一文详解精密图形光刻工艺

精密图形光刻是半导体器件微细加工工艺的关键技术。通过光刻把计算机辅助设计和制作的集成电路掩模版图形，印制到基片的感光胶膜上，从而为某一特定微细加工工艺（如刻蚀、离子注入等）选择和界定区域。光刻是一种二维横向精密图形形成技术，集成电路的不同区域（如有源区和隔离区、晶体管的不同区域等）和器件的关键横向尺寸（如晶体管的沟道长度和宽度等）都主要由光刻工艺决定。随着集成电路集成规模越来越大，结构层次愈益复杂，其制造过程所要求的光刻次数越来越多，精度要求不断提高。器件微小型化和集成密度增长首先依赖光刻精度的相应提高。

图4.8图形光刻技术的简要示意图。通过计算机辅助设计（CAD）技术［见图 4.8（a）］，优化集成电路的器件布局和互连布线，并把集成电路的各个区域、器件和互连线分解为各个工艺层次，形成一组相互关联的多层次光刻掩模图形。如图4.8（b）所示，应用高精度电子束图形发生器对涂敷有感光胶膜的光刻掩模基版曝光成像，把计算机设计的图形转换成一套光刻掩模版图形。在集成电路制造过程中，这些掩模版将用于硅片不同层次光刻。图4.8（c）代表光学投影分步重复光刻机，它应用一定波长的紫外光源，通过投影光学系统和精密光学电子机械系统，完成硅片图形对准、曝光、成像，依次把掩模版图形转移到硅片的光刻胶膜上，以便随后进行硅片各个层次的微细精密加工，如刻蚀、离子注入掺杂、互连布线等。

在集成电路制造过程中，光刻是一种横向平面微细加工工艺，决定器件在平面上的分布，而氧化、离子注入、扩散等是纵向微细加工工艺，决定器件的层次和结构，两者前后密切结合，界定和形成集成电路的不同器件区域、层次与结构。图4.9光刻工艺与其他工艺密切结合的典型例子，说明离子注入工艺如何与光刻工艺相衔接。假设硅片表面有一薄层SiO2在，并涂敷一定厚度的正性光刻胶，经过硅片曝光［见图4.9（a）］，光束照射区域的胶膜会在显影时被溶解去除［见图 4.9（b）］，这样的硅片进行离子注入时，只有光刻胶已去除的区域，离子才能注入硅衬底［见图4.9（c）］，从而实现选择性区域掺杂。

精密图形光刻工艺要求光刻成像系统具有高分辨率、高精度图形对准及线条尺寸控制，其中最重要的是成像分辨率。随着器件尺寸微小型化，要求曝光成像分辨率越来越高。自20世纪80年代初以来，普遍应

用的分步重复光刻机是现代科技中最精密的光学仪器之一。光学仪器的分辨率受限于光波的衍射及干涉效应。光刻机的分辨率取决于3个因素：其所用光源波长；聚光与投影光学成像系统；光刻掩模版、光刻胶及相关光刻工艺。

应用短波长曝光光源

光波越短，由光衍射效应所决定的分辨率越高，可以清晰成像的线条越细。因此，根据单元器件尺寸愈益缩微的加工要求，采用越来越短波长光源，研制和应用一代又一代分辦率更高的光刻机。早期光刻应用的光源为有丰富紫外光谱辐射的高压汞灯，其发光谱中的436 nm（G线）、365 nm（1 线）等波长光源，先后被用于微米和亚微米线条器件制造光刻技术。先进I线光源分步重复光刻机，还延伸用于部分小于0.5pm 的深亚微米集成芯片制造。更细线条器件的光刻技术则需要应用小于 300 nm 波长的深紫外（DUV）光源，高压汞灯为准分子激光光源所取代。KrF 准分子激光是第一代深紫外光源，其发光波长力248 nm，广泛用于 0.25/0.18wm 光刻技术。波长193 nm 的ArF 准分子激光光源分步重复光刻机，正在用于纳米CMOS集成电路的生产和研制。为了满足未来更微小器件尺寸加工技术需求，研究机构多年大力研发的极紫外（EUV）光刻技术，已开始用于亚7 nm 技术代CMOS 芯片研制，其光源波长短至 13.5 nm。

增大光学系统数值孔径

一代又一代的光刻技术不仅需要越来越短的波长光源，也更需要越来越精密的光学成像系统。增大成像透镜系统的数值孔径，是提高线条分辨率的另一必要途径。在深紫外光刻技术发展中，光学透镜成像系统不断改进和创新，使数值孔径逐步增大，从0.3左右增大到0.9以上。在更短波长光源以及其相应光学棱镜系统都遇到许多难题情况下，为了延伸193 nm 波长至45 nm 及更小线条光学光刻，一些设备和芯片制造公司又合作研制了液浸式光刻（immersion lithography）系统，使投影光束在纯水或其他液体传播，由于液体折射率大，可获得数值孔径大于1的光学系统。这种液浸光刻技术可更确切地称为液媒光刻，它已得到应用，并进一步发展以适应更小尺寸器件研制。

应用相移掩模等波前技术增强光刻分辨率

光波衍射和干涉效应是限制分辨率的因素，但也可以根据其原理，通过某些技术调节提高分辨率。相移掩模技术就是一个很好的范例。普通光刻掩模版是由透光和不透光两种状态区域构成，相移掩模版则有3种状态区域，所增加的一种是光波位相变化180°的另一透光区。在相邻两个位相相反的透光区边缘，衍射光波由于干涉效应而相互抵消，从而可显著提高小尺寸线条的分辨率。依据光传播规律，在掩模版图设计及光源照明等方面，还应用其他分辨率增强技术。

光刻胶及其相关工艺，也是影响光刻分辨率及其他特性的重要因素。一代又一代的短波长光刻技术，需要一代又一代的新型光刻胶材料，显影等工艺也需要相应变化。光刻胶材料及其工艺研发，始终是保证光刻技术持续进步的基本条件之一。

自20世纪70年代以来，在光刻技术发展中，电子束、X射线、离子束等非光学曝光技术，一直被认为是更小尺寸精密光刻的候选替代技术，并且为此开展了大量相关技术研究工作。虽然从原理上它们都具有高分辨率，但由于效率低、成本高、技术不成熟等原因，至今未能发展成为生产技术，只在研究领域得到应用。随着器件技术向纳米领域发展，电子束光刻等技术继续受到重视，正在研究某些新型技术，如投影式电子束曝光、无掩模版电子東光刻技术等。近年还在研究纳米模版压印技术、自组装图形技术等，试图用于开发硅片精密图形光刻的新途径。