KrF光刻工艺技术

随着IC技术向深亚微米方向发展,光学光刻的发展也进入了一个崭新的阶段。近几年248nm和 193nm技术的发展带动了IC产业进一步的辉煌，半导体制造工艺迎来了90nm的时代。下一个研究开发的焦点将转移到65nm工艺，目前最引人注意的是利用193nm ArF作为光源的浸没式光刻技术。 248nm KrF光刻技术已广泛应用于0.13μm工艺的生产中，主要应用于150，200和300mm的硅晶圆生产中。在实际的工艺中，剥离工艺和腐蚀工艺都是形成光刻图形的手段，两种工艺在工艺设计中存在一定的差异。剥离工艺与常规的干法刻蚀工艺的主要区别是剥离工艺用的是物理方法，而腐蚀工艺用的是化学方法，所以两者对工艺要求的不同点是光刻图形的形貌。在248nm KrF光刻和i-Line光刻工艺中，光刻胶在化学性能方面有着比较大的不同，同时两种光刻机所使用的光源完全不同，利用 248nm KrF光刻技术实现一些在半导体制造中的特殊工艺，特别是在目前发展比较迅速的化合物半导体的生产中有着非常重要的意义。

1、工艺原理和工艺中的问题

1.1 剥离工艺

剥离工艺是一些特殊工艺中形成图形的比较简单的物理方法，优点是可以使用多种材料组合，允许多层金属蒸发，允许腐蚀较困难的多层金属布线，避免了因干法和湿法腐蚀带来钻蚀(undercut) 和腐蚀问题。剥离工艺注重的是光刻胶所形成的形貌，它是剥离工艺的关键（如图1）。光刻胶经过特殊处理后形成适合剥离的光刻胶的形貌图。倒梯形的光刻胶形貌是剥离工艺中必须满足的条件。蒸发后的条宽与光刻胶的剖面同样关系密切，进入亚微米以后，由于蒸发过程中衍射和自掩蔽效应、蒸发过程中的入射角度问题，给剥离工艺带来较大的困难，所以248nm KrF光刻工艺中的工艺优化显得尤为重要。248nm KrF光刻工艺比i-Line具有分辨率高、能够光刻出更细的线条来满足工艺的要求等优点。对于常规的腐蚀工艺，248nm KrF光刻能够制作出0.15μm的线条，但对于剥离工艺的要求，只能达到0.25μm的金属图形，因为两种工艺的要求和设计有非常大的区别，同时采用的工艺途径也有很大的区别，所以说，对于不同的工艺路线，在同种的光刻中要注意的问题就有不同的侧重。采用248nm KrF技术是为了提高光刻图形的分辨率，同时带来了光学临近效应，在版图设计时是必须考虑的问题。

1.2 成像原理

1.2.1 248nm光源的形成

248nm光源的形成是利用F2 和Kr气体电离后产生的激光，反应过程如下

e+F2 ——F+F

e+kr——2e+kr+

kr+ +F-+Ne——KrF +Ne

在亚微米的光刻技术中，对光学光刻存在一些条件的限制，如衍射、透镜的焦平面的限制、低对比度的光刻胶、干涉等[1]。对于相干光源时，当 Pitch <λ/NA 时，不能形成图象，当Pitch >λ/ NA才能形成图象，所以分辨率的极限值为 Pitch= λ/NA。对于不相干光源时，σ=r/R，根据 Rayleigh 判据，Pitch=λ/（1+σ）NA，对于等间距（dense lines）， Pitch=2CD，所以 CD= λ/2（1 ＋σ）NA。总的来讲，在亚微米光刻工艺中，分辨率与光源的波长、数值孔径、照明的模式、镜头的设计等有着密切的联系。目前常用的照明模式有：传统的照明、环形照明、双极照明、四极照明、类星体照明模式等，如图2。

从图3中可以看出：248nm KrF的光刻与i-line光刻有着很大的区别，特别是形成图形的光刻胶内部的化学变化，所以在248nm KrF的光刻工艺中，我们要注意的是：聚焦平面的位置，因为248nmKrF的聚焦深度比i-line光刻的小。图4，5[3]说明曝光能量的容差小，曝光后在一定的时间内必须进行PEB（post exposure bake）和显影，而且要求环境中的碱性气体含量小于1×10-8，防止碱性气体与H+中和形成T-Top图形。

1.2.2 与工艺相关几个因素在实际的工作中会遇到许多条件的变化，因此调整光刻机的硬件参数也是工艺优化中的主要工作。图6～11，是用方框图表示的几个主要参数的相关影响因素，在实际工作中，根据工艺要求做适当考虑的主要有分辨率、套刻精度、镜头参数、聚焦、线条宽度、光学临近效应等。

从方框图中可以看出影响工艺的因素有很多，但主要的是：曝光能量、胶的选择（高Ea 的ESCAP 和低Ea 的Acetal）、版图的设计（光学临近效应）、前烘和PEB的温度、曝光后的停留时间、工艺设计、工艺要求。

1.2.3 工艺中环境的影响影响厂房环境的主要化学药品有NMP，NH3 ， TMAH，HMDS，人员，墙壁的油漆等。虽然对 i-line光刻影响非常小，但对248nm KrF光刻工艺会产生不良的结果。下面在实际的工作中248nm KrF光刻工艺遇到的几个问题所产生的结果。图12是显影前停留时间对图形的影响，条件是前烘 135℃，60s；后烘135℃，60s；区别是上图有反射涂层，下图无反射涂层。图13是后烘温度和停留时间对图形的影响（前烘130℃，60s）。

这些工艺中常出现的问题，主要是曝光后的停留时间太长，因厂房中碱性气体比较难控制，空气中碱性气体与光刻胶中的H+发生中和，导致显影后出现的控制线宽变化较大，甚至连条现象。248nm KrF光刻与环境和光刻胶的选择有比较大的关系，它对剥离和腐蚀工艺中控制线宽有相当大的影响。同时它对前烘、PEB的温度和时间也有很大的关系，在实际的工艺中，要根据不同的胶选择不同的工艺条件。