半導(dǎo)體制造工藝（一）光刻工藝、掩模版

在集成電路制造工藝中，光刻是決定集成器件集成度的核心工序，該工序的作用是將圖形信息從掩模版（也稱掩膜版）上保真?zhèn)鬏敗⑥D(zhuǎn)印到半導(dǎo)體材料襯底上。光刻工藝的基本原理是利用涂敷在襯底表面的光刻膠的光化學(xué)反應(yīng)作用，記錄掩模版上的器件圖形，從而實(shí)現(xiàn)將集成器件圖形從設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)印到襯底的目的。

光刻工藝的關(guān)鍵指標(biāo)包括分辨率、靈敏度、套準(zhǔn)精度、缺陷率等。光刻工藝中最關(guān)鍵的材料是作為感光材料的光刻膠。光刻膠按極性可分為正光刻膠（簡(jiǎn)稱正膠）和負(fù)光刻膠（簡(jiǎn)稱負(fù)膠）兩種，其性能差別在于：負(fù)光刻膠曝光區(qū)域在曝光顯影后變硬而留在晶圓片表面，未曝光部分被顯影劑溶解；正光刻膠經(jīng)過曝光后，曝光區(qū)域的膠連狀聚合物會(huì)因?yàn)楣馊芙庾饔枚鴶嗔炎冘?，最后被顯影劑溶解，而未曝光的部分則保留在晶圓片表面。先進(jìn)芯片的制造大都使用正光刻膠，這是因?yàn)檎饪棠z能達(dá)到納米圖形尺寸所要求的高分辨率。16nm/14nm及以下技術(shù)代在通孔和金屬層又發(fā)展出正膠負(fù)顯影技術(shù)，將未經(jīng)曝光的正光刻膠使用負(fù)顯影液清洗掉，留下曝光的光刻膠，這種方法可提高小尺寸溝槽的成像對(duì)比度。

典型的光刻工藝的主要過程包括5個(gè)步驟：底膜準(zhǔn)備→涂光刻膠和軟烘→對(duì)準(zhǔn)、曝光和曝光后烘→顯影堅(jiān)膜→顯影檢測(cè)。

1）底膜準(zhǔn)備：主要是清洗和脫水。因?yàn)槿魏挝廴疚锒紩?huì)減弱光刻膠與晶圓片之間的附著力，所以徹底的清洗可以提升晶圓片與光刻膠之間的黏附性。

2）涂光刻膠和軟烘：通過旋轉(zhuǎn)硅片的方式實(shí)現(xiàn)。對(duì)于不同的光刻膠要求不同的涂膠工藝參數(shù)，包括旋轉(zhuǎn)速度、膠厚度和溫度等。軟烘：通過烘烤可以提高光刻膠與硅片的黏附性，以及光刻膠厚度的均勻性，以利于后續(xù)刻蝕工藝的幾何尺寸的精密控制。

3）對(duì)準(zhǔn)、曝光和曝光后烘：對(duì)準(zhǔn)和曝光是光刻工藝中最重要的環(huán)節(jié)，是指將掩模版圖形與晶圓片已有圖形（或稱前層圖形）對(duì)準(zhǔn)，然后用特定的光照射，光能激活光刻膠中的光敏成分，從而將掩模版的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上。對(duì)準(zhǔn)和曝光所用的設(shè)備為光刻機(jī)，它是整個(gè)集成電路制造工藝中單臺(tái)價(jià)格最高的工藝設(shè)備。光刻機(jī)的技術(shù)水平代表了整條生產(chǎn)線的先進(jìn)程度。曝光后烘指的是曝光后進(jìn)行短時(shí)間的烘焙處理，其作用與在深紫外光刻膠和常規(guī)i線光刻膠中的作用有所不同。對(duì)于深紫外光刻膠，曝光后烘去除了光刻膠中的保護(hù)成分，使得光刻膠能溶解于顯影液，因此曝光后烘是必須進(jìn)行的；對(duì)于常規(guī)i線光刻膠，曝光后烘可提高光刻膠的黏附性并減少駐波（駐波對(duì)光刻膠邊緣形貌會(huì)有不良影響）。

4）顯影堅(jiān)膜：即用顯影液溶解曝光后的光刻膠可溶解部分（正光刻膠），將掩模版圖形用光刻膠圖形準(zhǔn)確地顯現(xiàn)出來。顯影工藝的關(guān)鍵參數(shù)包括顯影溫度和時(shí)間、顯影液用量和濃度、清洗等，通過調(diào)整顯影中的相關(guān)參數(shù)可提高曝光與未曝光部分光刻膠的溶解速率差，從而獲得所需的顯影效果。堅(jiān)膜又稱為堅(jiān)膜烘焙，是將顯影后的光刻膠中剩余的溶劑、顯影液、水及其他不必要的殘留成分通過加熱蒸發(fā)去除，以提高光刻膠與硅襯底的黏附性及光刻膠的抗刻蝕能力。堅(jiān)膜過程的溫度根據(jù)光刻膠的不同及堅(jiān)膜方法的不同而有所不同，以光刻膠圖形不發(fā)生形變?yōu)榍疤?，并?yīng)使光刻膠變得足夠堅(jiān)硬。

5）顯影檢測(cè)：即檢查顯影后光刻膠圖形的缺陷。通常利用圖像識(shí)別技術(shù)，自動(dòng)掃描顯影后的芯片圖形，與預(yù)存的無缺陷標(biāo)準(zhǔn)圖形進(jìn)行比對(duì)，若發(fā)現(xiàn)有不同之處，就視為存在缺陷。如果缺陷超過一定的數(shù)量，則該硅片被判定未通過顯影檢測(cè)，視情況可對(duì)該硅片進(jìn)行報(bào)廢或返工處理。在集成電路制造過程中，絕大多數(shù)工藝都是不可逆的，而光刻是極少數(shù)可進(jìn)行返工的一道工序。

上文我們簡(jiǎn)述了光刻工藝的大致流程，接下來介紹在光刻工藝中所需用到的必備材料以及設(shè)備，例如掩模版、光刻膠、勻膠機(jī)、光刻機(jī)等等，由于需要保持講述工藝的完整性以及流暢，每一個(gè)都需要涉及，所以每次僅是側(cè)重點(diǎn)不同，這里主要講述的是掩模版及其工作原理、組成等等。

掩膜版——高精度光刻的關(guān)鍵

掩膜版（Photomask），又稱光罩、光掩膜、光刻掩膜版等，是微電子、集成光電子制造中光刻工藝所使用的圖形母版， 由不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩膜圖形，并通過曝光將圖形轉(zhuǎn)印到晶圓上。其工作原理如圖三。

圖三 掩模版工作原理

掩模版在設(shè)計(jì)時(shí)有著明場(chǎng)和暗場(chǎng)之分，在其與之光刻膠（正、負(fù)膠）曝光時(shí)可以根據(jù)工藝時(shí)的需要來選擇設(shè)計(jì)。上文已經(jīng)提到正光刻膠曝光區(qū)域被溶解，負(fù)膠則相反。如圖四所示。

圖四 掩模版特性

掩膜版主要由基板和遮光膜兩個(gè)部分組成?；宸譃?strong style=";padding: 0px;outline: 0px;max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important">樹脂基板和玻璃基板，玻璃基板主要包括石英基板和蘇打基板，根據(jù)遮光膜種類的不同，可以分為硬質(zhì)遮光膜和乳膠。

圖五 掩模版分類

在如此多種類的掩模版中如何去挑選更為適合所需工藝要求的，就要簡(jiǎn)單了解它們的優(yōu)缺點(diǎn)。首先基板襯底必須具備良好的光學(xué)透光特性、尺寸及化學(xué)穩(wěn)定性，表面平整、光潔，無夾砂、半透明點(diǎn)及氣泡等微小缺陷。具體比較如下表所示：

再者就是對(duì)不同遮光膜的介紹，這里其實(shí)可以先簡(jiǎn)單提及光刻技術(shù)的發(fā)展如圖六所示：

圖六 光刻技術(shù)發(fā)展

可以看到，根據(jù)掩膜曝光方式的不同，分為接觸式曝光，接近式曝光和投影式曝光。90年代以來，投影式曝光光刻技術(shù)成為了光刻技術(shù)的主流。在這之后，當(dāng)技術(shù)節(jié)點(diǎn)發(fā)展到32nm時(shí)，傳統(tǒng)光刻的光學(xué)特點(diǎn)在極小尺寸下受到物理規(guī)律的限制必須采用其他的輔助技術(shù)繼續(xù)提升其分辨率。其中這些輔助技術(shù)多是針對(duì)掩膜版的改進(jìn)。而當(dāng)最小線寬小于28nm，則需要多重曝光技術(shù)將掩模版拆分成多個(gè)，分別進(jìn)行曝光。

勻膠鉻版光掩膜

在接觸式光刻技術(shù)時(shí)代，用超微粒乳膠干版投片，雖然乳膠版具有制作容易、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是由于其膠膜面軟，存在易擦傷和沾污、清潔處理困難、使用壽命短等缺點(diǎn)。勻膠鉻版的制作工藝相對(duì)復(fù)雜、技術(shù)難度大、成本高，但它具有分辨率高、缺陷低、耐磨、易清潔處理、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，適用于制作高精度、超微細(xì)圖形，現(xiàn)已逐漸替代接觸式乳膠干版掩模，成為集成電路掩模的關(guān)鍵材料。目前還是一部分用的是接觸式曝光，選擇依舊還是鉻版為主。勻膠鉻版光掩?？蓱?yīng)用的光學(xué)范圍很廣，覆蓋了g線、i線，以及包括KrF（波長(zhǎng)248nm）和ArF（波長(zhǎng)193nm）的深紫外光刻工藝，曝光光源的波長(zhǎng)極限決定了關(guān)鍵尺寸的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

圖七 勻膠鉻版曝光原理

移相光掩模

當(dāng)集成電路圖形的關(guān)鍵尺寸和間距達(dá)到曝光光源的波長(zhǎng)極限時(shí)，傳統(tǒng)的勻膠鉻版在光學(xué)衍射作用下，相鄰部分的光強(qiáng)將相互疊加，造成投影對(duì)比度不足而無法正確成像。為了提高曝光分辨率的極限，引入了利用光學(xué)相位差增加光強(qiáng)對(duì)比度的移相掩模版。此類掩模版需要利用光學(xué)相位差進(jìn)行光強(qiáng)補(bǔ)償，由于光刻機(jī)的曝光波長(zhǎng)不同（如曝光波長(zhǎng)為248nm的KrF深紫外光刻機(jī)，或曝光波長(zhǎng)為193nm的ArF光刻機(jī)），需要分別使用對(duì)應(yīng)248nm或193nm波長(zhǎng)下可提供180 °相位補(bǔ)償透光光強(qiáng)的KrF移相光掩?；駻rF移相光掩模。

圖八 移相掩模版曝光原理

極紫外光掩模

集成電路技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了以極紫外為曝光光源（光源波長(zhǎng)為13～15nm，一般為13.5nm）的極紫外光刻（EUVL）技術(shù)。由于其曝光波長(zhǎng)極短，這樣的曝光環(huán)境下物質(zhì)吸收性很強(qiáng)，傳統(tǒng)的穿透式光刻掩模版不能繼續(xù)使用，而要改成適應(yīng)反射式光學(xué)系統(tǒng)多層堆疊結(jié)構(gòu)的反射型掩模版，包括中間層、頂部覆蓋層釕（Ru）和吸收層TaN等。其中，掩模中間層是由金屬M(fèi)o和Si組成的多層膜結(jié)構(gòu)，對(duì)極紫外光有較高的反射系數(shù)。由于13nm的極紫外光具有X射線光譜特性，可實(shí)現(xiàn)反射微影過程的圖形轉(zhuǎn)移和傳遞幾乎無失真，因此掩模的圖形設(shè)計(jì)和相關(guān)工藝復(fù)雜程度可以得到相應(yīng)的降低。對(duì)于極紫外光掩模的制備，除了圖形關(guān)鍵尺寸縮小帶來的工藝挑戰(zhàn)以外，在應(yīng)用過程中的高熱穩(wěn)定性和抗輻射技術(shù)也需要重視。由于發(fā)射型掩模版進(jìn)行傳統(tǒng)的蒙版保護(hù)，所以掩模的儲(chǔ)存、運(yùn)輸及操作等非常困難。在此基礎(chǔ)上，極紫外光掩模在微影曝光端的應(yīng)用，必須與光掩模檢驗(yàn)、清洗和修補(bǔ)機(jī)臺(tái)組合在一起，以避免使用過程中的污染或其他原因在芯片上造成的缺陷，而這將導(dǎo)致微影端工藝和設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用非常高，反過來又促使掩模制造方抓緊對(duì)高溫耐久的掩模蒙版的研發(fā)。

文章來源：Lightigo