半导体 | 下一代光刻技术（下）

特征图形尺寸减小到纳米范围，伴随着更大直径的晶圆，增大了对低缺陷密度的需求增大了芯片密度和尺寸,对芯片制造工业界挖掘各种传统工艺的潜能和开发新的工艺技术提出挑战。本章探讨达到纳米尺度电路遇到一些问题和现在的一些解决办法。包括后光学光刻技术的讨论，综合起来称为下一代光刻技术(Next-Generation Lithography,NGL)。

1）多层光刻胶或表面成像

目前有很多种多层光刻胶工艺。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形貌。尽管多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。多层光刻胶工艺往往先在底部用较厚的光刻胶来填充凹处和平整晶圆表面。图形首先在被平坦化的顶层光刻胶层中形成。因为该表面是平坦的，用这种表面成像(surface imaging)方法可以得到很小尺寸的图形，避免了台阶图形的反射和景深(DoF)问题。

双层光刻胶工艺使用两层光刻胶，每一层的光刻胶具有不同的极性。此工艺适用于具有不同表面形貌的晶圆上小图形的成像。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(见下图)。典型的厚度为晶圆最大图形台阶的3~4倍，目的是形成平坦的顶层光刻胶表面。典型的多层光刻胶工艺将用于对深紫外线敏感的正性聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

双层光刻胶工艺

接着，在第一层光刻胶的上面，再涂一层相对比较薄的对紫外线敏感的正胶。这一层薄顶层光刻胶避免了厚胶的不利因素和晶圆表面的反射光的影响，可以达到很好的分辨率。因为顶层光刻胶依底层光刻胶的形状变化而变化，所以顶层光刻胶也被称为共形层(conformal layer)或轻便的共形层(portable  conformal layer)。顶层光刻胶作为辐射的阻挡层，下面一层不会感光。然后使用覆盖式或泛光深紫外曝光(无掩模版)，通过顶层的孔使下面的厚正胶感光，从而将图形从顶层光刻胶转移到了下面一层。显影后，晶圆就可以刻蚀了。

对两种光刻胶的选择是相当复杂的,需要考虑衬底的反射问题、驻波的影响和PMMA光刻胶的敏感度。还有，两种光刻胶必须有兼容的烘焙工艺和相互独立的显影剂。

三层光刻胶工艺

2 硅烷化作用或 DESIRE 工艺

扩散加强硅烷化光刻胶( DESIRE)工艺是一种新颖的表面图形化工艺方法(见下图)与其他的多层光刻胶工艺类似，DESIRE也是平整晶圆表面，在表层形成图形。DESIRE工艺使用标准的紫外线曝光表面层。在这一工艺中，曝光只局限于顶层。然后，将品圆放入反应腔中暴露于HMDS,发生硅烷化反应(silylation process)。通过这一步，硅混入曝光区域。富硅区域变成了硬掩膜，可以用各向异性RE刻蚀使其下面的材料干法显影和去除。在刻蚀工艺中,硅烷化区域变成二氧化硅(SiO₂),形成了更坚固的刻蚀阻挡层。这种只在最上一层定义图形的技术称为上表面成像(Top Surface lmage，TSI)。

3）聚酰亚胺平坦化层

聚酰亚胺在印制电路板生产中已经被使用了许多年。在半导体生产中主要是用它增强淀积形成的二氧化硅膜的绝缘效果，而且在晶圆上涂聚酰亚胺与涂光刻胶使用的设备相同。

将聚酰亚胺涂在晶圆表面后，由于聚酰亚胺的流动会使晶圆表面变得更平坦，然后可以在聚酰亚胺上面覆盖其他硬薄层。聚酰亚胺可以像光刻胶一样与化学物质反应从而得到图形。聚酰亚胺用途最广的是被用于两层金属之间的绝缘层。由于聚酰亚胺的平坦性使得第二层金属层的图形定义变得更容易。

4）反刻平坦化

反刻被用于局部平整(见下图)。金属线条形成后，在上面淀积一层厚的氧化物，并在氧化物上涂一层光刻胶。然后使用等离子体刻蚀。首先，较薄的光刻胶先被刻蚀掉，并开始刻蚀氧化物。接着，较厚的光刻胶也被刻蚀掉，而且一些氧化物也被刻掉。这样综合效果是局部表面得以平坦化。

5）双大马士革工艺

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(stud)或连接塞(plug)。钨是首选的金属材料，但对它的刻蚀比较复杂。另外，铜已经代替铝成为首选金属化系统。然而，铜的工艺又引入了一大堆新的问题。一种是使用被称为双大马士革(dual damascene)的工艺代替传统的光刻和刻蚀工艺。它是一种类似于将金属嵌ru入层间介质的嵌人式工艺。在这种工艺中，在一种介质或其他物体表面开出凹槽，将金属涂布整个表面，也填充到凹槽中。去除表面溢出的金属后，一些保留在凹槽中，留下一个装饰图形。在半导体应用中，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，并用电镀法淀积铜。金属淀积溢出表面。用化学机械抛光(CMP)将溢出的金属去除，留下在沟槽内相互隔离的金属(见下图)。半导体 | 金属化工艺中已详细讲述这一新的和重要图形的形成技术。

双大马士革(嵌人式)工艺

以上讲述的平坦化方法都是局部平坦化而不是晶圆整体表面平坦化(global  planarization)。小尺寸图形由于光散射的影响还是很难做出来的。而且由于还存在表面台阶，就还存在台阶处金属覆盖不好的问题。化学机械抛光(CMP)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用来做晶圆表面整体平坦化。

化学机械抛光之所以受欢迎是因为具有如下特点：

• 可以达到晶圆表面整体平坦化

• 研磨去除所有表面材料

• 适用于多种材料的表面

• 使高质量的大马士革工艺和铜金属层成为可能

• 避免使用有毒气体

• 是一种低成本工艺

晶圆抛光和平坦化使用相同的基本工艺(见下图)。然而，挑战非常不同。在晶圆抛光时,几微米的硅被去除。在平坦化工艺中,要求化学机械抛光去除材料的量在1μm或更少。还有，这些金属工艺出现几种要被去除的材料。它们有不同的去除速率和高的均匀平坦化的期望。

化学机械抛光和平坦化

基本化学机械抛光工艺步骤:晶圆被固定在面朝下的头上，依次地，晶圆也面朝下固定在旋转机台上。旋转机台表面用一个抛光垫覆盖。带有小研颗粒的磨料浆(slury)流到台面上。晶圆表面物质被磨料颗粒侵袭，并一点点磨去，再被磨料浆冲走。由于两个轨道的转动，以及磨料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，这样就达到了平坦化的目的。这些是机械抛光作用。然而，只有机械抛光自身是无法满足半导体工艺对晶圆的要求的，因为晶圆表面受到了过多的机械损伤。通过对磨料浆的选取,可以减少这种损伤，因为磨料浆中的化学物质可以溶解或刻蚀一些表面物质。化学侵蚀一般是通过氧化作用将表面腐蚀掉的。与之相似的是熨斗的生锈机理,它就是一种化学侵蚀。当熨斗接触氧气时，它的表面会长上一层锈。然而正是这层锈将熨斗表面与水中或空气中的氧气隔离开，从而减缓了进一步生锈的过程,这就是化学与机械共同作用的结果。粉磨去腐蚀层而露出新鲜表面,新鲜表面与化学物质反应生成新的腐蚀层，这样不断反复。在化学机械抛光之后，有一步化学机械抛光后清洗(post-CMP cleaning)以保证晶圆的洁净。

线性化学机械抛光系统还在使用。在这种配置中，晶圆载片头是相对运动的皮带转，而不是转盘。线性系统的一个主要优点是在晶圆下料浆运动速度增加。衡量化学机械抛光处理的几项主要指标是:

• 表面平整度

• 表面机械条件

• 表面化学性质

• 表面洁净度

• 生产率

• 拥有成本

7）化学机械抛光抛光垫

抛光垫由铸形用聚亚胺酯(polyurethane)泡沫材料和填料、聚亚胺酯填充垫或其他一些特殊材料制成。抛光垫最重要的特性是具有多孔性、压缩性和硬度。多孔性，一般用相对密度来衡量，控制抛光垫的微孔输送磨料浆能力和孔壁去除物质的能力。压缩性和硬度是衡量抛光垫适应开始品圆不规则表面的能力。一般来说，抛光垫越硬，整体平整度越好。软的抛光垫会同时接触晶圆高地和低地，从而可能引起不平整的抛光。还有一种可变形光头，它可以更贴近晶圆初始表面。

8）磨料浆

由于双重作用的结果，磨料浆的化学成分很复杂也很关键。从机械角度来讲，料携带磨粉。细小的硅石(二氧化硅)用米研磨氧化层。氧化铝(AL₂O₃是金属的标准料。在多层金属设计中往往使用多种金属，这就要求半导体工业去寻找更普遍适用的磨粉。磨粉的直径在10-300nm之间。颗粒越大，晶圆表面机械损伤就越大。从化学角度来讲，对于硅和二氧化硅，刻蚀剂一般为氢氧化钾或氢氧化铵(低pH值的碱性溶液)。对于金属，比如铜，反应往往是从料浆中的水对铜的氧化开始的。反应式为

2Cu+H₂O→Cu₂+ 2H⁺+ O^2-

氧化后，碱性材料以化学方式将膜减薄，通过机械作用将其去除。生产中的磨料浆有多种添加剂。它们各有各的作用。通过平衡磨料浆的pH值，进而控制磨粉的电荷积存，可以减少机械化学研磨的残留物。碱性硅石磨粉浆pH值高而硅石磨粉浆pH值低(通常低于7)。其他的一些添加剂为表面活性剂，用来形成希望的流动方式和作为整合剂。整合剂与金属颗粒发生作用以减少它们回落附着在晶表面上。

平坦化抛光的一些其他关键参数是磨料浆的pH值(酸碱度)，在晶圆/抛光垫界面流体动力学参数和磨料浆在不同材料的表面或其下层的刻蚀选择比。

9）抛光速度

生产中考虑的首要参数是抛光速度，影响抛光速度的因素有很多。上面描述的抛光垫的参数、磨料浆的种类和磨粉尺寸、磨料浆的化学成分，这些都是主要的因素。还有抛光垫压力、旋转速度;磨料的流速、料浆的黏度;抛光反应室的温度、湿度、j晶圆直径图形尺寸等，表面材料也是影响的因素。必须平衡以上所有因素以达到高的抛光速度且不使工艺失控。

10） 平整性

晶圆表面整体平整性，这是化学机械抛光的目标,但随着多层金属设计的采用，这目标变得不易达到。铜是一个特例，通过它可以看到一些化学机械抛光存在的基本问题铜被淀积在大马十革图形化工艺中的沟槽内(见下图)，导致中间密度低。在化学机械抛光过程中，中间研磨更快，从而导致"盘形"出现。而且，在图形密集区域，铜淀积密度也不同，引起各图形研磨速度不一致。

铜沟槽的“盘形”

钨塞形成。(a)淀积W;(b)化学机械抛光去除;(c)氧化层去除(源自1998年4月Solid State Technology,Copyright 1998 by PennWell Publishing Company )

图形形状尺寸的不同也会导致去除速度的不同。更大面积的区域去除更快，而在晶圆表面留下凹陷的低地。

还有，挑战来自金属的硬度(硬度不同,其抛光速率不同)和较软聚合物材料的层间介质(IDL)。尽管仍然存在各种挑战，晶圆表面的平整度不得不控制在150nm以下。

11） 化学机械抛光后的清洁

自始至终都在强调晶圆表面清洁的重要性。化学机械抛光后的清洁恰恰体现了这一重要性。清洁面临一些特殊的挑战。化学机械抛光是唯一有意在工艺过程中引人称为磨粉的微粒。它们一般可以用机械刷拂去或用高压水注冲去。化学清洁一般采用与其他FEOL清洗相同的技术。

精心挑选磨料浆的表面活性剂，调节pH值可以在磨料浆微粒和品圆表面之间产生电的排斥作用。这一技术可以降低污染，特别是静电吸附晶圆表面的污染物。铜污染要特别留意，因为一旦铜进入硅中，会改变或降低电路元件的电性能。铜残留应减少到4x10¹³原子/cm²范围。

12） 化学机械抛光设备

如果想成功地完成化学机械抛光工艺就需要有成熟的系统设备(见下图)。生产用的设备包括晶圆传递机械手、在线测量和洁净度监测装置。各种终结探测系统被用来监控某一种金属磨尽了或达到指定的研磨厚度的信号。化学机械抛光后清洁单元包括在主机室内或通过传递机械手与主机室连接，目标是实现“干进，干出”工艺。

化学机械光系统(源自:SpeedFam CMP-V System,Semiconductor  International,May 1993)

13）化学机械抛光小结

化学机械抛光是一步关键的平坦化工艺,它需要平衡高度集成化和许多工艺参数。主要参数是: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、料浆的流速、磨料浆的化学成分、磨料浆的材料选择。加之对光刻工艺平整度的改善,化学机械抛光使双大马士革图形化和铜金属化工艺得以实现。

14）回流

一些器件设计使用一层或多层硬平整化涂层。通常淀积具有4%~5%硼掺杂的二氧化硅，称为硼硅玻璃(BSG)。由于硼的存在使二氧化硅在相对低的温度(小于500℃)下液化流动，形成平坦的表面。

另一种硬平坦化层为旋转涂敷玻璃层(SOG)。玻璃层为二氧化硅和一种易挥发溶剂的混合体，旋转涂敷在晶圆表面后，烘焙玻璃膜,留下平坦的二氧化硅膜。旋转时玻璃是易碎的，有时在其中添加1%~10%的碳来增加抗裂性。

15）图形反转

在曝光小尺寸图形时，我们倾向于使用正胶，这一点在前面已经讨论过了。其中一个原因就是正胶适于使用暗场掩模版做孔洞。暗场掩模版大部分被铬覆盖，因为铬不会像玻璃一样易损，所以缺陷比较少。然而，一些掩模版用来曝光岛区,而不是孔洞，比如金属层掩模版上是岛区图形。遗憾的是，用正胶做岛区的光刻需要使用亮场掩模版，而它的玻璃容易损伤。

一种使用正胶和暗场掩模版做出岛区的工艺是图像反转。它采用了传统的暗场掩模版成像方法(见下图)，在曝光结束后，光刻胶里的图形与想要得到的图形是相反的，也就是说，如果接着显影的话，会得到孔洞而不是岛区。

图形反转

图像反转工艺的主要步骤为将涂胶的晶圆放置在有氨蒸气的真空烘箱中。氨蒸气穿透光刻胶，改变其极性。将晶圆从真空烘箱中取出，再进行泛光曝光，从而完成整个图形反转工艺。氨气烘焙和泛光曝光的效果是改变曝光区域和非曝光区域的相对分解率，在接下来的显影步骤便可以实现图形反转了。这一工艺可以实现与非图形反转工艺同样的分辨率。

16）反差增强层

光学投影系统的分辨率由于镜头和光线波长的限制，已经接近极限。正是这两个极限因素的存在，使得光刻胶的反差阈值(contrast treshold)也变得很重要，由于使用紫外线或深紫外线的能量大和曝光时间短，曝光波的能量强度有变化，使得光刻胶中的图像变得模糊。

一种方法可以降低阀值，即反差增强层(CEL)，就是在光刻胶上面涂一层，该层最初对曝光辐射是不透明的(见下图)。

反差增强层工艺流程

在曝光循环中，反差增强层变白(透明的)，从而允许光线通过它进人下面的光刻胶。反差增强层在变成透明物质前，首先对高强度光线响应，实际上在变成透明物质前，等于保存了低强度光线。结果就是光刻胶接受均匀的高强度能量照射，使得分辨率提高。可以将反差增强层想象成双层光刻胶系统中的上层光刻胶，在这上面薄层中形成图形。

反差增强层在显影前被一种喷涂化学试剂除去，然后对晶圆进行常规的显影。具有1.0um分辨能力的正胶通过反差增强层可以做出0.5um的图形。

17）染色光刻胶

在光刻胶生产过程中可以加入各种各样的染色剂。一种染色剂在曝光时可以具有一种或几种作用。一种作用可能是吸收辐射光线，借此可以削弱反射光的影响,将驻波效应减到最小。另一种作用可以改变显影时光刻胶聚合物的分解率。这一作用可以产生清晰的显影线条(增大反差)。染色剂的一个重要作用是消除淀积材料穿过表面台阶细线条处产生的凹口对光刻胶添加染色剂会增加5%~50%的曝光时间。

七、改进刻蚀工艺

在光刻胶中形成正确的图形是非常关键的一步，但对于品圆上的图形定义，只有这一步是不够的。我们还需精确地控制刻蚀工艺。目前有几种技术可以帮助刻蚀图形定义。

剥离工艺

在表面层中的图形尺寸最终是由曝光和刻蚀工艺共同决定的。在工艺中,有钻蚀(光刻胶支撑)的地方是个问题，例如铝刻蚀，尺寸变化的刻蚀成分可能是决定性的因素。一种可以消除刻蚀变差的方法称为剥离工艺(见下图)。在这一工艺中，晶圆经过显影过程，在需要淀积图形的地方留下孔隙。通过调整曝光工艺和显影工艺，使孔隙侧壁产生负斜面。

剥离工艺

接着，在晶圆表面进行淀积，淀积物覆盖整个品圆表面并进入孔隙中。然后，将晶圆表面光刻胶除去，光刻胶会连带将覆盖其上的淀积物一并去除，这样就只留下了孔隙中的淀积物，即所需的图形。通常去除步骤会伴随超声波激励，这样有助于在光刻胶边缘的淀积膜形成清晰的断裂界线。光刻胶和淀积膜去除后，在晶圆表面留下了希望的图形。

八、自对准结构

过刻蚀会使两个结构的距离比预想的近。而工艺制成中，不可避免地存在过刻蚀，所以各个结构的对准变得至关重要。一种解决办法就是自对准结构(self-alignedstructure)，比如MOS器件的栅极。定义栅极的同时也定义了源极或漏极(见下图)。打开源、漏区域是简单的刻蚀去除氧化物的过程,源或漏区域薄的氧化层保证了栅极上的氧化层不会被刻蚀光。接下来的离子注入将离子注入在栅极附近源区或漏区。使用不同的氧化层厚度和浸没式刻蚀的这种基本技术可以定义或刻蚀其他结构。该设计使用栅极作为注入阻挡层。

自对准硅栅极(SAG)结构

九、刻蚀轮廓控制

在第9章中，各向异性刻蚀的概念用来说明形成竖直(或接近竖直)刻蚀侧墙的一种方法。当刻蚀层实际上是多层不同材料叠在一起时，该问题变得更复杂[见下图(a)]。使用选择性比较差的刻蚀剂会形成宽度不同的层面[下图(b)]。多层刻蚀轮廓控制必须综合考虑刻蚀剂化学成分、功率水平、系统压力和设计。

参考文献：

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