芯片制造工藝：光學(xué)光刻-掩膜、光刻膠

光刻就是將掩膜上的幾何圖形轉(zhuǎn)移到涂在半導(dǎo)體晶圓表面的光敏薄層材料（光刻膠）上的工藝過程。為了產(chǎn)生電路圖形，還需要再一次把光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠下面的組成集成電路器件的各層上去（刻蝕）。

1.光學(xué)光刻-掩膜、光刻膠

1.1 潔凈室? ? ?

由于空氣中的塵埃粒子會落到半導(dǎo)體晶圓和光刻掩模上，致使器件中產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致集成電路失效，因此潔凈室是必需的。?制造集成電路的大多數(shù)工藝區(qū)域要求100級（空氣中每立方米內(nèi)直徑大于等于0.5μm的塵埃粒子總數(shù)不超過約3500）潔凈室，在光刻區(qū)域，潔凈室要求10級或更高。

1.2 光刻膠? ??

光刻這個(gè)步驟中，首先是涂光刻膠：

涂光刻膠的過程：

將光刻膠涂在晶圓上，并讓晶圓高速旋轉(zhuǎn)，使光刻膠均勻分布

圖源：Sanken Electric

光刻膠是一種對輻射敏感的化合物，分為正膠和負(fù)膠。正膠的曝光部分在顯影時(shí)更易溶于溶劑而被去掉，所得的圖圖像與掩模上的相同。負(fù)膠的曝光部分在顯影時(shí)更不易被溶解，因此所得圖形與掩模上的相反。

圖(a)給出了典型的曝光反應(yīng)曲線與正膠圖像的截面圖。光刻膠即使沒有曝光，在顯影液中也有一定的可溶性。隨著曝光能量的增加，可溶性逐漸增加，達(dá)到閾值能量Er后，光刻膠完全可溶。圖(b)負(fù)膠同理。

由于存在衍射，光刻膠圖像邊緣一般不在掩膜圖像邊緣的垂直投影位置上，而是在吸收的光能總量等于閾值能量Er的位置上。

1.3?掩膜

集成電路制造所用的掩膜通常是縮小倍數(shù)的掩膜。制作掩膜是用電子束曝光系統(tǒng)將圖形直接轉(zhuǎn)移到對電子束敏感的掩膜上。掩模由鍍鉻玻璃板組成。電路圖形首先被轉(zhuǎn)移到對電子敏感的掩模上，再被轉(zhuǎn)移到下面的鍍鉻層上，最終得到需要的掩模。

一塊掩膜上的圖形代表了集成電路設(shè)計(jì)中的一層。綜合的布局布線圖按照集成電路制造對應(yīng)的工序分成若干塊掩模層，例如隔離區(qū)是一層，柵極區(qū)是另一層等。一般一個(gè)完整的集成電路工藝流程需要15~20層不同的掩膜。

2.光學(xué)光刻-曝光(設(shè)備、原理)

2.1?遮蔽式曝光（接觸式曝光、接近式曝光）：

有兩種基本的光學(xué)曝光方法：遮蔽式(shadow)曝光與投影式(projection)曝光。遮蔽式曝光可分為兩種：掩模和晶圓直接接觸，稱為接觸式曝光；掩模和晶圓非常靠近但不接觸，稱為接近式曝光。

圖(a)為接觸式曝光。涂了光刻膠的晶圓與掩模直接接觸，分辨率可達(dá)1μm。但是，當(dāng)掩模與晶圓接觸時(shí)，晶圓上的塵埃粒子或硅渣會嵌入掩模，對掩模造成永久性損傷，使隨后使用它曝光的每個(gè)晶圓上都留下缺陷。

要把掩模的受損程度減至最小，可采用接近式曝光，如圖(b)所示：曝光時(shí)在掩模與晶圓之間有一個(gè)小的間隙(10~50μm)。這個(gè)小間隙使掩模圖形邊緣處形成光學(xué)衍射，即在光通過不透明掩模圖形邊緣時(shí)，形成一些干涉條紋，有一些光進(jìn)入陰影區(qū)，使分辨率降到2~5μm范圍.

在遮蔽式曝光中，可以達(dá)到的最小線寬CD(critical dimension，也稱臨界尺寸）約為

因此，減小λ(曝光所用的光波波長)與g(掩模與晶圓之間的距離，包括光刻膠的厚度)都是有利的。?當(dāng)λ＝0.4 μm,g=50 μm時(shí)，臨界尺寸CD為4.5 um。若λ降到0.25μm（波長為0.2~0.3μm的光屬于紫外光譜區(qū)）,g減小到15μm，則CD降為2μm。然而，在距離g給定后，直徑大于g的塵埃粒子仍能造成掩模的損傷。

2.2 投影式曝光

為了克服遮蔽式曝光的掩模損傷問題，出現(xiàn)了投影式曝光設(shè)備：

此類設(shè)備可將掩模上的圖形投影到距離掩模幾厘米遠(yuǎn)的涂有光刻膠的晶圓上。每次只曝光掩模的一小部分，然后移至下一個(gè)芯片位置曝光，用掃描或分步重復(fù)的方法使小面積圖形布滿整個(gè)晶圓。

圖源：Sanken Electric

重點(diǎn)：分辨率的影響因素有哪些：

投影時(shí)，當(dāng)掩膜上的尺寸比光的粒子性質(zhì)大，效果就很好。但在較小的尺寸下，即掩模上的尺寸與光的波長相當(dāng)，衍射效應(yīng)占主導(dǎo)地位，即光的波動性。

艾里斑(Airy disk)是點(diǎn)光源通過衍射受限成像時(shí)，由于衍射而在焦點(diǎn)處形成的光斑。

艾里斑(Airy disk)

最中心的圓的直徑為1.22λf/d。那么掩膜上2個(gè)很緊鄰的特征會發(fā)生什么？

圖源：https://slideplayer.com/slide/5732688/

成像面上的A'和B'是否可分辨呢？這就引出了瑞利判據(jù)：

考慮衍射情況下的艾里斑，當(dāng)2個(gè)物點(diǎn)過于靠近，則不可分辨；當(dāng)一個(gè)物點(diǎn)正處在另一個(gè)物點(diǎn)的艾里斑的第一個(gè)暗環(huán)位置時(shí)，稱為剛剛好可分辨的狀態(tài)：

圖源：www.edinst.com

依據(jù)瑞利判據(jù)，有了投影系統(tǒng)分辨率(線寬)的公式：

lm=k1?·?λ / NA

λ為曝光波長。

k1為工藝參數(shù)，包含光學(xué)鄰近效應(yīng)、光刻膠的化學(xué)成分、光刻系統(tǒng)的溫度等多個(gè)參數(shù)。

NA為數(shù)值孔徑，由下式給出：

NA=nsinθ

其中，n為成像介質(zhì)的折射率，θ為光線在晶圓處匯聚成點(diǎn)像時(shí)的錐體頂角的一半

從分辨率公式?lm=k1?·?λ / NA?可知，要提高分辨率，可以減小λ?、減小k1或增大NA。從上圖也可以看到，θ的增大雖然會增大NA，但是也會讓焦深DOF減小。

瑞利判據(jù)還有第二個(gè)限制條件是針對焦深DOF(δ)做出的，即：

所以，在優(yōu)化過程中，需要綜合考慮多方面因素。

3.光學(xué)光刻-提高分辨率：

3.1 減小λ：從436nm到13.5nm

圖源：整理自《半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)》、《極紫外光刻》

3.2?增大NA

根據(jù)公式?NA=nsinθ 可知，NA由透鏡的接收角和透鏡周圍介質(zhì)的折射率決定。所以，有兩個(gè)方向可以增大NA：

(1)優(yōu)化鏡片(改變sinθ)

在曝光波長縮短的同時(shí)，鏡頭設(shè)計(jì)的改進(jìn)也導(dǎo)致曝光系統(tǒng)鏡頭的數(shù)值孔徑(NA)得到改善，見圖 。在八十年代中期，NA 值約為 0.4 ，后來248nm 曝光系統(tǒng)的 NA 大于 0.8。使用空氣作為透鏡和晶圓之間介質(zhì)的曝光系統(tǒng)的 NA 物理極限為 1，實(shí)際極限約為 0.9.

(2)改變介質(zhì)(折射率)--浸沒式光刻

NA 由透鏡的接收角和透鏡周圍介質(zhì)的折射率決定。基于空氣的系統(tǒng)的物理限制是明確的，但如果用具有更高折射率的介質(zhì)代替空氣呢？多年來，顯微鏡一直在鏡頭和所觀察的樣品之間使用油來提高分辨率，令人驚訝的是，半導(dǎo)體行業(yè)花了很長時(shí)間才考慮用替代品替代空氣。

圖源：www.nikon.com

3.3?減小K1：相移掩膜、光學(xué)鄰近效應(yīng)矯正、離軸照明、雙重曝光

(1)相移掩膜 PSM

相移掩模(phase-shifting mask)原理如圖:

傳統(tǒng)的掩模，每個(gè)縫隙處電場的相位都相同，如圖(a）所示。光學(xué)系統(tǒng)的衍射與分辨率的限制使得晶圓上的電場分布散開，如圖中虛線所示。相鄰縫隙處的衍射波相互干涉，增強(qiáng)了兩者之間的電場。由于光強(qiáng)度I與電場的平方成正比，因此，若兩個(gè)圖形靠得很近，經(jīng)過投影后就很難分辨了。將相移層覆蓋在相鄰縫隙處，則可以使其電場方向相反，如圖(b）所示。因?yàn)檠谀Ｉ系墓鈴?qiáng)度未改變，晶圓上圖形的電場可被抵消，所以兩個(gè)靠得很近的圖形也可以清晰地分辨。180°的相位變化可以通過在縫隙處添加一個(gè)厚度為d＝λ／2(n-1)的透明層得到，其中n是折射系數(shù)，λ是波長。

(2)光學(xué)鄰近效應(yīng)矯正 OPC

光學(xué)鄰近效應(yīng)校正(optical proximity correction)是通過采用對鄰近區(qū)域修正過的圖形來提高圖像的質(zhì)量，可用于在一定程度上補(bǔ)償衍射效應(yīng)。

例如，若接近分辨率極限的方形接觸孔刻出來像一個(gè)圓孔，則可在掩模方形接觸孔的拐角處對圖形進(jìn)行修正，使它刻出來成為一個(gè)準(zhǔn)確的方孔。

OPC還分為基于規(guī)則和基于模型兩種：

圖源：https://slideplayer.com/slide/5732688/

(3)離軸照明

離軸照明即光源不在軸上：

圖源：https://slideplayer.com/slide/5732688/

“離軸照明”允許捕獲一些高階衍射光，從信息光學(xué)的觀點(diǎn)看，掩模圖形經(jīng)投影物鏡成像時(shí)，由于投影物鏡的數(shù)值孔徑有限，高頻部分不能進(jìn)入光瞳對成像無貢獻(xiàn)，使硅片面上的掩模像的對比度降低，影響成像質(zhì)量。由于0級衍射光不包含掩模圖形的任何空間調(diào)制信息，所以要對掩模圖形成像至少要包含1級衍射光。在投影曝光系統(tǒng)中掩模圖形的空間像的對比度依賴于投影物鏡中參與成像的1級衍射光的比例。離軸照明技術(shù)通過降低成像光束中的低頻成分來提高高頻成分在總光強(qiáng)中的比例從而提高了空間像的對比度，同時(shí)還可以提高焦深。

圖源：https://slideplayer.com/slide/5732688/

在IC工業(yè)中，僅收集m=0和+1（或-1）級衍射光。無需二階。上圖左邊僅僅收集到了0階衍射光，右邊有了離軸照明后，可以收集到0階和1階衍射光。

離軸照明的形式有多種，比如下圖中的環(huán)形照明和四極照明：

圖源：https://slideplayer.com/slide/5732688/

四極照明：對于線/空間圖案最有效（取決于線方向，最適合垂直或水平線/空間圖案），對于孤立特征效果較差。

環(huán)形照明：分辨率增強(qiáng)較少，但與方向無關(guān)。

(4)雙重曝光

雙重曝光是將掩模上的圖案分成兩個(gè)掩模，從而使特征之間有更大的分離。使用兩個(gè)掩模將光刻膠曝光兩次。

圖源：https://slideplayer.com/slide/5732688/

雙重曝光的另一個(gè)優(yōu)勢是：同一布局中的不同特征（如不同顏色所示）可能需要不同的照明，因此需要不同的曝光。

圖源：維基百科

雖然水平線和垂直線可以使用普通的四極照明（藍(lán)色）來解決，但 45 度方向會受到影響，因?yàn)樗鼈冃枰耆煌乃臉O照明（紅色）。因此，要包括所有這些情況，需要單獨(dú)曝光。

盡管上述的相移掩模、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正、離軸照明等方法能彌補(bǔ)光學(xué)曝光的不足，但人們也在尋找新的曝光方法來完成納米級的集成電路制造，比如電子束曝光、X射線曝光、離子束曝光、極紫外曝光等。此部分內(nèi)容在下一篇中介紹。

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審核編輯：黃飛

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