IC制造中硅片邊緣上光刻工藝的波動問題分析

1、.第 一 章引 言光 刻 工 藝 處 在 整 個 IC 生 產(chǎn) 線 的 核 心 地 位 ， 幾 乎 和 其 他 每 個 工 藝 步 序 都 有 聯(lián) 系 ，國此 光 刻 在 生 產(chǎn) 線 上 的 地 位 舉 足 輕 重 。在 主 流 的微 電 子 制 造 過 程 中 ，光 刻 是 最 復(fù) 雜 ，昂 貴 和 關(guān) 鍵 的 工 藝 。光 刻 工 藝 的 作 用 是 把 掩 模 版 上 的 圖 形 轉(zhuǎn) 移 到 硅 片 上 ， 曝 光 好 壞 由 下 面 四個 參 數(shù) 決 定 : 分 辨 率 ， 焦 點 深 度 ， 透 鏡 失 真 ， 套 刻 精 度 。 本 論 文 主 要 討 論 的 分 辨 率 和 焦

2、點 深 度 兩 個 參 數(shù) 。因 為 這 兩 個 參 數(shù) 是 光 刻 成 像 最 關(guān) 鍵 并 且 可 以控 制 的 兩 個 參 數(shù) ，對 于 先 進 工 藝 ，這 兩 個 參 數(shù) 一 個 都 不 能 少 ，但 這 兩 個 參 數(shù) 又 是 呈 反 比 的 ， 增 大 了一 個 參 數(shù) ， 另 一 個 就 一 定 會 變 小 。第 一 節(jié) 集 成 電路 (IC )及 集 成 電路 制 造 流 程 簡 介所 謂 的 集 成 電 路 (IC) ，就 是 把 特 定 電 路 所 需 的 各 種 電 子 元 件 及 線 路 縮 小 并 制 作 在 大 小 僅 為 1 平 方 厘 米 ，或 更 小 的 面

3、積 上 的 一 種 電 子 產(chǎn) 品 。因 為 集 成 電 路 大 多 是 由數(shù) 以 萬 計 ，大 小 只 能 通 過 顯 微 鏡 才 能 觀 看 到 的 固 態(tài) 電 子 元 件 所 組 合 而 成 ，因 此 我 們 又 習(xí) 慣 稱 呼 它 為 微 電 子 元 件 (M ie r o e le c tr o n ie s ) 。集 成 電路 ( 工nt eg r at ed C irc ui t，以 下 簡 稱 為 1C ) 在 我們 的 日常 生 活 當(dāng) 中 應(yīng) 用 己 經(jīng) 極 為 廣 泛 ，己經(jīng) 滲 透 進 工 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 和 國 防 領(lǐng) 域 的 方 方 面 面 ，而 且 其 應(yīng) 用 還

4、 在 不 斷 的 擴 張 與 發(fā) 展 。集 成 電 路 工 業(yè) 已經(jīng) 變 成 了 現(xiàn) 代 社 會 的基 礎(chǔ) 工 業(yè) 而 成 為 各 國 競 相 投 入 的 關(guān) 鍵 產(chǎn) 業(yè) 。 IC 由這 樣 一 個 發(fā) 明 原 形 成 長 為 今 天 現(xiàn) 代 經(jīng) 濟 的 主 要 支 柱 產(chǎn) 業(yè) ，成 為 近 半 個 世 紀(jì) 來 發(fā) 展 最 快 、 影 響 最 深 遠 的 技 術(shù) 之 一 。 整 個 集 成 電 路 產(chǎn) 業(yè) 可 以 分 為 上 游 (硅 晶 圓 制 造 ) ， 中 游 (集 成 電 路 的 制 作 )， 下 游 ( 集 成 電 路 的 封 裝 測 試 ) 三 個 階 段 ( 見 圖 1一1 )。

5、允. 翻作從 洲多.， 心 口偽 珍 . 1 . 1. k .比 1。砂玲 。一0 11 目加甲 . 目.，!n g o t神護只 ，燕，.御于-位 側(cè)面 子樁 人二匆 側(cè) 、封紹已t 比 1習(xí)日1 . 1 即 1 . t. l 五國，l o d .，盆目 洛.如 二 山1 潤I .T t i飛!I獷夕圖 1一l 集 成 電 路 制 造 簡 易 流 程.;集 成 電 路 制 作 部 分 流 程 非 常 復(fù) 雜 ， 工 藝 流 程 一 般 都 有 幾 百 上 千 個 步 驟 ， 從 開 始 流 片 到 可 以 切 割 封 裝 動 輒 需 要 幾 個 月 的 時 間 。人 類 自從 創(chuàng) 造 了 集

6、 成 電 路 產(chǎn) 業(yè) 以 來 ， 生 產(chǎn) 效 率 不 斷 提 高 ， 從 從 三 寸 晶 圓 到 目前 的 主 流 十 二 寸 晶 圓 ，可 用 面 積 增 加 了 16 倍 ，流 片 結(jié) 束 后 的 晶 粒 產(chǎn) 出 量 也 提 升 了 數(shù) 十 倍 ，而 且 十 六 寸 晶 圓 生 產(chǎn) 線 正 在 研 發(fā) ， 預(yù) 計 在 不 久 的 將 來 就 會 投 入 使 用 。集 成 電 路 的 制 作 流 程 可 以 分 為 6 個 獨 立 的 生 產(chǎn) 模 塊 : 擴 散 ( 包 括 氧 化 和 摻 雜 工 藝 )， 光 刻 ， 蝕 刻 ， 薄 膜 ， 離 子 注 入 和 拋 光 ( 見 圖 1一2

7、)。 這 6 個 主 要 的 生 產(chǎn) 模 塊 都 是 在 高 度 潔 凈 的 無 塵 室 車 間 內(nèi) 完 成 ，互 相 關(guān) 聯(lián) ，相 輔 相 成 。通 過 這 些 工 藝 步 驟 在 一 小 塊 硅 單 晶 片 上 同 時 制 造 晶 體 管 、二 極 管 、 電 阻 和 電 容 等 元 件 ，并 且 采 用 一 定 的 隔 離 技 術(shù) 使 各 元 件 在 電 性 能 上 互 相 隔 離 。然 后 在 硅 片 表 面 蒸 發(fā) 鋁 層 并 用 光 刻 技 術(shù) 刻 蝕 成 互 連 圖 形 ，使 元 件 按 需 要 互 連 成 完 整 電 路 ，制 成 半 導(dǎo) 體 單 片 集 成 電 路 。隨 著

8、單 片 集 成 電 路 從 小 、 中 規(guī) 模 發(fā) 展 到 大 規(guī) 模 、超 大 規(guī) 模 集 成 電 路 ，平 面 工 藝 技 術(shù) 也 隨 之 得 到 發(fā) 展 。例 如 ，擴 散 摻 雜 改 用 離 子 注 入 摻 雜 工 藝 ; 紫 外 光 常 規(guī) 光 刻 發(fā) 展 到 一 整 套 微 細 加 工 技 術(shù) ，如 采 用 電 子 束 曝 光 制 版 、等 離 子 刻 蝕 、反 應(yīng) 離 子 銑 等 ; 外 延 生 長 又 采 用 超 高 真 空 分 子 束 外 延 技 術(shù) ; 采 用 化 學(xué) 汽 相 淀 積 工 藝 制 造 多 晶 硅 、二 氧 化 硅 和 表 面 鈍 化 薄 膜 ; 互 連 細

9、線 除 采 用 鋁 或 金 以 外 ，還 采 用 了 化 學(xué) 汽 相 淀 積 重 摻 雜 多 晶 硅 薄 膜 和 貴 金 屬 硅 化 物 薄 膜 ，以及 多 層 互 連 結(jié) 構(gòu) 等 工 藝 。光 刻 工 藝 處 在 整 個 生 產(chǎn) 線 的 核 心 地 位 ，在 主 流 的 微 電 子 制 造 過 程 中 ，光 刻 是 最 復(fù) 雜 ， 昂 貴 和 關(guān) 鍵 的 工 藝 ， 光 刻 占 了 總 制 造 成 本 的 1/3 ， 而 且 所 占 的 百 分 比 還 在 上 升 。圖 1一2 晶 片 制 作 流 程 模 塊 圖第 二 節(jié) 光 刻 技 術(shù)光 刻 工 藝 也 被 稱 為 大 家 熟 知 的p

10、h o to l i th o g r a ph y ， p h o to 一m a s k in g ，ma sk in g ， 或 mi cr o 1 ith og Ia p h y 。 在 晶 圓 的 制 造 過 程 中 ， 晶 體 三 極 管 、 二 極 管 、電 容 、電 阻 和 金 屬 層 的 各 種 物 理 部 件 在 晶 圓 表 面 或 表 層 內(nèi)構(gòu) 成 。這 些 部 件 是 每 次在 一 個 掩 膜 層 上 生 成 的 ，并 且 結(jié) 合 生 成 薄 膜 及 去 除 特 定 部 分 ，通 過 光 刻 工 藝 過 程 ， 最 終 在 晶 圓 上 保 留 特 征 圖 形 的 部 分

11、 。光 刻 生 產(chǎn) 的 目標(biāo) 是 根 據(jù) 電 路 設(shè) 計 的 要 求 ，生 成 尺 寸 精 確 的 特 征 圖 形 ， 并 且 在 晶 圓 表 面 的 位 置 正 確 且 與 其 它 部 件 (p ar t s ) 的 關(guān) 聯(lián) 正 確 。 光 刻 工 藝 是 半 導(dǎo) 體 制 造 中 最 為 重 要 的 工 藝 步 驟 之 一 。如 圖 卜 3 ， 1一4 。 主 要 作 用 是 將 掩 膜 板 上 的 圖 形 復(fù) 制 到 硅 片 上 ，為 下 一 步 進 行 刻 蝕 或 者 離 子 注 入 工 序 做 好 準(zhǔn) 備 。光 刻 的 成 本 約 為 整 個 硅 片 制 造 工 藝 的 1/3 ，耗

12、費 時 間 約 占整 個 硅 片 工 藝 的 4 0 、6 0% 。光 刻 機 是 生 產(chǎn) 線 上 最 貴 的 機 臺 ，5 一 15 百 萬 美 元 / 臺 。主 要 是 貴 在 成 像 系 統(tǒng) ( 由 15 20 個 直 徑 為 2 00 一 3 00 Inln的 透 鏡 組 成 ) 和 定 位 系 統(tǒng) ( 定 位 精 度 小 于 IO nm )。其 折 舊速 度 非 常 快 ，大 約 3 一 9 萬 人 民 幣/ 天 ，所 以 也 稱 之 為 印 鈔 機 。光 刻 部 分 的 主 要 機 臺 包 括 兩 部 分 : 軌 道 機 (T ra ck er ) ，用 于 涂 膠 顯 影 ; 掃

13、 描 曝 光 機 ( S ca nn ing )。 光 刻 工 藝 的 要 求 : 光 刻 工 具 具 有 高 的 分 辨 率 ; 光 刻 膠 具 有 高 的 光 學(xué) 敏 感 性 ; 準(zhǔn) 確 地 對 準(zhǔn) ; 大 尺 寸 硅 片 的 制 造 ; 低 的 缺 陷 密 度 。戶戶揮 、圖 卜 3 晶 片 制 作 流 程 模 塊 圖在 硅 片上 形 成 圖 形 的 簡 單 流 程 圖T h e R o le o tP h 叭0 in th e F A B口甲 諭竺瓢· /t曰甲.? 砰 留下”氧化層圖”心 甲 -未 被 光刻 膠 遮 蓋 的 熱氧 化 層 被 刻 蝕t4圈闔磷 馨 奮瓢的光刻

14、膠圖 1一4 光 刻 工 藝 步 驟 示 意 圖光 刻 機 分 為 步 進 重 復(fù) 式 光 刻 機 和 掃 描 步 進 式 光 刻 機 ， 如 圖 : 1一5 光 刻 工 藝 的 作 用 是 把 掩 模 版 上 的 圖 形 轉(zhuǎn) 移 到 硅 片 上 ，曝 光 好 壞 由 下 面 四 個 參 數(shù) 決 定 : 分 辨 率 ，焦 點 深 度 ，透 鏡 失 真 ，套 刻 精 度 。步 進 重 復(fù) 式 光 刻 機 的 暴 光 方 式 :掃 描步進 式 光刻 機 的暴 光 方 式 :廣光/ 了掩 模 版二 _二甚 一二圣三 生二勝、一 產(chǎn) /縮 小 投影 透 鏡硅 片 臺產(chǎn)犀 疊圖 1一5 光 刻 曝 光

15、原 理 示 意 圖1 分 辨 率 一反 映 光 刻 機 在 硅 片 上 清 晰 曝 光 細 小 圖 形 的 能 力 ，一 般 在 0 . 30 協(xié)m 以 內(nèi) ， 代 表 了 區(qū) 分 臨 近 最 小 尺 寸 圖 形 的 能 力 。 R= k 入/ (N A) =0 .6 6/ (n* si n e ) 。N 人攤 們·_R二 b_入圖 1 一6 不 同 光 刻 膠 C D 尺 寸 斷 面 圖我 們 可 以 從 圖 1一6 的 光 刻 膠 CD 尺 寸 斷 面 圖 中 看 到 ，隨 著 線 寬 變 得 越 來 越 小 ， 如 果 每 一 根 光 刻 膠 的 間 距 是 1 :1 ， 可

16、以 分 辨 出 0 .24 um的 線 寬 。 當(dāng) 線 寬 縮 小 到 0 . 1 1Um 就 無 法 分 辨 出 來 了 ，光 刻 膠 條 己經(jīng) 粘 連 在 一 起 無 法 分 開 。因 此 從 圖 1一6 公 式 可 以 知 道 提 高 分 辨 率 的 方 法 : 1 、減 小 光 源 的 波 長 ; 2 、采 用 高 分 辨 率 的 光 刻 膠 ;3 、 增 大 透 鏡 半 徑 ; 4 、 采 用 高 折 射 率 的 介 質(zhì) ， 即 采 用 浸 入 式 光 刻 技 術(shù) ; 5 、 優(yōu) 化 光 學(xué) 棱 鏡 系 統(tǒng) 以 提 高 k (0 .4 一0 . 7) 值 (k 是 標(biāo) 志 工 藝 水

17、 平 的 參 數(shù) )。數(shù) 值 孔 徑 ( NA ， Nu m e r iCal A p e r t 。r e ) 。 表 示 透 鏡 收 集 衍 射 光 ( 聚 光 ) 的 能 力 。 NA = n *s in o =n * 透 鏡 半 徑 / 透 鏡 焦 長 )。一 般 來 說 NA 大 小 為 0 . 5 一0 . 55 。提 高 數(shù) 值 孔 徑 的 方 法 : 1 、提 高 介 質(zhì) 折 射 率 n ， 采 用 水 代 替 空 氣 ; 2 、 增 大 透 鏡 的 半 徑 。2 焦 點 深 度 一 在 曝 光 出 符 合 要 求 的 圖 形 的 前 提 下 ，硅 片 可 以 偏 離 最 佳

18、聚 焦 平 面 的 最 大 限度 ，一 般 在 。. 5 林m 以 上 。焦 深 表 示 焦 點 周 圍 的 范 圍 ，在 該 范 圍 內(nèi) 圖 像 連 續(xù) 地 保 持 清 晰 。焦 深 是 焦 點 上 面 和 下 面 的 范 圍 ，焦 深 應(yīng) 該 穿 越 整 個 光 刻 膠 層 的 上 下 表 面 ， 這 樣 才 能 夠 保 證 光 刻 膠 完 全 曝 光 。 DO F = k 入/ (NA) 2 。S p R 4 5 3 1 5 舊 N ·D o F o 6 卜m一 叮四.一理四_ _ _幻而入雙二墨 一 二留一四些.一理四圖 1一7 聚 焦 深 度 舉 例 ，F(xiàn)E M 斷 面 圖

19、我 們 可 以 從 圖 1一7 的 公 式 看 到 ， 光 源 的 波 長 是 和 光 刻 工 藝 窗 口成 正 比 的 ， 同樣 NA 的 變 化 會 以平 方 的倍 率 影 響 到 光 刻 工 藝 窗 口，但 從 圖 1一6 的 公 式 看 到 ，NA 是 和 分 辨 率 呈 正 比 的 ， 因 此 ，通 過 提 高 NA 的 方 式 提 高 分 辨 率 ，會 平 方 倍 的 損 失 光 刻 工 藝 窗 口 。我 們 從 右 邊 的 斷 面 圖 也 能 看 到 ，當(dāng) 聚 焦 平 面 偏 負 的 時 候 光 刻 膠 的 表 面 會 銷 頂 ，在 宏 觀 上 看 到 是 區(qū) 域 發(fā) 亮 的情

20、況 ，也 就 是 我 們 常 說 的 離 焦 問題 。而 當(dāng) 聚 焦 平 面 偏 正 的 時 候 ， 光 刻 膠 的 形 狀 會 成 倒 梯 形 ， 下 面 部 分 小 ， 上 面 比較 大 ， 這 樣 子 的 結(jié) 構(gòu) 會 導(dǎo) 致 光 刻 膠 無 法 和 硅 片 表 面 牢 固 的 粘 附 住 。因 此 會 發(fā) 生 光 刻 膠 脫 離 硅 片 表 面 。這 就 是 我 們 說 得 圖 形 漂 移 也 就 是 p e e ling 問題 。因此 增 大 焦 深 的 方 法 : 1、增 大 光 源 的 波 長 ; 2 、采 用 小 的 數(shù) 值 孔 徑 ; 3 、利 用 CMP 進 行 表 面 平

21、坦 化 。 由 于 前 兩 種 方 法 會 降 低 分 辨 率 ，而 分 辨 率 是 芯 片 制 造 所 努 力 提 升 的 重 要 參 數(shù) ，因 此 我 們 需 要 在 看 上 去 相 互 矛 盾 的兩 個 方 面 做 出某 種 平 衡 。一 般 在 保 證 基 本 的 焦 深 要 求 下 不 降 低 分 辨 率 ， 即 以 分 辨 率 為 主 。所 以 ， 現(xiàn) 在 一 般 采 用 C M P 平 坦 化 技 術(shù) 保 證 足 夠 的 焦 深 。同 樣 我 們 也 可 以 通 過 公 式 轉(zhuǎn) 換 ， 列 出 光 刻 工 藝 窗 口 與 分 辨 率 的 關(guān) 系 ， 如 圖 1一8 。 從 這 兩

22、 個 公 式 我 們 就 能 看 到 光 刻 工 藝 窗 口與 分 辨 率 是 成 反 比 的 ， 提 高 分 辨 率 的 代 價 會 平 方 倍 的 損 失 光 刻 工 藝 窗 口 。k Z R Z 班 ;k l又R一浩丫一 圖 工一8 DO F 與 R 的 轉(zhuǎn) 換 公 式3 透 鏡 失 真 一 衡 量 縮 小 投 影 透 鏡 把 掩 模 版 上 的 圖 形 成 像 到 硅 片 上 時 的 畸 變 程 度 ， 一 般 在 3O nm 以 內(nèi) 。4 套 刻 精 度 一 衡 量 光 刻 機 把 圖 形 曝 光 到 硅 片 上 正 確 位 置 的 能 力 ， 一 般 在4 5 nln 以 內(nèi) 。其

23、 中 分 辨 率 和 焦 點 深 度 是 光 刻 工 藝 中 的 主 要 問題 ，也 是 我 們 討 論 的 主 要 問 題 。我 們 可 以 從 下 面 的 示 意 圖 看 到 光 刻 過 程 中 ， 只 有 把 曝 光 區(qū) 域 放 進 焦 點 深 度 的 情 況 下 ， 曝 出 來 的 圖 形 才 能 有 足 夠 的 分 辨 率 ， 反 之 會 出 現(xiàn) 離 焦 的 問 題 ， 圖 形 會 變 的 模 糊 。本 論 文 中 討 論 的 兩 個 參 數(shù) 是 : 曝 光 能 量 ( E ne r g y ) 和 焦 距 ( F oc us ) 。 如 果能 量 和 焦 距 調(diào) 整 不 好 ，就

24、不 能 得 到 要 求 的 分 辨 率 和 大 小 的 圖 形 。表 現(xiàn) 為 圖 形 的 關(guān)鍵 尺 寸 超 出 要 求 的 范 圍 。分 辨 率 的 增 加 可 以 使 我 們 的 關(guān) 鍵 尺 寸 做 的 越 來 越 小 ，焦 深 的 增 加 可 以 增 加工 藝 的 窗 口 ，減 少 良率 的 損 失 。 但 從 公 式 上 可 以 看 到 ，在 K2 ，Kl ，入不 變 的 情 況 下 ， 焦 深 會 隨 著 分 辨 率 的 增 加 成 倍 的 減 少 。 必 須 平 衡 這 兩 個 參 數(shù) 才 既 能 達 到 最 小 的線 寬 ，又 能 有 足 夠 的 窗 口 。 因 此 下 文 中 ，

25、我 們 會 主 要 討 論 隨 著 分 辨 率 的 提 高 ，光 刻 的 工 藝 窗 口成 平 方 倍 的 變 小 ，由 此 帶 來 的 問 題 ，同 時 硅 片 邊 緣 會 放 大 這 個 問 題 ， 并 且 是 非 常 難 控 制 的 。 圖 1一9 ， 1一10 是 關(guān) 于 這 兩 個 關(guān) 鍵 參 數(shù) 的 示 意 圖 。R 6 S O IU t io n a n d D G P t h O f F O C U Soefo e。S 的 影 響R RR : R o S O ul t oinn n一一不 亦 瀝碩門門D ODD F : D e p t h o f F o e u ss s轟 轟

26、 : W a v e le 明 也 o f E x p o 名u r e 5 0 班 e 白白。派kZ·斌NA，k lkk.k Z : 氏 o e e e F a e t 沉 d e e 工d e d b y 刊 七.聲只 C .P S MM M叢萬盜 幾畫一一N ANN: N u j n 盯 i e 缸 A p e r t匹 ee eOO AO ! .O P C 二二口口. 5- 或 >碗碗碗!. 5- 區(qū) 二>碗碗仁巫仁 亞巫二 卜巫 畫 司閱 - - D.。萬 月卜- D·o.F . 卜圖 l一9 分 辨 率 和 較 深 示 意 圖工 藝 窗 口 proc

27、ess w indow枷繃耐珊繃繃c 7ooD.E Va lu a tin g th e e f fe C tSo f f oc u s a n d e x P o s u reo n th e re s u lt s o f a.壓O 晰J e 時飛即 0 鬧 臼 戶 P r oje c tio n lith o g ra P h yC rit iC d l D im e n s io n悶悶悶土 1 0 %2朋 D . 山m 之2 2 0 刀 . 注加 二 s y s t em2 刁0 0 閑 ，m 之心 二2 如O m ，時2 腸壓O m J欠 解 作u eh as a st ep p

28、e 吟 15鄉(xiāng) d e w a 】A n g je滬燕 共夕琳一。 3 2 0 口 閑 飾 忿 a c ritic a l P a r to f8 0 。如知 O m 加“ 護u n d e r st an d in g a n d限 5 is t L o s s耳.c o n t ro llin g a1it h o g r aP h lc P r oc e ss ·1 0 %圖 1一10 工 藝 窗 口 曲線第 二 章IC 制 造 中 硅 片 邊 緣 上 光 刻 工 藝 波 動 問題 的 現(xiàn) 狀 和 改蓋 古 空馬 / J 夕 下 虧第 一 節(jié) 硅 片 邊 緣 問 題 概 述 及

29、 光 刻 相 關(guān) 問 題上 一 節(jié) 我 們 講 的 是 理 想 的 情 況 ，但 隨 著 工 藝 層 次 的 不 斷 堆 積 ，硅 片 邊 緣 問 題 變 的 十 分 復(fù) 雜 ，并 且 涉 及 到 多 個 工 藝 步 驟 。 但 隨 著 晶 圓 做 的 越 來 越 大 ， 芯 片 做 的 越 來 越 小 ，硅 片 邊 緣 的 良率 己經(jīng) 不 容 忽 視 。摩 爾 定 律 (M oo re 5 La w) : 單 片 集 成 晶 體 管 數(shù) 目每 18 或 2 4 個 月 增 長 一 倍 半 導(dǎo) 體 工 藝 的 效 力 每 18 個 月 增 長 一 倍 。 如 圖 2 一11 .0 0 0 .0

30、 的一一N5Ea O.E，0 0 伊岡 0，0 ，0 的1 0剔剔裔丁丁1 .0 0 01 0 01 9 7 5 1 9 8 0 ，9 8 5 1 9 9 0 1 9 9 5 2 0 0 0 2 0 0 5 2 0 ，0P 咧 e C ted 一圖 2 一l 摩 爾 定 律 晶 體 管 數(shù) 目& 摩 爾 定 律 一 芯 片 尺 寸 示 意 圖硅 晶 圓 片 的 直 徑 從 20 世 紀(jì) 80 年 代 中 期 的 100 mm 逐 漸 增 加 到 現(xiàn) 在 的 2 0 0二 和 3 0 OITun 。 由 于 硅 晶 圓 片 邊 緣 的 損 失 和 劃 線 的 緣 故 ，使 得 管 芯 數(shù)

31、 量 的 增 加 相 對 于 硅 晶 圓 片 面 積 的 增 加 稍 快 些 。例 如 ，當(dāng) 制 造 者 八 硅 晶 圓 片 的 直 徑 從 125 Inln 提 高 到 20 0二 時 ，每 個 硅 圓 鏡 片 上 7Inln *7 mln de 管 芯 數(shù) 目增 加 到 2 .8 倍 ，而 硅 晶 圓 片 面 積 增 加 到 2 . 6 倍 。半 導(dǎo) 體 工 業(yè) 從 引 入 硅 材 料 起 就 是 用 圓 形 的 晶 圓 。 第 一 片 晶 圓 直 徑 還 不 到 1 英 寸 。從 那 時 起 ，晶 圓 的 直 徑 就 保 持 著 持 續(xù) 變 大 的 趨 勢 ，20 世 紀(jì) 8 0 年 代

32、 15 0Inln ， 20 世 紀(jì) 90 年 代 Z O 0m m ， 目前 3 00 Inln 的 晶 圓 也 己 經(jīng) 非 常 普 遍 ， 今 后 還 會 發(fā) 展 到4 5O Inln 晶 圓 。使 得 更 大 直 徑 晶 圓 的 驅(qū) 動 力 來 自于 生 產(chǎn) 效 率 ，不 斷 增 加 的 芯 片 尺 寸 以及 受 晶 圓 點 測 良 品 率 的 影 響 。因 此 隨 著 硅 片 尺 寸 越 來 越 大 ， 邊 緣 的 面 積 變 得 越 來 越 大 ， 半 導(dǎo) 體 從 早 期 的 四 寸 硅 片 發(fā) 展 到 現(xiàn) 在 的 12 寸 ， 以 至 于 今 后 的 18 寸 。如 果 算 一 下

33、 就 會 知 道 ，十 二 寸 的 硅 片 周 長 增 加 到 四 寸 硅 片 的 3 倍 ，面 積 增 加 到 四 寸 硅 片 的 9 倍 ，如 果 同 樣 按 照 Slnln 的 去 邊 距 離 算 的 話 ，十 二 寸 的 硅 片 去 邊 面 積 會 是 四 寸 的 去 邊 面 積 的 整 整 3倍 ，再 加 上 芯 片 尺 寸 越 來 越 小 ，以 及 十 二 寸 工 藝 的 高 成 本 ，十 二 寸 硅 片 去 邊 會 影 響 到 更 多 的 有 效 芯 片 。因 此 硅 片 邊 緣 問 題 的 改 善 隨 著 工 藝 的 進 步 引 起 更 多 人 的 重 視 。在 過 去 的 十

34、 年 里 ， 曝 光 工 具 在 持 續(xù) 縮 小 圖 形 尺 寸 方 面 取 得 了 兩 個 重 要 的 進 展 ，而 這 兩 個 進 展 都 是 依 靠 增 大 光 學(xué) 系 統(tǒng) 的 數(shù) 值 孔 徑 獲 得 的 。第 一 個 進 展 是 采 用 分 布 掃 描 系 統(tǒng) 取 代 了 常 規(guī) 的 步 進 機 。在 這 個 系 統(tǒng) 中 ，通 過 光 學(xué) 柵 闡 同 時 對 掩 膜 和 硅 晶 圓 進 行 索 森 ， 由 于 任 何 時 間 僅 對 一 個 很 小 面 積 的 區(qū) 域 進 行 曝 光 ，因 此 該 系 統(tǒng) 具 有 兩 個 主 要 優(yōu) 點 ，第 一 個 優(yōu) 點 是 可 以 獲 得 比 較

35、 大 得 數(shù) 值 孔 徑 ， 目前 這 種 掃 描 機 可 以 獲 得 0 。 7 的 數(shù) 值 孔 徑 ， 甚 至 還 可 以 更 高 。 第 二 個 優(yōu) 點 是 這 種 掃 描 機 可 使 用 于 非 常 大 面 積 區(qū) 域 的 曝 光 ， 目前 最 大 的 曝 光 場 面 積 可 達 到 26 mln *3 3Inm 。第 二 個 主 要 進 展 是 所 謂 的 浸 沒 式 光 刻 技 術(shù) 。它 用 液 體 來 代 替 空 氣 這 個 媒 介 ，使 折 射 率 增 大 ， 這 樣 就 可 進 一 步 減 小 特 征 尺 寸 了 。第 二 節(jié) 晶 圓 周 邊 光 刻 工 藝 問 題 現(xiàn) 狀

36、分 析采 用 亞 0 . 2 5 u m 設(shè) 計 規(guī) 則 的 U LSI 代 表 芯 片 集 成 的 先 進 水 平 ， 它 在 幾 平 方 厘 米 的 芯 片 面 積 上 有 數(shù) 千 萬 個 晶 體 管 和 大 約 五 千 萬 條 互 聯(lián) 線 。多 層 金 屬 技 術(shù) 使 單 個 集 成 電路 中 上 百 萬 晶 體 管 和 支 持 原 件 的 內(nèi) 部 互 連 稱 為 可 能 。而 且 ，此 技 術(shù) 有 效 利 用 了 芯 片 的 垂 直 空 間 ，使 它 能 夠 進 一 步 提 高 器 件 的 集 成 密 度 。多 層 金 屬 技 術(shù) 早 在 20 世 紀(jì) 70 年 代 就 己經(jīng) 出 現(xiàn)

37、，但 隨 之 而 來 的 較 大 的 表 面 起 伏 稱 為 亞 微 米 圖 形 制 作 的 不 利 因 素 ，因 為 更 多 曾 的 加 入 時 硅 片 表 面 變 得 不 平 整 。不 平 整 的 硅 片 表 面 形 貌 是 不 理 想 的 ，它 導(dǎo) 致 了 一 些 其 他 的 問 題 ，其 中 最 嚴(yán) 重 的 是 無 法 在 硅 片 表 面 進 行 圖 形 制 作 ，因 為 他 收 到 光 學(xué) 光 刻 中 步 進 透 鏡 焦 距 深 度 的 限 制 ?；?學(xué) 機 械 平 坦 化 (C M P) 的 工 藝 就 是 為 了 改 善 這 個 局 面 。工 藝 制 成 變 異 在 晶 圓 周

38、邊 發(fā) 生 的 概 率 較 高 。 在 反 應(yīng) 爐 管 內(nèi) 進 行 的 高 溫 工 藝 制 成 中 ，晶 圓 表 面 各 處 的 溫 度 總 是 有 些 不 一 致 ，溫 度 的 變 化 會 導(dǎo) 致 晶 圓 一 致 性 的 改 變 。在 晶 圓 外 圍 邊 緣 ，加 熱 和 冷 卻 的 速 度 稍 快 一 些 ，變 異 也 會 多 一 些 。另 一 個 導(dǎo) 致 這 種 晶 圓 邊 緣 現(xiàn) 象 的 因 素 是 由 于 操 作 而 接 觸 硅 片 邊 緣 所 帶 來 的 污 染 物 和 對 硅 片 各 層 的 物 理 損 傷 。解 決 該 問題 的 一 個 方 法 是 使 薄 層 平 坦 化 。平

39、 坦 化 工 藝 已經(jīng) 運 用 到 現(xiàn) 代 工 藝 中 ，它 對 光 刻 工 藝 有 更 多 的 改 善 作 用 。另 一 個 解 決 辦 法 是 采 用 多 層 膠 。典 型 的 用 法 是 :先 涂 一 層 厚 的 平 坦 化 聚 合 物 。 聚 合 物 被 稱 為 局 部 平 坦 化 ， 因 為 它 可 以 使 凹 凸 形 貌 中 得 臺 階 變 平 滑 ，但 對 長 距 離 出現(xiàn) 的 高 度 變 化 和 晶 圓 片 彎 曲不 起 作 用 。 在 需 要 小 特 征 尺 寸 的 應(yīng) 用 時 ，至 少 在 部 分 工 藝 步 驟 中 ，襯 底 的 平 坦 化 幾 乎 是 強 制性 的 。第

40、 一 臺 步 進 機 采 用 的 是 全 局 對 準(zhǔn) 和 聚 焦 技 術(shù) 。 在 這 樣 的 系 統(tǒng) 中 ， 聚 焦 和 對 準(zhǔn) 對 于 整 個 晶 圓 片 來 說 是 一 次 完 成 的 。交 心 的 系 統(tǒng) 可 以 一 個 場 ，一 個 場 的 控 制 這 些 變 量 。 系 統(tǒng) 能 在 晶 圓 片 上 的 每 一 個 曝 光 場 ， 自動 調(diào) 整 對 準(zhǔn) 和 聚 焦 。 如 圖 2 一2 ， 可 以 避 免 許 多 與 高 NA 有 關(guān) 的 聚 焦 深 度 的 問 題 ，而 且 大 大 減 小 了 晶 圓 片 翹 曲 和 變 形 的 影 響 。 這 也 使 大 直 徑 晶 圓 片 的 應(yīng)

41、 用 更 為 可 行 。A U tO F O C U S/ 八F SNSO R傳感器氣弓 ，透 透鏡 組 組D E F O C 日S圖 2 一2 聚 焦 系 統(tǒng) 示 意 圖LO C O S ( 硅 的 局 部 氧 化 ) 工 藝 對 光 刻 的 影 響 ， 制 作 厚 場 氧 化 層 的 最 直 接 方 法 是 在 制 作 器 件 前 生 長 一 層 厚 氧 化 層 ，然 后 在 這 些 窗 口 中 制 作 器 件 。但 這 中 方 法 形 成 的 表 面 有 較 高 的 臺 階 ，這 使 得 后 續(xù) 的 淀 積 工 藝 的 臺 階 覆 蓋 差 ，影 響 到 光 刻 工 藝 的 質(zhì) 量 。 在

42、 小 尺 寸 光 刻 時 這 個 問 題 會 非 常 嚴(yán) 重 。由 于 在 工 藝 建 立 的 初 期 ， 光 刻 都 會 考 慮 到 工 藝 本 身 的 不 平 整 問 題 ， 通 過 增 加 光 刻 工 藝 窗 口 ，提 高 在 翹 曲起 伏 的 襯 底 的 工 藝 窗 口 。但 這 耗 去 了 幾 乎 全 部 的 光 刻 工 藝 窗 口 ，隨 著 工 藝 步 驟 的 不 斷 增 加 ，周 邊 的 情 況 變 得 原 來 越 惡 劣 ，光 刻 的 窗 口 已 經(jīng) 被 耗 去 的 所 剩 無 幾 了 。 硅 片 周 邊 光 刻 問 題 需 要 與 硅 片 內(nèi) 部 分 別 對 待 。光 刻 工

43、 藝 中 ， 是 用 MA S K- D R IV E N 工 藝 制 程 會 存 在 工 藝 尺 寸 一 致 性 的 問 題 。光 源 系 統(tǒng) 帶 有 的 中 心 區(qū) 域 一 致 性 比 邊 遠 地 區(qū) 好 的 特 點 。 對 是 用 R ET 工C L E 一D R 工V EN 的 光 刻 工 藝 制 程 ， 由 于 曝 光 區(qū) 域 較 小 ， 使 得 硅 片 各 處 的 圖 形 畸 變 得 以較 小 。在 凹 凸 不 平 的 圖 形 上 曝 光 時 ， 由于 光 刻 膠 是 一 個 有 粘 性 的 膜 ， 因 此 涂 膠 不能 夠 保 形 ，相 反 ，它 會 趨 于 使 表 面 的 凹

44、凸 變 平 滑 。光 刻 膠 在 臺 階 的 頂 部 要 比 標(biāo) 稱 的 厚 度 薄 ，緊 挨 著 臺 階 處 要 比 標(biāo) 稱 的 厚 度 厚 。由 于 臺 階 高 度 常 常 與 膠 厚 相 當(dāng) ， 因 此 這 些 差 別 是 很 顯 著 的 。膠 厚 的 變 化 將 導(dǎo) 致 線 寬 的 變 化 ， 即 在 臺 階 的 邊 緣 處 ，光 刻 膠 線 條 將 會 膨 脹 ，而 在 臺 階 上 會 收 縮 。這 些 線 寬 變 化 是 由臺 階 上 的 過 曝 光 效 應(yīng) 和 沿 臺 階 邊 緣 的 欠 曝 光 效 應(yīng) 所 引 起 的 。在 金 屬 互 連 中 ，這 些 變 化 可 能 是 一

45、個 嚴(yán) 重 的 可 靠 性 的 問 題 ，這 是 因 為 線 寬 在 臺 階 附 近 的 收 縮 常 常 會 出現(xiàn) 在 淀 積 時 臺 階 覆 蓋 差 得 區(qū) 域 附 近 以 及 到 襯 底 的 熱 導(dǎo) 率 梯 度 大 的 點 附 近 。所 有 這 些 效 應(yīng) 都 有 可 能 趨 向 于 使 金 屬 連 線 在 工 作 中 失 效 。第 三 節(jié) 本 論 文 主 要 內(nèi) 容 和 擬 解 決 的 問題本 論 文 主 要 研 究 的 是 隨 著 半 導(dǎo) 體 的 迅 速 發(fā) 展 ， 硅 片 尺 寸 做 得 越 來 越 大 ， 線 寬 做 得 越 來 越 小 ，一 個 在 早 期 工 藝 不 是 很 關(guān)

46、 心 的 一 個 方 面 ，硅 片 邊 緣 問 題 。因 為 隨 著 硅 片 尺 寸 的 增 大 硅 片 的 周 長 成 倍 的 增 加 ，隨 著 線 寬 的 變 小 ，硅 片 邊 緣 有 效 芯 片 的 數(shù) 量 也 成 倍 的 增 加 。 目前 已 經(jīng) 有 的 先 進 工 藝 RE T ，是 在 理 想 的 狀 態(tài) 下 改 進 整 體 光 刻 的 問 題 ，但 硅 片 周 邊 是 一 個 非 常 特 殊 的 地 方 ，它 不 僅 受 到 光 刻 自身 工 藝 的 影 響 ，隨 著 工 藝 步 驟 的 堆 積 ，周 邊 問題 的 效 應(yīng) 也 會 堆 積 ，同 時 變 的 非 常 復(fù) 雜 。周

47、邊 問 題 不 只 影 響 到 周 邊 的 部 分 芯 片 ，隨 著 工 藝 的 堆 積 ，周 邊 的 問 題 會 延 伸 到 硅 片 表 面 任 何 一 個 位 置 。因 此 周 邊 問 題 如 果 能 解 決 ，對 提 高 良率 ，提 高 生 產(chǎn) 效 率 有 非 常 大 的 幫 助 。本 論 文 從 縱 向 的 8 英 寸 0 . 6u m Po we r M OS 工 藝 周 邊 的 離 焦 問 題 ，其 中 分 為 問 題 描 述 ， 問題 分 析 ，經(jīng) 過 大 量 的 實 驗 給 出 了 解 決 方 案 。第 四 章 ，把 問題 深 入 到 12 英 寸 90 n m 、 4 5 n

48、m 邏 輯 工 藝 邊 緣 引 起 的 缺 陷 問 題 ， 比 較 了 12 寸 工 藝 與 8 寸 工 藝 的 差 別 ， 同 時 在 12 英 寸 工 藝 中 羅 列 了 4 個 方 面 引 起 周 邊 問 題 ， 并 對 其 進 行 了 深 入 的 研 究 ，收 集 了大 量 的 數(shù) 據(jù) ，參 考 了較 多 的 文 獻 。本 論 文 目的 是 要 解 決 隨 著 工 藝 的 進 步 ，突 出 周 邊 問 題 的 重 要 性 ， 同 時 做 出 一 些 分 析 ，對 于 周 邊 離 焦 ， 圖 形 漂 移 等 周 邊 問 題 的 解 決 提 供 一 些 方 案 。第 三 章0 .6u mP

49、 ow er M O S 工 藝 硅 片 邊 緣 上 光 刻 工 藝 的 波 動 問題 研 究第 一 節(jié) Pow er M O S 周 邊 離 焦 問題 的基 本 介 紹“M O S FE T ” 是 英 文m e ta l一o x id e一Se m ie o n du e t orf ie lde f fe e ttr an s ist 。r 的 縮 寫 ， 意 即 “金 屬 氧 化 物 半 導(dǎo) 體 場 效 應(yīng) 晶 體 管 ” 。 小 信 號 MO SF ET 主 要 用 于 模 擬 電 路 的 信 號 放 大 和 阻 抗 變 換 ， 但 也 可 應(yīng) 用 于 開 關(guān) 或 斬 波 。 功 率

50、MO S F ET 除 少 數(shù) 應(yīng) 用 于 音 頻 功 率 放 大 器 ， 工 作 于 線 性 范 圍 ， 大 多 數(shù) 用 作 開 關(guān) 和 驅(qū) 動 器 ，工 作 于 開 關(guān) 狀 態(tài) ，耐 壓 從 幾 十 伏 到 上 千 伏 ，工 作 電流 可 達 幾 安 培 到 幾 十 安 培 。功 率 M O S FET 都 是 增 強 型 M O SF ET ，它 具 有 優(yōu) 良 的 開 關(guān) 特 性 。近 年 來 ，功 率 MO S F ET 廣 泛 地 應(yīng) 用 于 電源 、 計 算 機 及 外 設(shè) ( 軟 、 硬 盤 驅(qū) 動 器 、 打 印 機 、 掃 描 器 等 )、 消 費 類 電 子 產(chǎn) 品 、

51、通 信 裝 置 、 汽 車 電 子 及 工 業(yè) 控 制 等 領(lǐng) 域 。C ross seetion view o fa n·ehannel)M O S FETp .W E U圖 3 一1 M O S F E T 器 件 斷 面 圖P ow er MO SF ET 成 為 大 功 率 元 件 的 主 流 ， 廣 泛 應(yīng) 用 于 各 種 電源 轉(zhuǎn) 換 器 。圖 3一1 是 M OS FET 器 件 斷 面 圖 。 H VM OS 工 藝 產(chǎn) 品 為 了 能 達 到 高 耐 壓 的 效 果 ，氧 化 層 厚 度 比其 他 產(chǎn) 品 都 要 厚 。因 此 隨 著 薄 膜 層 數(shù) 的 增 多 以

52、及 厚 度 的 增 加 ，硅 片 周 邊 與 硅 片 內(nèi) 會 有 較 大 的 段 差 。 因 此 周 邊 問題 比較 凸 顯 。第 二 節(jié) 周 邊 離 焦 問題 的 研 究1. 問 題 描 述 :HV MO S 是 耐 高 壓 工 藝 ， 襯 底 的 薄 膜 厚 度 堆 積 的 非 常 厚 為 了抵 御 幾 十 伏 的 高 壓 。 但 由 于 工 藝 線 上 的 問題 ，離 硅 片 邊 緣 3 一Slnln 的 區(qū) 域 有 很 多 因 素 會 使 周 邊 的 厚 度 與 中 間 的 薄 膜 厚 度 有 一 定 的 差 別 ，這 個 差 別 在 5% 、10% 。這 些 薄 膜 厚 度 差 異

53、會 隨 著 工 藝 步 驟 的 增 加 而 變 得 更 加 嚴(yán) 重 : 如 薄 膜 的 生 長 ， 去 邊 工 藝 ， 刻 蝕 工 藝 ， 以 及 硅 片 本 身 的 平 整 度 。這 些 問 題 帶 來 的 后 果 會 在 光 刻 曝 光 后 的 光 學(xué) 檢 驗 中 就 能 發(fā) 現(xiàn) ，如 圖 3一2 ，對 于 源 區(qū) 光 刻 層 次 ，在 UV 燈 下 ，我 們 可 以 明 顯 的 看 到 硅 片 表 面 周 邊 出 現(xiàn) 發(fā) 亮 的 區(qū) 域 ， 這 些 區(qū) 域 多 數(shù) 是 以 曝 光 場 的 形 式 出 現(xiàn) 的 ， 這 說 明 這 些 發(fā) 亮 的 區(qū) 域 是 光 刻 曝 光 后 產(chǎn) 生 的

54、。同 時 在 光 學(xué) 顯 微 鏡 微 觀 下 ， 我 們 可 以看 到 表 面 顏 色 的 差 異 ， 從 光 學(xué) 成 像 原 理 的 角 度 來 講 ， 是 由 于 襯 底 的 膜 厚 不 同 ， 因 此 會 顯 現(xiàn) 出 不 同 的 顏 色 。圖 3 一Z H V M O S 光 學(xué) 顯 微 鏡 照 片圖 3 一3 H V M O S 電 子 顯 微 鏡 照 片在 電 子 顯 微 鏡 下 我 們 可 以看 到 ，如 圖 3一3( 左 邊 的 是 俯 視 圖 ，右 邊 是 截 面 示 意 圖 ) ， 產(chǎn) 生 發(fā) 亮 的 區(qū) 域 中 ， 柱 狀 的 圖 形 不 再 是 正 的 圓 柱 體 ，而 是 緊 接 于 圓 錐 體 ，從 光 刻 的 工 藝 來 講 ，這 就 發(fā) 生 了 離 焦 問 題 ，聚 焦 平 面 偏 負 。我 們 在 N 工K O N S T E PP ER 光 刻 機 上 把 問 題 硅 片 做 了 一 個 平 坦 度 ，發(fā) 現(xiàn) ，硅 片 最 大 的 凸 起 區(qū) 域 出 現(xiàn) 在 5，7，10 點 位 置 ，同 時 最 大 的 點 由 0 . 5 43 um 。 如 圖 3一4p r o d w 介圖 3一4 硅 片 上聚 焦 平 面 圖如 果 我 們 再 深 入 一 點 就 能