特征圖形尺寸減小到納米范圍，伴隨著更大直徑的晶圓，增大了對低缺陷密度的需求增大了芯片密度和尺寸,對芯片制造工業界挖掘各種傳統工藝的潛能和開發新的工藝技術提出挑戰。本章探討達到納米尺度電路遇到一些問題和現在的一些解決辦法。包括后光學光刻技術的討論，綜合起來稱為下一代光刻技術(Next-Generation Lithography,NGL)。

1）多層光刻膠或表面成像

目前有很多種多層光刻膠工藝。工藝的選擇取決于光刻膠需要打開的圖形尺寸和晶圓表面形貌。盡管多層光刻膠工藝增加了額外的工藝步驟，但在某些場合它是唯一能達到規定圖形尺寸的方法。多層光刻膠工藝往往先在底部用較厚的光刻膠來填充凹處和平整晶圓表面。圖形首先在被平坦化的頂層光刻膠層中形成。因為該表面是平坦的，用這種表面成像(surface imaging)方法可以得到很小尺寸的圖形，避免了臺階圖形的反射和景深(DoF)問題。

雙層光刻膠工藝使用兩層光刻膠，每一層的光刻膠具有不同的極性。此工藝適用于具有不同表面形貌的晶圓上小圖形的成像。首先,在晶圓表面涂一層相對比較厚的光刻膠并烘焙至熱流點(見下圖)。典型的厚度為晶圓最大圖形臺階的3~4倍，目的是形成平坦的頂層光刻膠表面。典型的多層光刻膠工藝將用于對深紫外線敏感的正性聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

雙層光刻膠工藝

接著，在第一層光刻膠的上面，再涂一層相對比較薄的對紫外線敏感的正膠。這一層薄頂層光刻膠避免了厚膠的不利因素和晶圓表面的反射光的影響，可以達到很好的分辨率。因為頂層光刻膠依底層光刻膠的形狀變化而變化，所以頂層光刻膠也被稱為共形層(conformal layer)或輕便的共形層(portable  conformal layer)。頂層光刻膠作為輻射的阻擋層，下面一層不會感光。然后使用覆蓋式或泛光深紫外曝光(無掩模版)，通過頂層的孔使下面的厚正膠感光，從而將圖形從頂層光刻膠轉移到了下面一層。顯影后，晶圓就可以刻蝕了。

對兩種光刻膠的選擇是相當復雜的,需要考慮襯底的反射問題、駐波的影響和PMMA光刻膠的敏感度。還有，兩種光刻膠必須有兼容的烘焙工藝和相互獨立的顯影劑。

三層光刻膠工藝

2 硅烷化作用或 DESIRE 工藝

擴散加強硅烷化光刻膠( DESIRE)工藝是一種新穎的表面圖形化工藝方法(見下圖)與其他的多層光刻膠工藝類似，DESIRE也是平整晶圓表面，在表層形成圖形。DESIRE工藝使用標準的紫外線曝光表面層。在這一工藝中，曝光只局限于頂層。然后，將品圓放入反應腔中暴露于HMDS,發生硅烷化反應(silylation process)。通過這一步，硅混入曝光區域。富硅區域變成了硬掩膜，可以用各向異性RE刻蝕使其下面的材料干法顯影和去除。在刻蝕工藝中,硅烷化區域變成二氧化硅(SiO₂),形成了更堅固的刻蝕阻擋層。這種只在最上一層定義圖形的技術稱為上表面成像(Top Surface lmage，TSI)。

3）聚酰亞胺平坦化層

聚酰亞胺在印制電路板生產中已經被使用了許多年。在半導體生產中主要是用它增強淀積形成的二氧化硅膜的絕緣效果，而且在晶圓上涂聚酰亞胺與涂光刻膠使用的設備相同。

將聚酰亞胺涂在晶圓表面后，由于聚酰亞胺的流動會使晶圓表面變得更平坦，然后可以在聚酰亞胺上面覆蓋其他硬薄層。聚酰亞胺可以像光刻膠一樣與化學物質反應從而得到圖形。聚酰亞胺用途最廣的是被用于兩層金屬之間的絕緣層。由于聚酰亞胺的平坦性使得第二層金屬層的圖形定義變得更容易。

4）反刻平坦化

反刻被用于局部平整(見下圖)。金屬線條形成后，在上面淀積一層厚的氧化物，并在氧化物上涂一層光刻膠。然后使用等離子體刻蝕。首先，較薄的光刻膠先被刻蝕掉，并開始刻蝕氧化物。接著，較厚的光刻膠也被刻蝕掉，而且一些氧化物也被刻掉。這樣綜合效果是局部表面得以平坦化。

5）雙大馬士革工藝

隨著器件密度的增加，金屬的層數也不得不隨之增加。在各金屬層之間使用導電介質連接，導電介質被稱為連接柱(stud)或連接塞(plug)。鎢是首選的金屬材料，但對它的刻蝕比較復雜。另外，銅已經代替鋁成為首選金屬化系統。然而，銅的工藝又引入了一大堆新的問題。一種是使用被稱為雙大馬士革(dual damascene)的工藝代替傳統的光刻和刻蝕工藝。它是一種類似于將金屬嵌ru入層間介質的嵌人式工藝。在這種工藝中，在一種介質或其他物體表面開出凹槽，將金屬涂布整個表面，也填充到凹槽中。去除表面溢出的金屬后，一些保留在凹槽中，留下一個裝飾圖形。在半導體應用中，首先使用傳統的光刻工藝刻出溝道，然后用所需的金屬填充溝道，并用電鍍法淀積銅。金屬淀積溢出表面。用化學機械拋光(CMP)將溢出的金屬去除，留下在溝槽內相互隔離的金屬(見下圖)。半導體 | 金屬化工藝中已詳細講述這一新的和重要圖形的形成技術。

雙大馬士革(嵌人式)工藝

以上講述的平坦化方法都是局部平坦化而不是晶圓整體表面平坦化(global  planarization)。小尺寸圖形由于光散射的影響還是很難做出來的。而且由于還存在表面臺階，就還存在臺階處金屬覆蓋不好的問題。化學機械拋光(CMP)不僅在晶圓制備階段被采用，而且在晶圓加工工藝過程中也用來做晶圓表面整體平坦化。

化學機械拋光之所以受歡迎是因為具有如下特點：

• 可以達到晶圓表面整體平坦化

• 研磨去除所有表面材料

• 適用于多種材料的表面

• 使高質量的大馬士革工藝和銅金屬層成為可能

• 避免使用有毒氣體

• 是一種低成本工藝

晶圓拋光和平坦化使用相同的基本工藝(見下圖)。然而，挑戰非常不同。在晶圓拋光時,幾微米的硅被去除。在平坦化工藝中,要求化學機械拋光去除材料的量在1μm或更少。還有，這些金屬工藝出現幾種要被去除的材料。它們有不同的去除速率和高的均勻平坦化的期望。

化學機械拋光和平坦化

基本化學機械拋光工藝步驟:晶圓被固定在面朝下的頭上，依次地，晶圓也面朝下固定在旋轉機臺上。旋轉機臺表面用一個拋光墊覆蓋。帶有小研顆粒的磨料漿(slury)流到臺面上。晶圓表面物質被磨料顆粒侵襲，并一點點磨去，再被磨料漿沖走。由于兩個軌道的轉動，以及磨料漿的共同作用使晶圓表面拋光。表面高處首先被拋光，接著是低的地方，這樣就達到了平坦化的目的。這些是機械拋光作用。然而，只有機械拋光自身是無法滿足半導體工藝對晶圓的要求的，因為晶圓表面受到了過多的機械損傷。通過對磨料漿的選取,可以減少這種損傷，因為磨料漿中的化學物質可以溶解或刻蝕一些表面物質。化學侵蝕一般是通過氧化作用將表面腐蝕掉的。與之相似的是熨斗的生銹機理,它就是一種化學侵蝕。當熨斗接觸氧氣時，它的表面會長上一層銹。然而正是這層銹將熨斗表面與水中或空氣中的氧氣隔離開，從而減緩了進一步生銹的過程,這就是化學與機械共同作用的結果。粉磨去腐蝕層而露出新鮮表面,新鮮表面與化學物質反應生成新的腐蝕層，這樣不斷反復。在化學機械拋光之后，有一步化學機械拋光后清洗(post-CMP cleaning)以保證晶圓的潔凈。

線性化學機械拋光系統還在使用。在這種配置中，晶圓載片頭是相對運動的皮帶轉，而不是轉盤。線性系統的一個主要優點是在晶圓下料漿運動速度增加。衡量化學機械拋光處理的幾項主要指標是:

• 表面平整度

• 表面機械條件

• 表面化學性質

• 表面潔凈度

• 生產率

• 擁有成本

7）化學機械拋光拋光墊

拋光墊由鑄形用聚亞胺酯(polyurethane)泡沫材料和填料、聚亞胺酯填充墊或其他一些特殊材料制成。拋光墊最重要的特性是具有多孔性、壓縮性和硬度。多孔性，一般用相對密度來衡量，控制拋光墊的微孔輸送磨料漿能力和孔壁去除物質的能力。壓縮性和硬度是衡量拋光墊適應開始品圓不規則表面的能力。一般來說，拋光墊越硬，整體平整度越好。軟的拋光墊會同時接觸晶圓高地和低地，從而可能引起不平整的拋光。還有一種可變形光頭，它可以更貼近晶圓初始表面。

8）磨料漿

由于雙重作用的結果，磨料漿的化學成分很復雜也很關鍵。從機械角度來講，料攜帶磨粉。細小的硅石(二氧化硅)用米研磨氧化層。氧化鋁(AL₂O₃是金屬的標準料。在多層金屬設計中往往使用多種金屬，這就要求半導體工業去尋找更普遍適用的磨粉。磨粉的直徑在10-300nm之間。顆粒越大，晶圓表面機械損傷就越大。從化學角度來講，對于硅和二氧化硅，刻蝕劑一般為氫氧化鉀或氫氧化銨(低pH值的堿性溶液)。對于金屬，比如銅，反應往往是從料漿中的水對銅的氧化開始的。反應式為

2Cu+H₂O→Cu₂+ 2H⁺+ O^2-

氧化后，堿性材料以化學方式將膜減薄，通過機械作用將其去除。生產中的磨料漿有多種添加劑。它們各有各的作用。通過平衡磨料漿的pH值，進而控制磨粉的電荷積存，可以減少機械化學研磨的殘留物。堿性硅石磨粉漿pH值高而硅石磨粉漿pH值低(通常低于7)。其他的一些添加劑為表面活性劑，用來形成希望的流動方式和作為整合劑。整合劑與金屬顆粒發生作用以減少它們回落附著在晶表面上。

平坦化拋光的一些其他關鍵參數是磨料漿的pH值(酸堿度)，在晶圓/拋光墊界面流體動力學參數和磨料漿在不同材料的表面或其下層的刻蝕選擇比。

9）拋光速度

生產中考慮的首要參數是拋光速度，影響拋光速度的因素有很多。上面描述的拋光墊的參數、磨料漿的種類和磨粉尺寸、磨料漿的化學成分，這些都是主要的因素。還有拋光墊壓力、旋轉速度;磨料的流速、料漿的黏度;拋光反應室的溫度、濕度、j晶圓直徑圖形尺寸等，表面材料也是影響的因素。必須平衡以上所有因素以達到高的拋光速度且不使工藝失控。

10） 平整性

晶圓表面整體平整性，這是化學機械拋光的目標,但隨著多層金屬設計的采用，這目標變得不易達到。銅是一個特例，通過它可以看到一些化學機械拋光存在的基本問題銅被淀積在大馬十革圖形化工藝中的溝槽內(見下圖)，導致中間密度低。在化學機械拋光過程中，中間研磨更快，從而導致"盤形"出現。而且，在圖形密集區域，銅淀積密度也不同，引起各圖形研磨速度不一致。

銅溝槽的“盤形”

鎢塞形成。(a)淀積W;(b)化學機械拋光去除;(c)氧化層去除(源自1998年4月Solid State Technology,Copyright 1998 by PennWell Publishing Company )

圖形形狀尺寸的不同也會導致去除速度的不同。更大面積的區域去除更快，而在晶圓表面留下凹陷的低地。

還有，挑戰來自金屬的硬度(硬度不同,其拋光速率不同)和較軟聚合物材料的層間介質(IDL)。盡管仍然存在各種挑戰，晶圓表面的平整度不得不控制在150nm以下。

11） 化學機械拋光后的清潔

自始至終都在強調晶圓表面清潔的重要性。化學機械拋光后的清潔恰恰體現了這一重要性。清潔面臨一些特殊的挑戰。化學機械拋光是唯一有意在工藝過程中引人稱為磨粉的微粒。它們一般可以用機械刷拂去或用高壓水注沖去。化學清潔一般采用與其他FEOL清洗相同的技術。

精心挑選磨料漿的表面活性劑，調節pH值可以在磨料漿微粒和品圓表面之間產生電的排斥作用。這一技術可以降低污染，特別是靜電吸附晶圓表面的污染物。銅污染要特別留意，因為一旦銅進入硅中，會改變或降低電路元件的電性能。銅殘留應減少到4x10¹³原子/cm²范圍。

12） 化學機械拋光設備

如果想成功地完成化學機械拋光工藝就需要有成熟的系統設備(見下圖)。生產用的設備包括晶圓傳遞機械手、在線測量和潔凈度監測裝置。各種終結探測系統被用來監控某一種金屬磨盡了或達到指定的研磨厚度的信號。化學機械拋光后清潔單元包括在主機室內或通過傳遞機械手與主機室連接，目標是實現“干進，干出”工藝。

化學機械光系統(源自:SpeedFam CMP-V System,Semiconductor  International,May 1993)

13）化學機械拋光小結

化學機械拋光是一步關鍵的平坦化工藝,它需要平衡高度集成化和許多工藝參數。主要參數是:研磨墊的構成、研磨墊的壓力、研磨墊旋轉速度、機臺旋轉速度、料漿的流速、磨料漿的化學成分、磨料漿的材料選擇。加之對光刻工藝平整度的改善,化學機械拋光使雙大馬士革圖形化和銅金屬化工藝得以實現。

14）回流

一些器件設計使用一層或多層硬平整化涂層。通常淀積具有4%~5%硼摻雜的二氧化硅，稱為硼硅玻璃(BSG)。由于硼的存在使二氧化硅在相對低的溫度(小于500℃)下液化流動，形成平坦的表面。

另一種硬平坦化層為旋轉涂敷玻璃層(SOG)。玻璃層為二氧化硅和一種易揮發溶劑的混合體，旋轉涂敷在晶圓表面后，烘焙玻璃膜,留下平坦的二氧化硅膜。旋轉時玻璃是易碎的，有時在其中添加1%~10%的碳來增加抗裂性。

15）圖形反轉

在曝光小尺寸圖形時，我們傾向于使用正膠，這一點在前面已經討論過了。其中一個原因就是正膠適于使用暗場掩模版做孔洞。暗場掩模版大部分被鉻覆蓋，因為鉻不會像玻璃一樣易損，所以缺陷比較少。然而，一些掩模版用來曝光島區,而不是孔洞，比如金屬層掩模版上是島區圖形。遺憾的是，用正膠做島區的光刻需要使用亮場掩模版，而它的玻璃容易損傷。

一種使用正膠和暗場掩模版做出島區的工藝是圖像反轉。它采用了傳統的暗場掩模版成像方法(見下圖)，在曝光結束后，光刻膠里的圖形與想要得到的圖形是相反的，也就是說，如果接著顯影的話，會得到孔洞而不是島區。

圖形反轉

圖像反轉工藝的主要步驟為將涂膠的晶圓放置在有氨蒸氣的真空烘箱中。氨蒸氣穿透光刻膠，改變其極性。將晶圓從真空烘箱中取出，再進行泛光曝光，從而完成整個圖形反轉工藝。氨氣烘焙和泛光曝光的效果是改變曝光區域和非曝光區域的相對分解率，在接下來的顯影步驟便可以實現圖形反轉了。這一工藝可以實現與非圖形反轉工藝同樣的分辨率。

16）反差增強層

光學投影系統的分辨率由于鏡頭和光線波長的限制，已經接近極限。正是這兩個極限因素的存在，使得光刻膠的反差閾值(contrast treshold)也變得很重要，由于使用紫外線或深紫外線的能量大和曝光時間短，曝光波的能量強度有變化，使得光刻膠中的圖像變得模糊。

一種方法可以降低閥值，即反差增強層(CEL)，就是在光刻膠上面涂一層，該層最初對曝光輻射是不透明的(見下圖)。

反差增強層工藝流程

在曝光循環中，反差增強層變白(透明的)，從而允許光線通過它進人下面的光刻膠。反差增強層在變成透明物質前，首先對高強度光線響應，實際上在變成透明物質前，等于保存了低強度光線。結果就是光刻膠接受均勻的高強度能量照射，使得分辨率提高。可以將反差增強層想象成雙層光刻膠系統中的上層光刻膠，在這上面薄層中形成圖形。

反差增強層在顯影前被一種噴涂化學試劑除去，然后對晶圓進行常規的顯影。具有1.0um分辨能力的正膠通過反差增強層可以做出0.5um的圖形。

17）染色光刻膠

在光刻膠生產過程中可以加入各種各樣的染色劑。一種染色劑在曝光時可以具有一種或幾種作用。一種作用可能是吸收輻射光線，借此可以削弱反射光的影響,將駐波效應減到最小。另一種作用可以改變顯影時光刻膠聚合物的分解率。這一作用可以產生清晰的顯影線條(增大反差)。染色劑的一個重要作用是消除淀積材料穿過表面臺階細線條處產生的凹口對光刻膠添加染色劑會增加5%~50%的曝光時間。

七、改進刻蝕工藝

在光刻膠中形成正確的圖形是非常關鍵的一步，但對于品圓上的圖形定義，只有這一步是不夠的。我們還需精確地控制刻蝕工藝。目前有幾種技術可以幫助刻蝕圖形定義。

剝離工藝

在表面層中的圖形尺寸最終是由曝光和刻蝕工藝共同決定的。在工藝中,有鉆蝕(光刻膠支撐)的地方是個問題，例如鋁刻蝕，尺寸變化的刻蝕成分可能是決定性的因素。一種可以消除刻蝕變差的方法稱為剝離工藝(見下圖)。在這一工藝中，晶圓經過顯影過程，在需要淀積圖形的地方留下孔隙。通過調整曝光工藝和顯影工藝，使孔隙側壁產生負斜面。

剝離工藝

接著，在晶圓表面進行淀積，淀積物覆蓋整個品圓表面并進入孔隙中。然后，將晶圓表面光刻膠除去，光刻膠會連帶將覆蓋其上的淀積物一并去除，這樣就只留下了孔隙中的淀積物，即所需的圖形。通常去除步驟會伴隨超聲波激勵，這樣有助于在光刻膠邊緣的淀積膜形成清晰的斷裂界線。光刻膠和淀積膜去除后，在晶圓表面留下了希望的圖形。

八、自對準結構

過刻蝕會使兩個結構的距離比預想的近。而工藝制成中，不可避免地存在過刻蝕，所以各個結構的對準變得至關重要。一種解決辦法就是自對準結構(self-alignedstructure)，比如MOS器件的柵極。定義柵極的同時也定義了源極或漏極(見下圖)。打開源、漏區域是簡單的刻蝕去除氧化物的過程,源或漏區域薄的氧化層保證了柵極上的氧化層不會被刻蝕光。接下來的離子注入將離子注入在柵極附近源區或漏區。使用不同的氧化層厚度和浸沒式刻蝕的這種基本技術可以定義或刻蝕其他結構。該設計使用柵極作為注入阻擋層。

自對準硅柵極(SAG)結構

九、刻蝕輪廓控制

在第9章中，各向異性刻蝕的概念用來說明形成豎直(或接近豎直)刻蝕側墻的一種方法。當刻蝕層實際上是多層不同材料疊在一起時，該問題變得更復雜[見下圖(a)]。使用選擇性比較差的刻蝕劑會形成寬度不同的層面[下圖(b)]。多層刻蝕輪廓控制必須綜合考慮刻蝕劑化學成分、功率水平、系統壓力和設計。

參考文獻：

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