集成電路(芯片)(integrated circuit)是現代日常生活中不可或缺的。手機、電腦以及所有日常家電中都有芯片在默默地工作。正是由于芯片功能的升級,才使得手機實現了3G和4G 功能;平板電腦可以集成全球定位系統(global positioning system,GPS)、數位相機、網絡電視等多項功能,音頻/視頻處理芯片及通信等嵌入式芯片是不可或缺的幕后功臣。光刻是集成電路制造中的關鍵技術,也是所有微納器件制備過程中必不可少的一道工藝。正是由于光刻設備、材料和工藝的發展,才使得集成電路上的器件越做越小,芯片的集成度越來越高,單個晶體管的平均造價越來越低。

光刻(photolithography)是集成電路制造中的一道關鍵工藝,它是利用光化學反應原理把事先制備在掩模版(簡稱掩模,mask)上的圖形轉印到一個襯底(substrate)上的過程,使選擇性的刻蝕跟離子注入成為可能。

 

   

 

光刻于20世紀60~70年代開始被應用于電子工業,電路板上的復雜線路就是用光刻技術做出來的。那時的光刻基本上都是接觸式曝光(contact exposure),即曝光時,掩模與涂了光刻膠(photo-resist)的襯底是相接觸的。從80年代開始,投影式曝光(projection exposure)被廣泛應用于集成電路制造中。掩模作為一個光學元件嵌入在光學系統中,曝光光線透過掩模板,經過投影光學系統(projection optics)投射在襯底表面;掩模不需要與襯底直接接觸(這種掩模又有了一個新的英文名稱”reticle”)。從此,光刻技術的發展就和集成電路節點(technology node)的推進(摩爾定律)密不可分。一方面,光刻技術的發展為生產更高集成度的芯片提供技術保證;另一方面,市場對新技術節點器件的期望又促進了光刻技術的快速發展和產業化。

整個光刻工藝需要使用許多專業設備和材料。專用設備包括勻膠顯影機,光刻機,套刻精度量測機,掃描電子顯微鏡及晶圓返工時用到的去膠清洗機。專用材料包括各種抗反射涂層、光刻膠、抗水頂蓋涂層、顯影液以及各種有機溶劑等。在光刻工藝中,掩模、曝光系統跟光刻膠這三者及其相互作用最終決定了光刻膠上圖形的形狀。

 

光刻工藝的最終目的是在晶圓上實現集成電路設計所要求的圖形。整個過程程實際上包括兩部分。第一部分是把設計圖形制備到掩模上,第二部分是把掩模上圖形制備到晶圓上。這部分就是我們所說的光刻工藝。

 

光刻工藝的評價標準

一個集成電路的制造過程(process flow)是由許多工藝單元(unit process)構成的,每一個工藝單元的輸出就是下一個工藝單元的輸入。工藝單元之間的銜接和整合是由工藝集成(process integration)部門負責的。

 

光刻工藝的輸出就是光刻膠上的圖形。工藝集成部門對光刻膠上的圖形有嚴格要求, 如下圖(a)所示。 首先是圖形的線寬,一般是在目標值的+/-(8~10)%之內。其次是套刻誤差,光刻膠上的圖形必須與襯底上的參考層對準,如下圖(b)所示,其X/Y方向的偏差必須小于一個規定的值。通常KRF光刻能達到小于+/-15nm的套刻誤差,ARF光刻能達到小于+/-7nm的套刻誤差。第三是晶圓表面膠的厚度。光刻后的下一道工藝通常是反應離子刻蝕(reactive ion etch, RIE)。盡管反應離子刻蝕有很高的選擇性。但光刻膠必須有一定的厚度才能保證在刻蝕的過程中不被全部消耗掉。第四,光刻膠頗面側角必須大于85度

 

     隨著技術節點的縮小,即線寬的縮小,對晶圓上線寬的均勻性(CDU)和套刻誤差的要求也相應地提高。ITRS曾經建議,CDU(3sigma)必須不能超出線寬的7%,套刻誤差不能大于線寬的20%。對于20nm 半周期節點,CDU必須小于1。4nm,套刻誤差必須小于4nm。

     集成電路生產廠光刻工程師的職責就是要保證光刻后光刻膠上的圖形符合以上各項需求。為了實現這個目標,光刻工藝中的各項參數都必需控制在一個較小的范圍,被稱為工藝窗口(process window)。 光刻工藝的窗口一般是通過曝光聚焦-能量矩陣(focus-energy matrix, FEM)數據來確定的。曝光時,在一個方向以固定的步長改變聚焦值,另一個方向以另一個固定的步長改變改變曝光能量,如下圖所示。曝光顯影完成后,測量晶圓上圖形的尺寸,得到所謂的”Bossung”圖,如下圖所示。 假設所要的圖形的目標線寬(target CD)是56nm。 允許的范圍是+/-3nm(在圖中用方框標出),那么在曝光能量等于17。6mJ/cm2時的焦深大約就是100nm。

  

 

 

光刻工藝窗口的確認也需要兼顧到光刻膠的品質,光刻膠品質管控受到下圖中各種主要參數的影響。

 

 

其次光刻工藝產出圖形的好壞也受到OLY/CD這兩個站點的影響,這2站相關的控制因子列舉如下:

 

 

 

         最后光刻工藝產出圖形表面的好壞由ADI 這個站點來檢驗,這站的檢查重點如下:

 

 

結論:

     光刻是一門綜合技術,是光學、化學、微電子制造、電路設計等各類學科的交集,同時,它又是一門較為邊緣化的技術,其應用范圍專而精。光刻工藝在制造工程中需要確認的各方面參數相對復雜,但是只要各方面都控制好,再經過這些不同站點量測檢查與確認,一個好的光刻工藝圖形的定義就完成了?。ㄎ?陳慶鴻)




2020年06月22日

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時代芯存科普系列——光刻工藝簡介

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