光刻胶与光刻工艺技术

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1、 1第12章 光刻I 光刻胶与光刻工艺技术 第12章 光刻I 光刻胶与光刻工艺技术 微电路的制造需要把在数量上精确控制的杂质引入到硅衬底上的微小区域内，然后把这些区域连起来以形成器件和VLSI电路。确定这些区域图形的工艺是由光刻来完成的，也就是说，首先在硅片上旋转涂覆光刻胶，再将其曝露于某种光源下，如紫外光、电子束或X射线，对抗蚀层进行选择性的曝光。完成这项工作需利用光刻机、掩模版，甚至电子束光刻时的数据带。曝光后的硅片经过显影工艺就形成了抗蚀剂图形。显影后仍保留在硅片上的抗蚀剂保护着其所覆盖的区域，已去除抗蚀剂的部分必须进行一系列增加(如淀积金属膜)或去除(如腐蚀)工艺，以将抗蚀图形转印到衬

2、底表面。 下面三章详细地叙述了VLSI的光刻工艺。第一章是抗蚀剂的特性和VLSI制造中的光刻工艺技术。这个讨论仅限于光学曝光所用的抗蚀剂。第二章讨论的是曝光工具，也即描述了光学光刻机和光掩膜。第三章讲述了先进的光刻技术，包括电子束、离子束和X射线图形形成技术。 抗蚀剂基本术语 抗蚀剂基本术语 光刻工艺基本步骤如图1所示。抗蚀剂(PR)作为一层薄膜涂覆到基片上(如硅上面的二氧化硅上),再通过掩膜版曝光。掩膜版要保持干净，并含有要转印到衬底上的不透明图形，以便在PR层上复制。PR经曝光后的区域有时变成可溶于显影液性的，有时变成不溶于显影液性的。如果曝光后变得可溶于显影液，则在抗蚀剂上产生掩膜的正性

3、图形。这种物质就称为正性抗蚀剂。反之，若未曝光区溶于显影液，就产生负性图形，就是负性抗蚀剂。显影后，未被抗蚀剂覆盖的SiO2层就被腐蚀掉。这样就在氧化层上复印了掩膜版图形。 2在这步工艺中抗蚀剂有两个作用。首先必须对曝光有反应，以把掩膜版图形复印到抗蚀剂上。其次余留的抗蚀剂在后面的工艺中必须保护下面的衬底。正如抗蚀剂的名字一样，这种物质具有抵抗腐蚀的能力。 尽管半导体生产中使用正性和负性两种抗蚀剂，但由于正性抗蚀剂具有较高的分辨能力，故VLSI中全部选用正性抗蚀剂。正因如此，本章几乎所有的讨论都限于正性抗蚀剂和它的工艺。传统的正性光学光刻工艺和抗蚀剂能适应于0.81.5的VLSI生产。到了亚微

4、米阶段，由于曝光中产生的衍射效应，必须发展分辨率更高的技术来代替光学光刻。 通常，抗蚀剂的使用者并不过多关心抗蚀剂复杂的化学成分，而对其性能较关心。本章主要讨论其性能。 通常的光致抗蚀剂由三种成分组成：a)、基体材料(也叫树脂)，作为粘合剂，确定了膜的机械特性；b)、增感剂(也叫阻化剂),是一种感光的化合物(PAC)；c)、溶剂(不同于显影液溶剂)，使抗蚀剂保持液态，但涂在衬底上时会挥发掉。基体材料通常对入射辐射无反应。也就是说，照射下不发生化学变化，但提供了有粘附力和耐腐蚀性的保护层，也确定了抗蚀剂的其它薄膜特性，如厚度、折射性和热流稳定性。 3增感剂是抗蚀剂中对光化学辐射有反应的成分。词语

5、“光化学的”与引起光化学变化的辐射能量特性有关(尤其是在可见光和紫外光区间)。增感剂给抗蚀剂提供耐显影剂特性和辐射吸收特性。 光致抗蚀剂材料参数 光致抗蚀剂材料参数 前面已经指出，抗蚀剂有两基本功能：1)、精确图形形成；2)、刻蚀时保护衬底。抗蚀剂本身所拥有的一系列材料特性影响了这些功能的实现。这些材料参数可分为三类：a)、光学性质：包括分辨率、感光灵敏度和折射率；b)、机械及化学性质：包括固体成分含量、粘度、附着力、抗蚀能力、热稳定性、流动特性及对环境气氛如氧气的敏感度；c)、有关加工和安全的性能：包括清洁(颗粒含量)、金属杂质含量、工艺宽容度、贮藏寿命、闪点及安全极限浓度(TLV，毒性的测

6、量)。这一节里讨论这些参数、了解这些参数有助于正确地选择与使用光刻胶。同时也给出了测量大多数参数值的方法。 分辨率 分辨率 光刻工艺的分辨率在第十三章中有正规定义，是根据光刻曝光设置的调节转换功能和与光刻胶匹配性定义的。然而，该词并不很正规，在工业中却广泛应用，以指定在合理的生产变化情况下复制最小尺寸像的能力。这样为了建立亚微米特性器件，就必须具有亚微米分辨率的光刻工艺。 用这种观点定义线宽也是很有用的。线宽是水平距离，L，即线条的截面图中光刻胶材料与气流边缘之间的距离。这是在光刻胶衬底界面上指定高度处。(图2)。由于可以用不同的测量方法(如SEM或光学)测量同一线条的线宽。这些线条可以是在截

7、面图中不同高度处。故很容易确定获得线宽的技术(如SEM线宽或光学线宽)。线宽测量技术在线宽测量中讨论。线宽测量是显影后检测一节的一部分。 4光刻工艺的分辨率受工艺多方面的限制，包括：1)、硬件(如光的衍射、 镜头色差和设备的机械稳定性)；b)、光刻胶的光学特性；c)、工艺特性(如适当烘烤、显影、后烘、刻蚀)。硬件对分辨率的限制在第十三章中讨论。本章的光刻胶处理部分讨论光刻工艺对分辨率的限制。本节将讨论材料特性对分辨率的影响。材料特性包括反差、溶胀和热流等。光刻胶材料的反差和溶胀对曝光和显影步骤有影响。热流则在后烘和干刻工艺中影响分辨率。这里讨论反差和溶胀。后烘部分再详细说明光刻胶处理中的热流。

8、 分辨率：反差 分辨率：反差 理论上讲，光刻胶的反差直接影响分辨率，光刻胶的侧壁墙角墙角和线宽控制。 反差由一叫的数值来表示。 对于反差概念的描述性说明最好把正胶和负胶分开考虑。对于负胶，在一定照射剂量下，反差与交叉网络形成的速度有关。所以如果一种负胶与其它相比具有较高的交叉连接速度，则它就具有较高的反差。对于正胶，一定辐射剂量下，反差就与断链作用和溶解度变化有关。 5光刻胶的反差和感光灵敏度通常都通过不同辐射剂量下曝光一定厚度的光刻胶层测量的， 然后确定显影后保留的膜层厚度。(注意：测量光刻胶溶解性的方法在光刻工艺：显影中讨论。)用这些数据绘制了响应，或感光灵敏度曲线(见图3)。对于负性胶，

9、只有在临界剂量(图3a的Dg1)时才能观察到交链，由凝胶形成即可看出。所以在这个剂量下还没有形成图形。更高剂量时，凝胶增长的结果是图形膜层厚度增加。这种现象一直持续到图形膜层厚度等同于曝光前(即在图3a的Dg0)光刻胶层厚度。负胶的反差值 n，为反应曲线与剂量坐标交点的斜率(见方程2a)。 对于正性胶，随着辐射剂量的增加，光刻胶厚度减小，直到薄膜完全除去(即达到临界剂量Dc)。测量技术相同，除了溶剂一点都不腐蚀未曝光的光刻胶。曝光处的薄层厚度值可以测量出来，并归一化为曝光与显影前的厚度。用残余厚度值画出了图3b。 正胶的反差p可以从反应曲线线性部分的外推斜率绝对值得出(见方程2b)。 反差也可

10、以用下列式子计算。 既然n和p都从反应曲线的线性部分斜率得出，而通常斜率可由下式得到： Slope =(Y2-Y1)/(X2-X1) (1) 6这里：Y2=1.0,Y1=0,X2=LgDg0，和X 1=LgDgi(负性胶)；Y 2=0,Y1=1.0,X2=LgDc，和X1=LgD0(正性胶)。那么， n = log10(Dg0/D gi)-1 (2a) p = log10(Dc/D0)-1 (2b) 具有较高反差值的光刻胶具有较好的分辨率。图4说明了这一点。理想的曝光工艺只传递曝光辐射给要产生图形的光刻胶区，其余部分则没有传到能量。实际曝光时，由于衍射和散射，能量是以发散的方式传播的(如图4所

11、示)。然后能量到达光刻胶层(以正胶为例)。显影中，曝光能量大于Dc处的光刻胶完全溶解掉。由于实际的光刻胶并没有无限的反差，就有一些曝光能量小于Dc但大于D0的区域存在。这些区域局部溶解。这样，显影后的光刻胶断面就有斜坡。光刻胶的反差值越高，其断面越垂直。由于是在光刻胶与衬底界面之上指定高度处测量线宽，且光刻胶断面并不垂直，光刻胶线宽就不够精确代表掩模版尺寸。此外，刻蚀后实际线宽尺寸必须控制。由于干法刻蚀工艺通常腐蚀光刻胶材料到 某 种 程 度 ( 图2)。 不够垂直的光刻胶断面将在被刻蚀层上导致更宽线条的腐蚀， 所以会降低分辨率。 光刻胶厚度降为零的那点的光刻胶断面角度已由King推导出来，是

12、直接与和光刻胶厚度成比例的。理想光刻胶具有无限的反差，并具有如图4a所示的反应曲线。实际光刻胶的响应曲线如图4b所示。正性光学有机抗蚀剂具有较高的反差值，7p2.2，负性光刻胶，n1.5。基于Ge-Se硫属化物玻璃的无机抗蚀剂具有比正性或负性有机抗蚀剂(6.8)31高得多的反差。 反差除了用于计算抗蚀剂的墙角墙角外，在预测给定曝光系统下的最小特征尺寸方面也很有用。定义了一个词语，叫关键的抗蚀剂调制转换函数，CMTFresist: CMTFresist=(I100-I0)/(I100+IO) (3) 这里I100是100膜去除的最小曝光量，I0是最大的零曝光量。一曝光系统要能充分复印一特写， 对

13、该特征尺寸的调制转换功能MTF(第十三章中定义)必须大于或等于所用光刻胶的CMTFresist。了解光刻胶的反差很有用。反差与CMTFresist之间的关系如图5所示。 这种关系定义为： CMTFresist=(101/-1)/(101/+1) (4) 这样， 如果对各种特征尺寸的曝光系统的MTF已知， 则利用值和图5就可预测该系统可有效复印的最小特征尺寸。MTF为1大致对应完美的图象转换。1986年的投影光刻机，其1m的MTF值为0.6(见第十三章)。由图5可知，为28的正性胶可以用这样的投影光刻机得到1.0m的满意的图象。反差值也对光刻图象的线宽范围有影响。这将在光刻工艺：曝光中讨论。 分

14、辨率：溶胀、邻近效应、光刻胶厚度 分辨率：溶胀、邻近效应、光刻胶厚度 显影过程中，随显影液溶剂渗透入光刻胶，其体积膨胀，光刻胶上图形特征尺寸就有改变。大多数负性胶都会有这种膨胀现象。如果特征尺寸小于3m，这就会导致特征尺寸与指定尺寸相比有很大改变。因此，负性胶不适于这种特征尺寸。正性胶(低分子量)不发生这种膨胀，是由于正胶和负胶中已讨论的其显影中不同的溶解机制。 正胶和负胶的分辨率都受邻近效应的影响。在正胶和负胶中，单独的线条都很容易分辨，尤其是正胶。评价一特殊光刻胶的分辨率时，最难于分辨的特征值是基本的水准基点。 减小光刻胶厚度可以提高分辨率。相反地，由于正胶比负胶有更高的反差值和更小的膨胀

15、，它就可以用于较厚的保护层，且仍可提供相等的分辨率。这样，如果可以获得相同的分辨率，更厚的保护层有利于提供较好的台阶覆盖和缺陷保护，以及更大的干刻抗蚀力。 灵敏度 灵敏度 光学光刻胶的灵敏度定义为：在光刻胶中引起特定程度化学反应所需的输入能量(用单位面积的光子量计算)，这使得显影后产生想要的光刻图形。对于光化学反应，用光效率或生产量，来表示。定义为： absorbedphotonsofNumbereventsinducedphotoofNumber= (5) 由敏化剂分子的光裂变作用的正胶必须具有高的值，以便有高的灵敏度。分解后，灵敏度是最重要的参数。需要高灵敏度这个特性，是由于随着分辨率要求

16、的提高，辐射波长移入UV区。在这个区间，光源亮度严重减小，9光分子的有效率也减小(也即，吸收更多的是通过它们的能量)。由于总的输入能量是光源亮度、时间和对准光学的吸收效率的结果。第一和第三个因子的减小可以通过长时间曝光补偿。这导致每小时硅片产能较小。这就需要增加曝光工具的数量。灵敏度增加的光刻胶可以减小曝光时间。应该注意：在PR工艺中使用了先进的光刻机。这样，灵敏度已不成为产能的限制因素。也就是说，这些工序，如对准、聚焦、装卸硅片，占去了有效时间，限制了产能。 在光的灵敏度参数讨论中发现有好几处工艺工程师感兴趣的。第一个包括光刻胶与曝光工具的能量源之间的匹配。这个信息是由光谱响应曲线提供的。这曲线是测量了光刻胶对照在光刻胶上的光源发射的光谱的反应而得的。光谱-响应曲线(图6a)给出了曝光光源有效性的表示。如果在光源强发射范围内有很强的吸收，则相应的曝光时间就缩短了(暗指高的灵敏度)。光谱响应曲线并不提供关于曝光时间的定量信息。 光刻胶的吸收比也是很重要的因素。所以照在光刻胶上的杂光(如