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现代半导体器件物理与工艺. Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices. 图形曝光与光刻. 图形曝光与刻蚀. 图形曝光（ lithography ）是利用掩模版（ mask ）上的几何图形，通过光化学反应，将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜层上（光致抗蚀剂、光刻胶、光阻）的一种工艺步骤。
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现代半导体器件物理与工艺 Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices 图形曝光与光刻
图形曝光与刻蚀 图形曝光（lithography）是利用掩模版（mask）上的几何图形，通过光化学反应，将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜层上（光致抗蚀剂、光刻胶、光阻）的一种工艺步骤。 这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域，如离子注入、接触窗与压焊垫区。而由图形曝光所形成的抗蚀剂图案，并不是电路器件的最终部分，而只是电路图形的印模。为了产生电路图形，这些抗蚀剂图案不像再次转移至下层的器件层上。这种图案转移是利用腐蚀工艺，选择性地将未被抗蚀剂掩蔽的区域除去。
光学图形曝光－洁净室 在集成电路制造中，主要的图形曝光设备是利用紫外光[λ=0.2-0.4μm]的光学仪器。主要讨论曝光装置、掩模版、抗蚀剂与分辨率。 在IC制造中必须要求洁净的厂房，特别是图形曝光的工作区域，因为尘埃可能会粘附于晶片或掩模版上造成器件的缺陷从而是电路失效。 尘埃粒子在掩模版图案上 所造成的不同腐蚀的影响
英制系统等级数值是每立方英尺中直径大于或等于0.5 um的尘埃粒子总数不准超过设计等级数值。 公制系统等级数值是每立方米中直径大于或等于0.5um的尘埃粒子总数不准超过设计等级数值（以指数计算，底数为10）。
光刻机 光刻机的性能由三个参数判断：分辨率、套准精度与产率。 分辨率：能精确转移到晶片表面抗蚀剂膜上图案的最小尺寸； 套准精度：后续掩模版与先前掩模版刻在硅片上的图形相互对准的程度； 产率：对一给定的掩模版，每小时能曝光完成的晶片数量。 光学曝光方法：遮蔽式曝光和投影式曝光。 遮蔽式曝光：可分为掩模版与晶片直接接触的接触式曝光和二者紧密相邻的接近式曝光。若有尘埃或硅渣嵌入掩模版中，将造成掩模版永久性损坏，在后续曝光的晶片上形成缺陷。 投影式曝光：在掩模版与晶片间有一距离，10-50um。但这一间隙会在掩模版图案边缘造成光学衍射。导致分辨率退化。
对遮蔽式曝光，最小线宽（临界尺寸）可用下式表示对遮蔽式曝光，最小线宽（临界尺寸）可用下式表示 其中，λ是曝光光源的波长，g是掩模版与晶片间的间隙距离。当λ与g 减小时，可以得到lCD缩小的优势。然而，当给定一个g，任何大于g的微 尘粒子都会对掩模版造成损坏。
一个投影系统的分辨率可以表示为 λ是光源波长，k1为与工艺有关的参数，DNA是数值孔径。 DNA的定义为 N是影像介质的折射率，θ是圆锥体光线聚于晶片上一点的半角度值。其 聚焦深度为
由于有较高的光强度与稳定度，高压汞灯被广泛用作曝光光源。由于有较高的光强度与稳定度，高压汞灯被广泛用作曝光光源。
掩模版 用于IC制造的掩模版通常为缩小倍数的掩模版。掩模版的第一步为设计者用CAD系统完整地将版图描绘出来。然后将CAD得到的数据信息传送到电子束图形曝光的图形产生器。再将图案直接转移至对电子束敏感的掩模版上。掩模版是由融凝硅土的基底覆盖一层铬膜组成。电路图案先转移至电子敏感层进而转移至底下的铬膜层，掩模版便完成了。 一般而言，一组完整的IC工艺流程包含10-20道不同的掩模版。 标准尺寸的掩模版衬底由15× 10cm2、0.6cm厚的融凝硅土制成。掩模版尺寸是为了满足4:1与5:1的曝光机中透镜透光区域的尺寸。厚度的要求是避免衬底扭曲而造成图案位移的错误。融凝硅土衬底则利用其热膨胀系数低，对短波长光的透射率高与高机械强度。
缺陷密度是掩模版好坏的主要原因之一。掩模版缺陷可能在制造掩模版时或是接下来的图形曝光工艺步骤中产生。即使是一个很小的掩模版缺陷密度都会对IC的成品率产生很大的影响。成品率的定义是：每一晶片中正常的芯片数与中芯片数之比。若取一级近似，某一层掩模版与成品率Y之间的关系式为缺陷密度是掩模版好坏的主要原因之一。掩模版缺陷可能在制造掩模版时或是接下来的图形曝光工艺步骤中产生。即使是一个很小的掩模版缺陷密度都会对IC的成品率产生很大的影响。成品率的定义是：每一晶片中正常的芯片数与中芯片数之比。若取一级近似，某一层掩模版与成品率Y之间的关系式为 D为每单位面积致命缺陷的平均数；A为IC芯片的面积。若D对所有的掩模版层 都是相同值（如N＝10层），则最后成品率为
10道掩模版的成品率，每道 掩模版中包含不同缺陷密度 所产生的影响
抗蚀剂 抗蚀剂是对光敏感的化合物，依其对光照的反应分成正性和负性。 正性抗蚀剂：被曝光的区域将变得较易溶解，可以在显影步骤时较容易被去除。所产生的图案将会与掩模版上的图案一样。 负性抗蚀剂：被曝光区域的抗蚀剂将变得较难溶解，所产生的图案与掩模版上的相反。 正性抗蚀剂包括：感光化合物、树脂基材和有机溶剂；曝光后，曝光区的感光化合物因吸光改变了本身的化学结构而可以溶解于显影液中。 负性抗蚀剂包括：聚合物和感光化合物合成。曝光后，感光化合物吸收光变成化学能而引起聚合物链反应，是聚合物分子发生交联，变得难溶解于显影液中。缺点：显影中抗蚀剂吸收显影液而膨胀，限制了分辨率。
曝光、显影后残存抗蚀剂的百分率与曝光能量有关。值得注意的是，即使未被曝光，少量抗蚀剂也会溶解。曝光、显影后残存抗蚀剂的百分率与曝光能量有关。值得注意的是，即使未被曝光，少量抗蚀剂也会溶解。 当曝光能量增加，抗蚀剂的溶解度也会增加，直到阈值能量ET时，抗蚀剂完全溶解。 正抗蚀剂的灵敏度定义为曝光区域抗蚀剂完全溶解时所需的能量。除ET外，另一称为反差比（γ）参数也用来表征抗蚀剂。 γ值越大，即表示曝光能量增加时，抗蚀剂溶解度增加越快，可得陡峭的图形。
相关的图案转移工艺还有剥离与浮脱技术。 1、旋涂抗蚀剂 2、曝光 3、显影 4、淀积金属膜 5、浸泡腐蚀液中
分辨率增加技术 在IC工艺中，提供较佳的分辨率、较深的聚焦深度 与较广的曝光宽容度一直是光学图形曝光系统发展的挑战。已经可以用缩短光刻机的波长与发展新的抗蚀剂来克服。另外，开发了新的技术，如相移掩模版。 传统掩模版的透光区的电场是相同的，由于衍射与分辨率使得晶片上的电场分散开来。相邻缝隙的衍射使得光被干涉而增强缝隙间的电场强度。因此两个投影的像若太接近，就不容易分辨出来。 相移掩模版（PSM）是将相移层覆盖于相邻的缝隙上，使得电场反相。 要反相，使用一透明层，厚度满足： 光学邻近修正（OPC）利用邻近的次解析几何图案来修正图像，因而改善成像能 力。
新一代图形曝光技术 高产率、好的分辨率、低成本且容易操作是曝光技术的基本要求。为了满足深亚微米工艺，光学图形曝光技术仍未解决。虽然可以利用PSM和OPC来延长光学图形曝光的使用期限，但是复杂的掩模版制作与检查并不是容易解决的。另外，掩模版成本也很高。
电子束图形曝光 电子束图形曝光主要用于掩模版的制作，只有相当少数装置用于将电子束直接对抗蚀剂曝光而不需掩模版。 优点：可以参数亚微米的几何抗蚀剂图案、高自动化及高精度控制的操作、比光学图形曝光有较大的聚焦深度与不同掩模版可直接在半导体晶片上描绘图案。 缺点：电子束光刻机产率低，在分辨率小于0.25um时，约为每小时10片晶片。这对生产掩模版、需求量小的定制电路或验证性电路是足够了。而对不用掩模版的直写形成图案方式，设备必须尽可能提供产率，故要采用与器件最小尺寸相容的最大束径。 聚焦电子束扫描主要分成两种形式：顺序扫描、向量扫描。
SCALPEL 利用电子束投影的图形曝光技术，SCALPEL系统（散射角度限制的投影电子束图形曝光），此技术集电子束图形曝光特有的高分辨率和工艺宽容度（聚焦深度20-30um，传统为1um）以及高产率。 图12.15
电子束抗蚀剂 电子束抗蚀剂是一种聚合物，其性质与一般光学用抗蚀剂类似。换言之，通过光照造成抗蚀剂产生化学或物理变化，这种变化可使抗蚀剂产生图案。
邻近效应 在光学图形曝光中，分辨率的好坏是由衍射来决定的。在电子束图形曝光中，分辨率好坏是由电子散射决定的。当电子穿过抗蚀剂与下层的基材时，这些电子将经历碰撞而造成能量损失与路径的改变。因此入射电子在行进中会散开，直到能量完全损失或是因背散射而离开为止。 100个能量为20keV的电子 在PMMA中的运动轨迹模拟 在抗蚀剂与衬底界面间，正向散射 与背散射的剂量分布
极远紫外光图形曝光（EUV） EUV技术极有肯成为下一代图形曝光系统技术。可将曝光波长延伸到30 nm而不会降低产率。
因为EUV光束很窄，必须利用光束扫描方式将描述电路图案的掩模版层完全扫描。因为EUV光束很窄，必须利用光束扫描方式将描述电路图案的掩模版层完全扫描。 EUV已经证实可利用波长为13nm的光源，在PMMA抗蚀剂上制作出50 nm的图案。 挑战：所以的材料对EUV光都有强的吸收能力，所以曝光过程必须在真空下进行。照相机必须使用反射透镜器件，而且必须覆盖多层的覆盖层才可以参数1/4波长的布喇格反射分布。掩模版空片必须覆盖多层膜，以便在波长为10-14nm得到最大的反射率。
X射线图形曝光（XRL） XRL图形曝光极有潜力继承光学图形曝光来制作100nm的集成电路。当利用同步辐射光储存环进行批量生产时，一般选择X射线源。它提供一个大的聚光通量，且可轻易容纳10-20台光刻机。 XRL是利用类似光学遮蔽接近式曝光的一种遮蔽式曝光。 掩模版为XRL系统中最困难且关键的部分，而且X射线掩模版的制作比光学掩模版来得复杂。为了避免X射线在光源与掩模版间被吸收，通常曝光都在氦的环境下完成。 可以利用电子束抗蚀剂来作为X射线抗蚀剂，因为当X射线被原子吸收，原子会进入激发态而射出电子。激发态原子回到基态时，会释放出X射线，此X射线被原子吸收，故此过程一直持续进行。所有这些过程都会造成电子射出，所以抗蚀剂在X射线照射下，就相当于被大量的二次电子照射。
离子束图形曝光 离子束图形曝光比光学、X射线与电子束图形曝光技术有更高的分辨率，因为离子有较高的质量而且比电子有较小的散射。最主要的应用为修补光学图形曝光用的掩模版。下图为60keV的50个氢离子注入PMMA及不同衬底中的电脑模拟轨迹。
不同图形曝光方法的比较 先前讨论的图形曝光方法，都有100nm的或更好分辨率。每种都有其限制：光学法的衍射现象、电子束的邻近效应、X射线的掩模版制作复杂、EUV的掩模版空片的制作困难、离子束的随机空间电荷效应。 对于IC的制造，多层掩模版是必需的，然而，所有的掩模版层并不需要都用相同的图形曝光方法。采用混合与配合的方法，可利用每一种图形曝光工艺的优点来改善分辨率与提供产率。 根据半导体工业协会的设想，IC制作技术将在2010年时会达到50nm。对于每一代新技术，由于要求更小的特征尺寸与更严格的套准容差，图形曝光技术更成为推动半导体工业的关键性技术。
湿法化学腐蚀（WCE） WCE在半导体工艺中广泛使用，从半导体晶片被切割开始，WCE就用在研磨与抛光上，以获得平整与无损伤的表面。热氧化与外延前，化学清洗去除污染。尤其适合将多晶硅、氧化物、氮化物、金属与III-V族化合物等作整片的腐蚀。 WCE包括三种主要步骤： 1、反应物通过扩散方式到达反应表面； 2、化学反应在表面发生； 3、反应生成物通过扩散离开表面。 搅动、腐蚀液的温度都会影响腐蚀速率。IC工艺中，大多数WCE是将晶片浸入化学溶液中，或是喷射腐蚀液在晶片表面。
腐蚀速率均匀度可用腐蚀速率的百分比均匀度来表示：腐蚀速率均匀度可用腐蚀速率的百分比均匀度来表示： WCE的基本机制
硅的腐蚀 对半导体而言，WCE通常是先将表面氧化，然后再将氧化层以化学反应加以溶解。对硅而言，常见的腐蚀剂为硝酸（HNO3）和氢氟酸（HF） 水可以作为上述腐蚀剂的稀释剂，然而醋酸比水要好，它可减缓硝酸的溶解。 一些腐蚀剂溶解某些单晶硅晶面的速率比其他晶面快，造成各向异性的腐蚀。原因在晶面的化学键密度不同。在硅的各向异性腐蚀时，使用KOH和异丙醇酒精的混合液。
利用二氧化硅当掩蔽层，对<100>晶向的硅做各向异性腐蚀，会产生清晰V型沟槽，沟槽的边缘为(111)晶面，锲与(100)的表面有54.7°夹角。利用二氧化硅当掩蔽层，对<100>晶向的硅做各向异性腐蚀，会产生清晰V型沟槽，沟槽的边缘为(111)晶面，锲与(100)的表面有54.7°夹角。 如果打开的图案窗足够大或是腐蚀时间足够短，则会形成一个U型的沟槽，底部面积的宽度为： 或
如果使用的是 晶向的硅，实际上会在沟槽的边缘得到两个垂直的面，这两个面为(111)的晶面。
二氧化硅的腐蚀 加入氟化铵（NH4F）是提供缓冲的HF溶液，又称作缓冲氧化层腐蚀（BOE）。加入氟化铵可以控制酸碱度，并且可以补充氟离子的缺乏，可以维持稳定的腐蚀效果。 二氧化硅也可以利用气相的HF来腐蚀，在腐蚀亚微米的图案方面深具潜力，因为工艺容易控制。
氮化硅与多晶硅的腐蚀 氮化硅可以在室温下用高浓度的HF、缓冲HF或沸腾的磷酸溶液腐蚀。由于浓度为85%的磷酸溶液在180℃时对二氧化硅的腐蚀非常慢，所以可利用它来作氮化硅相对二氧化硅的选择性腐蚀。 腐蚀多晶硅与腐蚀单晶硅类似，然而多晶硅有较多的晶粒边界，所以腐蚀速率比较快。未来确保栅极氧化层不被腐蚀，腐蚀溶液通常要加以调整。掺杂物的浓度和温度可影响多晶硅的腐蚀速率。
