原创 第十章 高级光刻工艺

第十章 高级光刻工艺

1、ULSI/VLSI集成电路图形处理过程中存在的问题：
光学曝光设备的物理局限、光刻胶分辨率的限制、许多与晶片表面有关的问题；
使用光学光刻技术解析0.5微米和0.3微米的图形需要对虚像（aerial images）有很好的控制，控制方法主要从三个方面入手：光学系统分辨率、光刻胶分辨率和晶片表面问题，第四个方面是刻蚀图形定义问题；
2、光学系统分辨率控制：（光刻分辨率工艺路线图）
I线→I线+ARI→I线+OAI/深紫外光/深紫外光+OAI或PSM→I线+ OAI或PSM/深紫外光+ARI或OAI→I线+PSM/深紫外光+OAI或PSM→深紫外光+PSM（最小分辨率减小，ARI环形灯光源、OAI偏轴光源、PSM相位偏移掩膜）
a.改进的曝光源：紫外光UV和深紫外光DUV，汞灯（I线365nm  H线405nm  G线436nm 中紫外线313nm、深紫外线245nm）；
b.受激准分子激光器：XeF 351nm  XeCl 308nm  RF 248nm  AF 193nm；
c.聚焦离子束：系统稳定性非常差；
d.X射线：需要特制掩膜版（金做阻挡层）、成本非常高；
e.电子束：电子束光刻是一门成熟的技术，无需掩膜版，直接书写（direct writing），光刻胶曝光顺序分为光栅式和矢量式；成本也比较高
3、其他曝光问题：
a.镜头的数值孔径（NA）、可变数值孔径透镜（景深DOF和视野）、离轴光线；
b.对比效应、景物反差；
c.周相移动掩膜版（PSM）、（交互狭缝AAPSM、亚分辨率及镶边）周向移动掩膜版；
d.光学临近纠偏掩膜版（OPC） ；
e.环孔照射（annular ring illumination）；
4、掩膜版薄膜（pellicle）：
是一层在框架上拉伸平铺的无色有机聚合物薄膜，用硝化纤维NC或醋酸纤维AC制成；
5、晶圆表面问题：（表面的反射率、表面地形差异、多层刻蚀等等）
a.光刻胶的光散射现象：
b.光刻胶里面的光反射现象；
c.防反射涂层（ARC）/上涂防反射层（TAR）
d.驻波问题，用PEB曝光后烘焙、染色剂、防反射涂层等方式改善；
e.平整化：解决景深问题，解决阶梯处由光反射造成的金属图形凹口等问题；
6、先进的光刻胶工艺：
a.复层光刻胶/表面成像：双层或三层光刻胶工艺，便携式共形层（portable conformal layer）；
b.硅烷化作用/DESIRE工艺：扩散加强硅烷化光刻胶，硅烷化反应（silyation process）、顶面成像（TSI, top surface image）；
c.聚酰亚胺平整层；
d.回刻平整；
e.铜制程工艺：铜制程dual damascene；
f.化学机械研磨：
■可以达到晶圆表面整体平整化；
■研磨移去所有表面物质；
■适用于多种物质表面；
■使高质量的铜制程和铜化金属层称为可能；
■避免使用有毒气体；
■费用低
7、化学机械研磨（CMP）:
主要参数如下：研磨垫的构成、研磨垫的压力、研磨垫旋转速度、机台旋转速度、磨粉浆的流速、磨粉浆的化学成分、磨粉浆的物质选择性、表面物质、几何图形；
衡量化学机械研磨的主要指标：表面机械条件、表面化学性质、表面洁净度、生产率、费用；
a.研磨垫：由铸型用聚亚氨酯泡沫材料和填料、聚亚胺酯填充垫等制成，具有多孔性、压缩性和硬度等特性；
b.磨粉浆：细小的硅石、三氧化二硅、添加剂等，关键参数是PH值、流动力学参数和磨粉浆刻蚀选择性；
c.研磨速度：主要影响因素有研磨垫的参数、磨粉浆的种类和磨粉尺寸、磨粉浆化学组成等；
d.平整性：随着多层金属设计的采用，平整性并不易达到，铜、钨连接柱、钽、IDL等挑战；
e.化学研磨后的清洗：机械刷拂去或用高压水柱冲去，化学清洁一般采用与其它FEOL清洗相同的技术，需特别注意铜污染；
f.CMP设备：晶圆搬运机械手、在线测量和洁净度监测装置，目标是“干进干出”；
8、化学机械研磨（CMP）相关：
a.回流： 硅酸硼玻璃（BSG）、旋涂玻璃层（SOG）；
b.双掩膜版防止针孔缺陷；
c.图像反转；
d.对比增强层（CEL）：降低对比阀值（contrast  threshold）；
e.染色光刻胶：吸收辐射光线、消弱反射光影响、减小驻波效应、改变显影时光刻胶聚合物的分解率；
9、改进刻蚀工艺：
底基剥离工艺、自对准结构（self-aligned structure）、刻蚀轮廓控制；
10、光学光刻的前景：
由于X射线和电子束光刻技术的费用昂贵，光学系统可持续改进以满足更小图形尺寸的要求，在无光学系统技术占领半导体以前，“亚深紫外线”可能会成为下一个重要的光学光刻技术进步。