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利用光刻形成接触孔和布线层的实例

光刻技术是一类特殊的照相制版技术，它是采用掩模（mask）将电路图形由光刻胶转写-显影，经刻蚀，形成需要的电路图形。该工程依场所不同也简称为photolitho-工程、photo-工程、litho-工程等。图形曝光中使用的缩小投影曝光装置（Steper）是半导体制造装置中最为昂贵的，属于超高精密光学仪器。器件制造中要经过分步相机20～30次的反复曝光，因此光刻工程是IC芯片制程的中枢。

利用光刻形成接触孔和布线层的实例

在半导体基板上形成绝缘膜。此外，在绝缘膜的下方，半导体元件的一部分已预先形成扩散层。此扩散层的作用是实现电气接触，因此需要在绝缘膜上开孔。这便是接触孔图形。为此，需要在已形成的绝缘膜上涂布称为光刻胶的感光性树脂。一般，光刻胶膜的厚度在0.5～1μm，采用旋转涂布法涂布。膜层经100℃左右的热处理，使光刻胶中的有机溶剂挥发。此后，采用紫外线，用掩模图形对光刻胶投影，则在光刻胶中形成掩模图形的潜像。在此，作为接触孔图形，是按所希望的位置开出相对应的孔。接着进行曝光后的坚膜烘焙，烘焙温度一般在100～150℃。此后，利用显影液进行显影处理。

正型光刻胶和负型光刻胶的对比 正型光刻胶和负型光刻胶的对比

光刻胶材料分正型和负型两种，前者掩模图形透光部分曝光的光刻胶溶解于显影液，而后者掩模图形透光部分曝光的光刻胶在显影液中不溶解。通过掩模图形的明暗与光刻胶种类的组合，可获得所希望的图形。工业上正型光刻胶使用较多。

曝光，显影:

在微影曝光工程中，首先要在硅圆片表面均匀地涂布感光性树脂光刻胶，涂布操作需要在涂胶机（Coating）中进行。在涂胶机中，将硅圆片固定在旋转甩胶台上，抽真空，由上方的喷嘴向硅片表面中心滴入液态光刻胶，由于硅圆片高速旋转，从而在表面形成均匀的光刻胶薄膜。光刻胶的感光性对温度、湿度很敏感，在超净工作间内操作光刻胶的区域要用特殊的橙色光照明，而且必须特别注意控制温度和湿度。

涂布好光刻胶的硅圆片，要装在称作步进重复曝光机的曝光装置中进行掩模图形的复制。对于不同光源的光，采用各种各样的透镜系统，通常利用实际图形5倍大小的掩模，进行缩微投影，先对一个芯片进行曝光，此后通过步进重复（step-and-repeat），对整个硅圆片进行扫描。

决定步进重复曝光机性能的两大要素，一是光的波长，二是透镜的数值孔径(NA)。换句话说，能稳定地形成多么微细的图形取决于这两个因素，要想得到更高的分辨率，需要利用波长更短的光和数值孔径更大的透镜。但与此同时，焦点的深度也会变浅，由于元件表面凹凸很多，如果焦点深度太浅，芯片内部就会出现结像不实的状态，从而也就难以形成微细化的图形。因此，为了实现图形的微细化，必须同时对元件表面进行平坦化处理。

曝光后的硅圆片在经过PEB（Post Exposure Bake ：曝光后烘烤）后，进行显影（又称显相）处理。用g线及i线对光刻胶曝光时，由于驻波的影响，光刻胶图形的边沿会变成微型锯齿状。上述PEB处理的目的之一是消除这种微小缺陷，另一个目的是，对于准分子激光光刻胶来说，可以通过催化反应加速酸的产生。显影要在显影机（Developer）中进行，将强碱性显影液TMAH［N(CH3)4OH］滴在或喷射在硅圆片上。

显影处理中所利用的光化学反应，对于g线、i线光刻胶和准分子激光光刻胶是不同的，但最为重要的是，以“正光刻胶”为例，利用光照射部分光刻胶的化学反应，在碱溶液作用下化学结构发生变化，进而溶于显影液中。而未被光照射部分的光刻胶图形则不发生变化而保留下来。显影后的硅圆片要在烘箱中热处理，以使光刻胶中残留的冲洗液及水分蒸发，同时增加光刻胶的热稳定性。在此之后送入干法刻蚀工序。

光刻工程:

从在基板上涂布光刻胶开始，而后，进行曝光、显影、刻蚀、去除使用过的光刻胶等一系列步骤。将整个工艺流程分成前半和后半两部分，前半部分是电路图形向光刻胶膜的转写，即对光刻胶进行处理的工序；后半部分是利用该光刻胶图形对基体膜进行加工的工序。后半工序包括蚀刻和光刻胶去除两步。

电路图形是利用曝光装置，通过光刻掩模，在光刻胶上选择性地照射紫外光，利用光刻胶内部的光化学反应，形成电路图形的潜像。通过对该潜像显影，形成光刻胶图形。

现在的曝光装置仅从20世纪60年代算起，就经历过多次的技术革新，且早已进入缩小投影曝光装置（Steper）时代。随着图形微细化的进展，其性能也不断提高，使用的光源已进入到紫外、远紫外、深紫外（deep UV）区域。Steper是由光学设备厂商提供的半导体制造装置，由照明系统、透镜系统、精密移动台架等组成，属于高度精密设备。它是依照半导体制造技术路线图，依照明确的技术目标设定而开发的，半导体器件厂商对于Steper厂商的依赖度几乎达100%。

光刻胶（感光性树脂）是由化学品厂商提供的，每个时代所用的光刻胶对于紫外线波长来说都有足够的灵敏度（感度），这是为得到高图像分辨率的感光性聚合物材料开发的成果。对金属污染及颗粒混入的管理极为严格，无论同一批次内，还是不同批次间，对于均质性的要求都极为严格，属于精细化学（fine chemistry）产品。尽管光刻胶材料本身并非特殊，但用于VLSI，不仅要求极严，而且身价倍增，越是用于短波长的，附加值越高。

在光源短波长化的同时，对光刻胶特性的要求越来越严，烘焙及显影条件等需要更高的管理水平。特别是，KrF、ArF光源光刻用的“化学增幅型光刻胶”更应提起注意，例如，烘焙时的温度管理需要比以前要严格得多。

光刻工艺流程:

随着缩小投影曝光装置（Steper）用光源的短波长化（从g线到i线），光刻胶也在不断改良中。即使在采用准分子激光短波长光源中，也开发出KrF用及ArF光源用的光刻胶。但是，材料仍然不算完善。

传统正型光刻胶还存在吸收这些短波长的光后难以分解的倾向。与之对应，最近化学增幅型光刻胶的概念引起人们的关注，作为对应KrF、ArF准分子激光的光刻胶，在实用化方面迈出坚实的步伐。

如果采用这种光刻胶，对于短波长光就有可能实现高灵敏度（感度）的图像分辨。化学增幅型光刻胶是在有机溶剂中含有酸发生剂和溶解抑制剂，通过曝光，使之发生酸。一旦加热，这种酸作用于溶解抑制剂，使之分解，变成碱性显影液中不溶的结构。这种反应是利用酸的一种触媒反应。

因此，对触媒的扩散等的控制就显得十分重要。而且，对于化学增幅型光刻胶来说，在引起触媒反应的烘焙（加热）过程中，必须对温度、周围气氛、时间等进行严格的管理。为了短波长紫外线曝光场合的光刻胶向上述化学增幅型转变，对于装置来说，要求不同于传统的严格的管理条件。

在半导体设备领域，光刻机是芯片制造过程中最核心的设备，荷兰ASML公司生产的EUV光刻机，目前最高端型号的售价约1.1亿美元。生产芯片的核心设备就是它！英特尔（美国硅谷）、台积电（中国台湾新竹）、三星（韩国首尔）等芯片大腕全要仰仗ASML这位“芯片皇后”，但因为瓦森纳协定的封锁对中国禁售。所以，我们只好一年花2600亿美元进口芯片。

硅圆片清洗、氧化、绝缘膜生长——光刻:

在LSI的制作工艺中，需要在晶圆上成膜及进行高温热处理等，通常在进行这些处理前必须进行清洗以去除表面沾污及杂质等异物。清洗工序通常由“将晶圆浸入酸溶液等中，溶解、去除异物，用流动的纯水漂洗（rinse），经干燥去除水分”等一系列的操作组成，工艺路线很长，重复次数很多，但不可或缺。

在900℃左右的高温水蒸气环境中，使硅与氧发生反应（热氧化），在硅圆片表面生长硅氧化膜（SiO2）。接着，在高温下通过硅烷（SiH4）与氨（NH3）的CVD（化学气相沉积）反应，在氧化膜上生长氮化硅（Si3N4）膜。为了在硅圆片上形成图形，首先要进行光刻（照相刻蚀）工序。具体讲，要经过以下的步骤：

（1）在硅圆片上滴下光刻胶（感光性树脂），使硅圆片高速旋转，在其表面形成厚度均匀的光刻胶膜。

（2）将在透明石英玻璃基板上利用铬等遮光膜形成图形的光刻掩模（mask or reticule）装于缩小投影曝光装置（Steper）上，将光刻掩模与硅圆片对准（调正）后，通过光刻掩模对光刻进行曝光（照射），完成光刻掩模图形的转写。在LSI制作工艺中，要针对构成三极管的各个部分，使用不同的掩模按顺序形成，因此要按已经形成的图形对准，进行曝光。而且，光刻掩模一次只形成一个芯片部分的图形，需要在硅圆片表面按一个一个芯片的顺序反复（步进）曝光，完成全硅圆片的图形转写。

（3）在光刻胶上滴下显影液（显像处理），则激光照射部分的光刻胶溶于显影液，而不被激光照射部分的光刻胶不溶而残留，这样就形成了光刻胶图形。在此，以光刻胶图形溶解的光刻胶（正型光刻胶）为例加以说明，也有激光照射部分不溶于显影液的光刻胶（负型光刻胶）。

绝缘膜区域刻蚀——栅氧化膜的形成:

对光刻胶在100℃温度下固化后，采用碳氟化合物等离子体气体的干法刻蚀（dry-etching），以光刻胶为掩模按顺序依次将硅氮化膜和硅氧化膜去除。

进一步用卤化物气体等对硅基板的硅进行干法刻蚀，形成浅沟槽隔离（Shallow Trench Isolation，STI）。

STI对各个三极管起到电气绝缘分离的作用。干法刻蚀后，采用氧等离子体对光刻胶进行灰化（ashing）去除。此外，去除光刻胶还有采用溶液的方法，通称为光刻胶剥离。在高温氧气中对晶圆片进行热氧化，在露出硅的STI内壁上生长薄的硅氧化膜。

利用硅烷气体和氧气的CVD法，在晶圆表面生长厚的硅氧化膜，用于STI的埋置。利用CMP法对硅氧化膜研磨，平坦化，使STI沟部分埋置硅氧化膜。

在表面露出的硅氮化膜采用磷酸热溶液湿法刻蚀（wet-etching）后，进行光刻工序，此后，将形成n沟道MOS三极管的部分用光刻胶覆盖。

对晶圆进行磷（P）离子注入，将形成p沟道MOS三极管的部分形成n阱（n型导电层的阱）。对晶圆进行全面的离子注入，但覆盖光刻胶的部分只是注入光刻胶中而不能到达基板。这样，光刻胶即作为离子注入的掩模。光刻胶剥离后，用氢氟酸将晶圆表面的薄氧化膜湿法刻蚀去除，露出硅表面。

在高温氧气气氛中对晶圆热氧化，使表面生成硅氧化膜。它便成为栅氧化膜。由于栅氧化膜是决定MOS三极管性能的“命”，因此不使用离子注入的氧化膜等，而是在清洁的状态下由热氧化制取。

栅电极多晶硅生长——向n沟道源-漏的离子注入:

采用CVD法使硅烷气体在氮气中热分解，进行多晶硅（poly-silicon）生长。在CVD生长中在此多晶硅添加磷及砷等n型导电杂质，或者在生长后通过离子注入进行添加。利用光刻、刻蚀及光刻胶剥离等，使多晶硅形成图形。由此作为栅电极（多晶硅栅）。

进行光刻工序，p沟道部分被光刻胶覆盖后，注入磷离子，在n沟道部分形成低浓度的浅n型导电区域（延伸）。这时覆盖p沟道部分的光刻胶起到离子注入掩模的作用。而且，n沟道栅极也起到离子注入掩模的作用，因此栅极正下方不被离子注入，n型导电区域相对于n沟道栅极，通过自对准（自调整）决定位置而形成。

光刻胶剥离后，利用后续的光刻工序，对n沟道部分覆盖光刻胶，通过硼（B）离子注入在p沟道部分低浓度的浅p型导电区域（延伸）相对于p沟道电极，通过自对准（自调整）决定位置而形成。

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