IC制造工艺与光刻对准特性关系的研究

出处:computer00 发布于:2007-04-29 10:26:53

(电子科技大学 微电子与固体电子学院, 成都 610054)


摘 要
:主要针对光刻对准特性,从单项工艺和工艺集成的角度,分析了影响光刻对准的各个主要因素,主要包括对准标记、工艺层、隔离技术等,提出了一些改善光刻对准效果的方法。

关键词:光刻对准;工艺层;集成电路;光刻工艺;隔离技术

中图分类号:305.7 文献标识码:A 文章编号:1003-353X(2005)06-0014-04

1 引言

随着IC制造业的迅猛发展,光刻成像技术不断提高,芯片的特征尺寸也不断缩小,而关键尺寸的缩小则产生了更为的套刻要求。这些套刻已随着光刻设备的改进而得到了部分的满足,但光刻设备技术的发展还不能与不断提高的套刻保持同步,况且光刻设备的改进和更新换代需要投入很大资金。我国是发展中国家,在发展集成电路工业中就遇到资金不足以及基础工业落后等问题,从光刻设备着手来提高光刻对准是很不实际的。我们有必要研究IC制造工艺与光刻对准的关系,从工艺流程中挖掘出影响光刻对准的因素,并加以改进才是上策。

2 IC制造工艺对光刻套准效果的影响

对芯片性能和集成度的要求不断提高,导致了IC制造流程的复杂化,比如,仅一个浅槽隔离(STI)工艺就包括沟槽的形成、沟槽顶角的圆滑、沟槽填充、CMP平坦化和CMP后的清洗等步骤,如果为了进一步提高隔离槽的制作效果,还需增加致密退火、反刻蚀等额外工序[1],这样生产中STI的具体工序就会达到数十步,而现在一个0.25mm芯片的制作流程,全部工序就达到几百步。这些流程中的部分工序,诸如隔离工艺、溅镀等,会产生一系列引起光刻套准下降的因素,如隔离工艺能够引起曝光场的形变和涨缩,溅镀能够造成光刻对准标记表面形貌发生改变等,而这些影响因素会造成光刻时套准的降低,严重时,如果不对工艺进行改进,部分工艺层的光刻就无法完成。给出了IC制造工艺与光刻套准的内在联系。本文将对与光刻套准有重要关系的因素,即对准标记、工艺层和隔离技术结合工艺流程做详细分析。

3 对准标记对光刻套准的影响

评价对准标记的好坏有两个重要标准,一是能够在工艺流程中有稳定而良好的标记形貌;二是能够形成良好的信号反差。在大多数的芯片制造过程中,对准标记的形成不外乎以下几种方式:直接在工艺层上刻蚀出标记;利用硅的掺杂氧化效应形成标记;直接在硅衬底上腐蚀出标记。

对准标记的形成一般要经历氧化、扩散、刻蚀等,而氧化层的厚度、扩散掺杂浓度和刻蚀效果都会对对准标记的终形态产生影响。在实际的工艺过程中,不同IC的工艺流程对掺杂、氧化层厚度、刻蚀等的参数要求是不完全一样的,所以对于不同的工艺流程要采用不同类型的对准标记。

光刻机采用的对准方式不同,对准标记的形貌和制作要求也不一样。对于采用相位光栅对准方式的光刻机来说,由于其利用一阶衍射光成像,只与具有周期结构标记的相位有关而与强度无关,所以标记做在首层的工艺层上,并且以后各层工艺层对准时都采用首层形成的标记时比较好。此时在工艺上要考虑的就是首层标记的制作,常用的方式就是控制掺杂剂量,进而控制好对准标记的形貌。

另外对于某些采用光度式对准的光刻机,V型对准标记可以有着较好的对准效果,如所示。

该V型对准标记是在(100)晶面上通过KOH 碱液的定向腐蚀形成的,入射光线为:a入射到标记的外部;b入射到标记的内部,它形成的信号反差为

V型标记的这个反差要比一般对准标记的反差都要大[3],有利于对准标记的定位。

4 工艺层对光刻套准的影响

在芯片制造的过程中,要形成各种各样的工艺层(薄膜),包括POLY、SiO2、Si3N4、BPSG、Al、光刻胶膜等。不同层次光刻前的硅片对准都会面临抗蚀剂衬底的不同介质,如Si,SiO2,Si3N4,Al等,它们各具不同的光学特性,硅片标记的原始信号将会产生很大变化,对准照明光线也将通过抗蚀剂而在衬底表面成像(或反射),进而携带着硅片标记的位置信息经信号提取光路和处理系统进行对准。若不同层次的标记信号差异太大,势必造成某些光刻层次的对准操作困难,对准下降。

从工艺角度在不同工艺层下改善对准的方式有多种,在不同工艺线和不同光刻设备的条件下,采用的改善方法也各不相同。下面是几种改进方法。

4.1 改变成膜条件
有效的对准信号是在对准标记处产生的散射和漫反射信号,如果对准标记所在工艺层或者覆盖在对准标记上的工艺层或对准标记下的工艺层过于粗糙,就会造成对准标记周围区域都会产生与正确对准信号相似的干扰信号,影响到光刻对准。如 所示,台阶上覆盖的铝膜表面较为粗糙,如果该台阶处为一个对准标记的台阶,那么台阶处就会因表面不规则的铝颗粒,使得对准光线产生较大的干扰信号。


改变成膜条件,减小薄膜表面的微粒尺寸,可以减小非对准标记区域产生的干扰信号,这对于某些采用暗场对准方式的光刻机来说是至关重要的。

4.2 选择合适的光刻胶类型及厚度

对准照明光在抗蚀剂层内的吸收、干涉现象将造成对准信号的探测不稳定。另外,光刻胶在使用时,要确定一个合适的膜厚,而这个膜厚不是随意确定的,一般是根据曝光光线在其中的光学特性来决定。曝光光线入射到光刻胶内后,进行一系列的反射和折射,反射回来的光与入射的光就会发生干涉,当所涂光刻胶的膜厚不一样时,入射光与反射光的光程差就不同,就有可能发生相消或者相长干涉。随着光刻胶厚度的增加,就会交替出现相消或者相长干涉。当发生相消干涉时,晶片曝光所用曝光量就会较大,反之较小。所得到的曝光量与光刻胶厚度的关系称之为厚度曲线(Swing Curve)。为EPG510光刻胶的Swing Curve曲线。

当然,不仅曝光光线如此,对准所用的光线也有同样的效应。所以可以利用适当的光刻胶膜厚来削弱那些影响对准信号的杂乱光线强度,有效的对准信号是对准标记处发生散射和漫反射的光线,其它区域的反射散射光线都是干扰信号。当晶片上覆盖有光刻胶时,对准标记及其周围区域上的光刻胶膜厚是不完全相同的,如果非有效对准区域的光刻胶膜厚刚好能使得对准光线发生相消干涉时,它产生的干扰信号就会很小。

这个方法对于那些表面较为粗糙、反射、散射光的能力较强的工艺层来说是十分有效的,比如POLY层、Al层,但是不同的工艺线在溅镀铝和淀积多晶硅层的工艺条件不会是完全相同的,所以此类方法对光刻套准的改善也是有所差别的。

4.3 选择合适对准方式
有公司开发出两种新型对准传感器,一种是场像对准传感器;另一种是激光干涉对准(LIA)传感器。如果片子表面不粗糙,且对准标记不存在不对称性,那么LSA对准可以提供具有良好对准的高效生产率;如果工艺上形成的对准标记对称性较差,可以采用目前开发出来的FIA对准模式;如果对准标记的台阶不够高,那么可以采用LIA对准方式。

5 隔离工艺对光刻套准的影响

为了获得更可靠的晶体管特性,隔离技术也在不断改进。这些隔离工艺在不同程度上影响着场内套准,采用的隔离方式不同,对场内套准的影响也不会完全相同。下面以局部氧化工艺及其改进工艺为例说明隔离技术对光刻套准产生影响的原因。

在局部氧化的工艺过程中,要使用到氮化硅(Si3N4),氮化硅具有不易被氧所渗透的特点,有了氮化硅的屏蔽,在进行场氧化层制作时,就可以防止晶片表面的有源区域遭受氧化。在这个过程中,通常使用LPCVD制作氮化硅层,以SiH2Cl 2为主反应物,来进行Si3N4 的沉积。把SiH2Cl2和NH3 在适当的温度和低压下混合,经由式(1)的化学反应,就可以在晶片上获得一层理想配比的Si 3N4。通常所需的温度约在700~800℃,压力约在数百 mTorr之间。


Si3N4膜有一项很独特的特性,即高达10 8Pa的沉积后拉伸应力,尤其是LPCVD法所沉积的Si 3N4在局部氧化的过程中,Si3 N4的下层就是SiO2,并且在以后还要淀积POLY。SiO2 和POLY材料特性见表1。

从表1可以看出,SiO2 、POLY与Si3N4的物理性质,诸如热膨胀系数、硬度、在高温下的软化程度等是不同的。在隔离技术中,硅片要经历氧化、淀积、刻蚀等多道工序,这些连续的加工会在晶片上引起应力[2],隔离层氮化物刻蚀和场氧化工艺之后,急剧增大了晶片的拉伸应力,在完成氮化物剥离工艺后,这种拉伸应力即会变小,但在多晶硅栅淀积时仍残留有一些拉伸应力,应力的变化情况见。在栅层曝光过程,应力的突发波动性和残留的晶片应力影响着场内套准误差。

另外,采用的隔离模式不同,则对套准的影响程度也不同,和显示了采用三种不同隔离模式时的X、Y方向的对偏情况。该实验在


珠海南科150mm生产线上进行,光刻机采用NIKON NSR-1755i7型号机,隔离模式的制作过程严格按照生产标准进行,实验中制作了LOCOS、SWAMI、 STI[1]三种隔离模式,对AC层和POLY层的光刻对准数据进行比较。结果显示,LOCOS对光刻套准的影响远大于STI和SWAMI。这些影响的产生是由于隔离工艺进行过程中,使得曝光场发生畸变和膨胀引起的。

对于400~1000nm范围的LOCOS氧化厚度,曝光场放大率为(3.8~4.2)×10-6。在这一厚度范围,放大率与氧化厚度成正比[4]。在边长为20mm的曝光场,放大值(4×10-6)等于0.08μm。曝光场四角处的套准等于0.04μm。对于0.25μm的设计尺寸,0.04μm的套准误差是不可忽略的。为改进由于LOCOS氧化工艺导致场放大的套准,研究隔离层缩小投影倍率表明,投影们率缩小3×10-6(也即采用了参数补偿的方法),套准提高0.065μm,如同3σ值一样,套准提高到未缩小投影倍率时的0.5倍,所以可以采用缩小光刻投影倍率的方式提高对准。
6 结束语

影响光刻对准效果的因素有很多,有工艺因素,也有非工艺因素。非工艺因素大都与光刻设备有密切关系,而本文主要研究了工艺因素方面的影响。随着光刻设备机械和光学系统质量的提高,再加上IC制造工艺复杂程度的增强,工艺因素对光刻对准效果的影响逐渐占了主导地位,成为现在和将来都必须面对和解决的严峻问题。


  
关键词:IC

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