊”，在半个世纪的进
8、化历程中为整个产业的发展提供了最为有利的技术支撑，历经50年，集成电路已经从上市价60年代的每个芯片上仅有几十个期间发展到现在的每个芯片上可包含约10亿个器件。在摩尔定律的指引下，半导体的集成度一直处于高发展的状态，所以其关键工艺一直以来备受业界的关注。集成电路在制造过程中经历了材料制备、掩膜、光刻、清洗、刻蚀、化学机械抛光等多道程序，其中尤以光刻工艺最为关键，决定着制造工艺的先进程度。随着集成电路由微米级向纳米级发展，光刻采用的光波波长也从近紫外（NUV）区间的436nm、365nm波长进入到深紫外（DUV）区间的248nm、193nm波长。目前大多芯片制造工艺采用了248nm和193nm光
9、刻技术。目前对于13.5nm波长的EUV极端院子外光刻技术研究也在提速前进。光刻工艺世纪城电路关键技术之一,传统的工艺对于中等规模、大规模和某些ULSI集成电路，单层光刻胶成像的基本工艺完全使用。然而随着ULSI/VLSI集成电路要求的特征图形尺寸越来越小，缺陷密度越来越低，这些基本工艺明显力不能及。本文比较系统的介绍了传统光刻的制造工艺：从表面准备到曝光，从曝光到最终检验以及关于一些新工艺及传统工艺的改进等内容。第1章 光刻工艺简介1.1 光刻工艺的概述光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面层上所规定的特定区域的基本操作（参见图1-1）。Photolithography是用来定义这个基本操作的术语。
10、另外其他术语为Photo masking、Masking、Oxide或者Metal Removal（OR,MR）、Microlithography）。图1-1 光刻工艺是半导体工艺中非常最常用的工艺，也是非常关键的工艺之一；它是用来在不同的器件和电路表面上建立（水平）图形的工艺过程。为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备。一般的光刻工艺流程包括前处理、匀胶、前烘、对准曝光、显影、后烘，可以根据实际情况调整流程中的操作。根据曝光方式可分为接触式、接近式和投影式，根据光刻面数的不同有单面对准光刻和双面对准光刻，根据光刻胶类型不同，有薄胶光刻和厚胶光刻。因为在光刻蚀工艺过程中的每一步都会有变异，所
11、以对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。除了对特征图形尺寸对准的控制，在工艺过程中的缺陷水平的控制同样也是非常重要的。1.2 光刻蚀工艺概况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1-2）。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1-2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（polymer
12、ization）。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1-2：第一次图形转换掩膜/图形到光刻胶层第二次图形转移是从光刻胶层到晶圆层（图1-3）。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1-2和图1-3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
13、（clear field mask）（图4）。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1-3 第二次图形转换 图1-4 掩膜/图形的极性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1-5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1-5 图形用正光刻胶和亮场掩膜版转移以建立凸起1.3光刻胶的组成材料及感光原理1.3.1光刻胶的组成材料光刻胶的生产既是为了普通的需求，也是为了特定
14、的需求。它们会根据不同的光的波长和不同的曝光源而进行调试。光刻胶具有特定的热流程特点，用特定的方法配制而成来与特定的表面结合。这些属性是由光刻胶里不同化学成分的类型、数量以及混合过程来决定的。在光刻胶里面有四种基本的成份：聚合物、溶剂、感光剂和添加剂。(如图1-6所示)成份功能聚合物当被对准机光源曝光时，聚合物结构由可容变成聚合（或反之）溶剂稀化光刻胶，通过旋转形成薄膜感光剂在曝光过程中控制和/或调节光刻胶的化学反应添加剂各种添加的化学成分实现工艺效果，例如染色 图1-6 光刻胶的成分1.3.2光刻胶的配制光刻胶的性能好坏与其配制有关。配制的原则是光刻胶既有良好的抗蚀力，又要有较高的分辨率，但
15、两者是相互矛盾的，抗蚀力强的胶要厚，但是光刻胶变后，其分辨率就下降了。因此配制光刻胶时要使两者兼顾为好。负性胶配置材料如下：聚乙烯醇肉桂酸酯 10g 5% 10%5-硝基苊 1g 0.25% 1%环已酮 100ml 90 95% 正性胶配制材料如下： 重氮荼醌磺酸酯 0.2g 酚醛树脂 0.04g 环已树脂 0.02g 乙醇乙醚 4ml配制光刻胶时在暗室中操作，如果是自制光刻胶一定将配置好的光刻胶静置一段时间以后进行过滤，把一些难溶的细小颗粒过滤掉。过滤后的光刻胶装在棕色玻璃瓶中，外加黑色厚纸包裹置于暗室中。1.3.3正胶和负胶的比较到二十世纪七十年代中期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位。随着
16、超大规模集成电路和2微米到5微米图形尺寸范围的出现使负胶的分辨力变得吃紧。正胶存在了20多年，但是它们的缺点是粘连能力差，而且它们良好分辨力和防止针孔能力在那时也并不需要。到了二十世纪八十年代，正胶逐渐渐被接受。这个转换过程是很不容易的。转化到正胶需要改变掩膜版的极性。不幸的是，它不是简单的图形翻转。用掩膜版和两种不同光刻胶结合而在晶圆表面光刻得到的尺寸是不一样的。由于光在图形周围会有衍射，用负胶和亮场掩膜版组合在光刻胶层上得到的图形尺寸的要比掩膜版上的图形尺寸小。用正胶和暗场掩膜版组合会使光刻胶层上的图形尺寸变大。这些变化必须在掩膜版的制作和光刻工艺的设计过程中考虑到。换句话说，光刻胶类型的
17、转变需要一个全新的光刻工艺。第2章 光刻工艺流程在平面管和集成电路生产中，都要经过多次光刻。虽然各次光刻的目的要求和工艺条件有所差别，但其工艺过程是基本相同的。光刻工艺一般都要经过涂胶，前烘，曝光，显影，坚膜，腐蚀和去胶等七个步骤。2.1 光刻工艺十步法2.1.1 表面准备想要得到一个平滑而且结合很好的膜，表面必须干燥而且干净。这个道理在光刻工艺过程中也同样适用。为确保光刻胶能和晶圆表面很好粘贴，必须要进行表面准备。这一步骤是由三个阶段来完成的：微粒清除、脱水和涂底胶。2.1.2 涂光刻胶涂胶就是将光刻胶均匀的涂敷在硅片表面上，涂胶的质量要求：1） 角膜厚度应符合要求，胶膜均匀，胶面上看不到干
18、涉花纹；2） 胶层内应无点缺陷（如针孔、回溅斑等）；3） 胶层表面没有尘埃。碎屑等颗粒。普通的光刻胶涂胶方法有三种方法：刷法、滚转方法和浸泡法。但是这三种方法中没有一种能够达到光刻胶工艺所要求的质量标准。在涂底胶的那一节中我们简单地介绍旋转涂胶方法，这也就是我们普遍应用的涂胶方法。涂胶器有手动的，半自动的，和全自动的设计。自动化程度不同，所应用的系统也会不同。在下文我们会有所介绍。然而，每个系统光刻胶膜的沉积确实是共通的。涂胶工艺被设计成防止或是降低晶圆外边缘部分光刻胶的堆起。称为边缘水珠（edge bead），这种堆起会在曝光和刻是过程中造成图形的变形。2.1.3 软烘焙软烘焙是一种以蒸发掉
19、光刻胶中一部分溶剂为目的的加热过程。软烘焙完成之后，光刻胶还保持“软”状态，而不是被烘焙成像灰烬一样。蒸发溶剂有两个原因。溶剂的主要作用是能够让光刻胶在晶圆表面涂成一薄层，在这个作用完成以后，溶剂的存在干扰余下的工艺过程。第一个干扰是在曝光的过程中发生的。光刻胶里面的溶剂会吸收光，进而干扰光敏感聚合物中正常的化学变化。第二个问题是和光刻胶粘连有联系的。通过涂漆工艺的理解，我们可以知道光刻胶的烘干（溶剂的蒸发）会帮助光刻胶和晶圆表面更好的粘结。时间和温度是软烘的参数，它们是由评估矩阵来决定的。在光刻过程中，两大主要目标是正确的图形定义和在刻蚀过程中光刻胶和圆胶表面好的粘连。这两个目标都会受软烘温
20、度的影响。不完全烘焙会在曝光过程中造成图像成形不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移。过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不和曝光射线反应。光刻胶供应商会提供软烘温度和时间的范围，之后光刻工程师再把这些参数优化。负胶必须要在氮气中进行烘焙，而正胶可以在空气中烘焙。软烘焙的方法很多，它们是通过设备和三种热传导方法组合来完成的。2.1.4 对准和曝光对准和曝光（A&E），从名字中可以看出这是一个双重作用的光掩膜过程。A&E的第一步是把所需图形在晶圆表面上定位或对准。第二步是通过曝光灯或其它辐射源将图形转移到光刻胶涂层上。前面提到过，光刻胶是掩膜工艺的核心。更准确地说，光刻胶是此工艺的
21、“材料”核心，而A&E则是该工艺的“设备”核心。图形的准确对准，以及光刻胶上精确的图形尺寸的形成是器件和电路正常工作的决定性因素。此外，晶圆加工时间的60%都在光刻区域。考虑建立一个典型的ULSI兆位随机存取存储器（RAM）电路的挑战。该电路可能会在0.25平方英寸大小的面积内包含多至几千万个独立的器件。这些器件中独立零件的特征尺寸要在1微米的范围，因此它们就必须安装或互相覆盖在1/3名义特征图形尺寸的容差范围内。每一层图形在晶圆上曝光时，都必须要保持这个容差。先进的工艺可能会要求有多至1520个单独的图形。晶圆定位的容许变异必须在整个图形对准中保持。2.1.5 显影显影是把暴光后的基片放在适
22、当的溶剂里，将应去除的光刻胶膜溶除干净，以获得腐蚀时所需要的抗蚀剂膜的保护图形，KPR胶通常用丁酮。2.1.6 坚膜坚膜是在一定温度下对显影后的硅片进行烘焙，除去显影时胶膜所吸收的显影液和残留的水份，改善胶膜与硅片的粘附性，增强角膜的抗蚀能力。坚膜的温度和时间要适当。坚膜不足，则抗蚀剂胶膜没有烘透，膜与基片粘附性差，腐蚀时易浮胶；坚膜温度过高，则抗蚀剂胶膜会因热膨胀而翘曲或剥落，腐蚀时同样会产生钻蚀或浮胶。温度更高时，聚合物将分解，影响粘附性和抗蚀能力。此外，坚膜时最好采用缓慢升温和自然冷却的烘焙过程。对于腐蚀时间较长的厚膜刻蚀，可在腐蚀一半后再进行一次坚膜，以提高胶膜的抗蚀能力。2.1.7
23、显影检验在显影和坚膜后就是要完成光刻掩膜工艺的第一次检验。适当的说，应叫显影检验（develop inspect）或DI。检验的目的是区分那些有很低可能性通过最终掩膜检验的晶圆；提供工艺性能和工艺控制数据；以及分拣出需要重做的晶圆。有问题的晶圆要重新进行以下工艺处理。去水合物 点胶烘焙 光刻胶去除定位和曝光显影检验 拒收的晶圆合格晶圆2.1.8 刻蚀在完成显影检验步骤后，掩膜版的图案就被固定在光刻胶膜上并可准备刻蚀。在刻蚀后图案就会被永久地转移到晶圆的表层。刻蚀就是通过光刻胶暴露区域来去掉晶圆的最表层的工艺。刻蚀工艺主要有两大类：湿法和干法刻蚀（图2-1）。两种方法的主要目标是将光刻掩膜版上的
24、图案精确地转移到晶圆的表面。其它刻蚀工艺的目标包括一致性、边缘轮廓控制、选择性、洁净度和所有权成本最低化。图2-1 刻蚀方法2.1.9 光刻胶去除刻蚀之后，图案成为晶圆表层永久的一部分。作为刻蚀阻挡层的光刻胶层不再需要而要从表面去掉。传统的方法是用湿法化学工艺将其去除。尽管有一些问题，湿法化学液在前线工艺中是较受欢迎的方法，因为表面和MOS栅极暴露并易于受到等离子体损伤。26氧气等离子体去除光刻胶层的使用正在增加，它主要用于后线工艺中,这是因为敏感器件被绝缘和金属表层覆盖住。有许多不同的化学品被用于去除工艺。对它们的选择依据晶圆表层（在光刻胶层下）、产品考虑、光刻胶极性和光刻胶状态。一系列不同
25、的工艺：湿法刻蚀、干法刻蚀和离子注入之后，晶圆表层的光刻胶都需要去掉。根据先前工艺的不同会有不同程度的困难。高温硬焙烤，等离子体刻蚀的残余物和边侧聚合物和由离子注入导致的硬壳都会对光刻胶去除工艺带来挑战。一般地，光刻胶去除机被分成综合去除机和专用于正光刻胶及负光刻胶的去除机。它们也根据晶圆表层类型被分成：有金属的或无金属的。2.1.10最终目检在基本的光刻工艺中最终步骤是目检。实际上与显影目检是一样的规程，只是大多数的拒收无法挽回的（没有重做）。一个例外是受到污染的晶圆可能会被重新清洗并重新目检。最终目检证明送到下一步晶圆的质量,并充当显影目检有效性的一个检验。在显影目检中应已被区分并从批料中
26、那出的晶圆叫做显影目检漏掉（develop inspect escapes）。晶圆在入射白光或紫外光下首先接受表面目检检查污点和大的微粒污染。之后是显微镜或自动检验来检验缺陷和图案变形。对于特定光刻版级别的关键尺寸的测量也是最终目检的一部分。主要针对的是刻蚀过的图案的质量及欠刻蚀和内切这两个参数的关注。2.2 光刻质量分析2.2.1 溶胶在显影或刻蚀时，硅片表面上的胶膜会起皱，呈桔皮状或大面积胶膜脱落。这种现象为溶胶（或叫脱胶）。出现这种现象的原因如下。1） 操作环境湿度过大：当操作室内空气中水分较多时，二氧化硅很容易将水吸到表面，造成胶膜与硅片粘附不好，在显影时就产生溶胶。因此，操作室内必须
27、保持干燥，甩胶盘内必须干燥。有人尝试在涂胶涂一层HNDS之类的增粘剂，结果效果十分明显。2） 硅片面膜上不干净：硅片表面生长的SiO2、Si3N4、多晶硅，由于表面不干净，那么与光刻胶粘附力下降成了溶胶。3） 前烘不足或过度：前烘不足。胶膜内还留有溶剂未挥发掉，显影时造成溶胶。但是前烘过度。胶膜硬化、抗蚀力下降，也会出现溶胶现象。4） 曝光或显影不适合：曝光时间不足，角膜的光滑反应没有进行完全就浸入显影液中，会造成角膜溶解引起溶胶。显影时间过长，胶膜会软化。显影液从底部浸入，引起胶膜脱落。2.2.2 小岛小岛是指在应该将氧化层刻蚀干净的光刻窗口内，还留有没有刻蚀干净的氧化局部区域，形成状不规则
28、，习惯上称为小岛。小岛的存在，使扩散区域的局部点有氧化层，阻碍了杂质在该处的扩散而形成异常区，造成器件击穿特性变坏，反向漏电增加，甚至极间穿通。光刻中产生小岛的原因有：1）掩模版图形上的针孔或损伤，在暴光时形成漏光点，使该处的光刻胶模感光交联，保护了氧化层不被腐蚀，形成小岛。对这种情况，可在光刻腐蚀后，易版或移位再进行一次套刻，以减少或消除小岛。2）暴光过度或光刻胶变质失效，以及显影不足，局部区域光刻胶在显影时溶解不净。3）氧化层表面有局部耐腐蚀物质，如硼硅玻璃等。4）腐蚀液不干净，存在阻碍腐蚀作用的脏物。因此必须定期更换新的腐蚀液。2.2.3 针孔针孔是由于胶膜不完整而在光刻窗口外的二氧化硅
29、层上产生细小孔洞。这些空洞是不该扩散的区域、杂志也扩进去了，造成P-N结短路、漏电、低击穿。产生针孔的原因有：1） 光刻掩膜版上有黑斑，阻挡了光线照射，使该区域上的胶膜未曝光，而被显影液溶解，经刻蚀以后便形成了针孔。2） 操作过程中尘埃沾污，特别是在涂胶过程中，尘埃落到了胶表面，这样就起了阻挡光线的作用形成针孔。3） 感光剂中有颗粒状物质或灰尘，或者胶太稀薄，转速太快，使得胶膜过于薄而出现面积较大的针孔。4） 硅片表面质量不好，有颗粒状凹坑，也会形成针孔。5） 曝光不当。光刻胶聚合反应不完全，或曝光时间过长，发生皱胶。腐蚀时掩膜失效，形成了针孔。在生产中，要想得到一个针孔少的二氧化硅表面，一定
30、要提高工作室的洁净度、对压力、温度、湿度都有严格规定。同时对掩膜版的质量要监控好。至于涂胶速度、曝光时间都要好好把握。第3章 高级光刻工艺3.1 ULSI/VLSI集成电路图形处理过程中存在的问题对于中等规模、大规模和某些特大规模集成电路，单层光刻胶成像的基本工艺完全适用。然而，随着特大规模/超大规模集成电路要求的特征图形尺寸越来越小，缺陷密度越来越低，这些基本光刻工艺已经明显显出力不能及。在亚微米工艺时代，基本光刻工艺在0.3微米以下明显显示出它的局限性。存在的问题主要包括光学曝光设备的物理局限，光刻胶分辨率的限制和许多与晶片表面有关的问题，比如晶片表面的反射现象，晶片表面的高低不平现象。七
31、十年代中期，人们普遍认为使用光学设备和光学光刻胶所能达到的最小分辨率为1.5微米。这一预言使人们开始将更多的兴趣转移到X射线曝光系统和电子束曝光系统。然而，随着许多对基本光学曝光工艺的改进和发展，使用光学曝光系统已能达到0.2微米的水平。 没有人能给将来的光刻要求有一个十分清晰的界定，但我们可以从SIA的半导体工业发展指南中看到一些端倪 。图3-1例举了一些在2012年左右对光刻工艺的要求，其中大部分技术还未出现。如果在高分子化合物内部存在不稳定的双键等可变因素的话，则在外界光或热的作用下，高分子化合物的分子结构就可能会在线型和体型之间发生变化。分子结构的变化，必然会引起高分子化合物的机械和物
32、理性质的相应变化。例如，由可溶性变为不可溶性或者相反。光刻工艺就是利用光致抗蚀剂有这样内在的可变因素，在一定条件下使部分高分子化合物由可溶性转变为不可溶性，或由不可溶性转变为可溶性，将掩模上的图形复印在光刻胶膜上。然后利用光刻胶膜对腐蚀液的抗蚀性，在硅片表面选择性地刻蚀SIO2或金属膜，实现定域扩散及金属膜布线的目的。生产年度200120062012线宽（纳米）15010090记忆量1GB16GB64GBLogic每平方厘米比特 380M2.2B17B芯片尺寸DRAM（平方毫米）4457901580最大连线水平77-89掩膜层2324-2628缺陷密度DRAM(D/m)875490250芯片连
33、接I/O119519703585芯片直径（毫米）300300450图3-1 SIA 技术路线图预测 ( 源自：Semiconductor International, January 1998)3.2 晶圆表面问题 小图形的分辨率受晶圆表面的条件影响很大。表面的反射率，表面地形差异，多层刻蚀等都要求特殊工艺或工艺微调。3.2.1 光刻胶的光散现象除了入射光线被反射离晶圆表面，入射光线也会因发生漫反射而进入光刻胶引起图形定义不好。漫射的程度与光刻胶的厚度成比例。光刻胶里的一些辐射吸收染色剂也会增加漫射吸收量，因而降低分辨率。3.2.2光刻胶里的反射现象高强度的辐射线理想状况下应该是90度垂直晶圆
34、照射，在这种理想情况下，光线在光刻胶中竖直上下反射，从而可以得到很好的图形（图3-2）。但实际情况是，一些曝光光线总是与晶圆有一定的角度而使不应曝光的部分受到照射。这种光刻胶里的反射率因晶圆表面物质和晶圆表面平整度变化而变化。金属层，特别是铝和铝合金,具有很强的反射率。淀积工艺的一个目标就是平整晶圆表面，已达到对这种反射的控制。图3-2 光刻胶里的光反射反射问题在表面有很多阶梯（也被称为复杂地形）的晶圆中尤为突出。这些阶梯的侧面将入射光以一定角度反射入光刻胶里，引起图形分辨率不好。其中一个独特的现象就是阶梯处发生光干涉现象从而引起阶梯处图形出现“凹口”（图3-3）。图3-3 在图形阶梯处金属缺
35、口；（a）刻蚀前；（b）刻蚀后3.3 先进光刻胶工艺3.3.1复层光刻胶/表面成像目前有很多种复层光刻胶工艺。工艺的选择取决于光刻胶需要打开的图形尺寸和晶圆表面状况。尽管复层光刻胶工艺增加了额外的工艺步骤，但在某些场合它是唯一能达到规定图形尺寸的方法。复层光刻胶工艺往往先在底部用厚的光刻胶来平整晶圆表面，图形一般先在上面一层光刻胶形成。因为晶圆表面是平的，用这种表面成像方法可以得到很小尺寸的图形，避免了阶梯图形的反射和景深问题。双层光刻胶工艺使用两层光刻胶，每一层的光刻胶性质各不相同。此工艺适用于复杂表面晶圆的图形成像。首先，在晶圆表面涂一层相对比较厚的光刻胶并烘焙至热流点（图3-4）。典型的
36、厚度为晶圆最大图形梯度的三到四倍，目的是形成平坦的光刻胶表面。典型的复层光刻胶工艺一般使用对深紫外光敏感的正反应聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃/PMMA）。图3-4 双层光刻胶工艺3.3.2铜制造工艺随着器件密度的增加，金属的层数也不得不随之增加。在各金属层之间使用导电介质连接，导电介质被称为连接柱或连接栓。钨是很好的金属材料，但对它的刻蚀比较复杂。目前，铜逐渐代替了铝来作为金属导体，但铜的工艺又引入了一大堆新的问题。一种既使用铜又能同时作出连接柱的办法称作铜制程（dual damascene）。它是一种嵌入式工艺过程，首先使用传统的光刻工艺刻出沟道，然后用所需的金属填充沟道。金属淀积并溢出沟道覆
37、盖晶圆表面。接着使用CMP（化学机械研磨）将溢出的金属磨去，只留下沟道内的金属线（图3-5）。图3-5 铜制造工艺3.3.3化学机械研磨小尺寸图形由于光散射的影响还是很难做出来。而且由于还存在表面阶梯，就还存在阶梯处金属覆盖不好的问题。化学机械研磨不仅在晶圆制备阶段被采用，而且在晶圆加工工艺过程中也被用来做晶圆表面整体平整化。化学机械研磨之所以受欢迎是因为：1）可以达到晶圆表面整体平整化2）研磨移去所有表面物质3）适用于多种物质表面4）使高质量的铜制程和铜化金属层成为可能5）避免了使用有毒气体6）费用低晶圆研磨和平整化基本使用相同的工艺（图3-6）。晶圆被固定在旋转机台上。一个旋转研磨垫（ro
38、tating polishing pad）被加压压在晶圆表面上，磨粉浆（slurry）流过机台和晶圆表面。晶圆表面物质被磨粉颗粒一点点磨去，并被磨粉浆冲走。由于机台旋转，研磨垫旋转和磨粉浆的共同作用使晶圆表面抛光。表面高处首先被抛光，接着是低的地方，这样就达到了平整化的目的。以上是机械研磨。 图3-6 化学机械研磨衡量化学机械研磨的几项主要指标：1）表面平整度2）表面机械条件3）表面化学性质4）表面洁净度5）生产率6）费用附录附录1 ULSI/VLSIULSI是ultra-large scale integration的缩写，VLSI是Very Large Scale Integration的
39、缩写。即为特大规模集成电路/超大规模集成电路。集成电路（integrated circuit，港台称之为积体电路）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，这样，整个电路的体积大大缩小，且引出线和焊接点的数目也大为减少，从而使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。 它在电路中用字母“IC”（也有用文字符号“N”等）表示。集成电路按集成度高低的不同可分为小规模集成电路、中规模
40、集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、特大规模集成电路和巨大规模集成电路等等。致谢走得最快的总是时间，来不及感叹，大学生活已近尾声，三年的努力与付出，随着本次论文的完成，将要划上完美的句号。本论文在丁兰老师的悉心指导和严格要求下已完成，从课题选择到具体的写作过程，论文初稿与定稿无不凝聚着丁老师的心血和汗水，我们的毕业设计期间，丁老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度使我深受感动，没有这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业设计。在此向丁兰老师表示深深的感谢和崇高的敬意！参考文献1莫大康光刻技术最新进展J电子产品世界，2004，（11）2袁琼雁，王向朝，施伟杰，李小平浸没式光刻技术的研究进展J激光与光电子学进展，2006，（8）3童志义，葛劢冲国外半导体制造设备市场J电子工业专用设备，2005，（12）4童志义，光学光刻技术现状及发展趋势J 电子工业专用设备，2001，（1）5庄童曾，集成电路制造技术原理与实践M 北京；电子工业出版社，1992.6施敏，现代半导体器件物理，北京科学技术出版社，2002.7来五星，轩建平，史铁林，杨叔子，微制造光刻工艺中光刻胶性能的比较.武汉：华中科技大学微系统中心,2004.
