CN1804724A

CN1804724A - 芯片光刻制程中油浸式曝光方法

Info

Publication number: CN1804724A
Application number: CN 200510002157
Authority: CN
Inventors: 朱晓
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2006-07-19
Also published as: WO2006074579A1

Abstract

本发明涉及芯片的光学刻制加工方法，尤其是指芯片光刻制程中油浸式曝光方法。其特征在于包括下述的步骤：(1)首先在光刻机的光罩透镜***中置入曝光介质；(2)在曝光反应室内，在“对准和曝光”工序之前芯片加涂曝光介质；(3)平展芯片表面上的曝光介质，使其均匀一致且不得出现气泡；(4)将光罩移至芯片之上，微调下降透镜***，使透镜镜片触及芯片上的曝光介质。所说的曝光介质是植物油并优选一种香柏油。采用本发明以油为介质的油浸式曝光方法，不仅可以刻制出比曝光波长还小的图形，而且避免了昂贵的费用投资。本发明实为一种有益的改进。

Description

芯片光刻制程中油浸式曝光方法

技术领域

本发明涉及芯片的光学刻制加工方法，尤其是指芯片光刻制程中的曝光方法。

背景技术

芯片属于高科技中的微电子技术领域，主要用于计算机、通讯、军工以及航天及制造业等，并随着社会的发展也已广泛进入与人们日常生活紧密相连的各个领域。而且随着芯片技术的广泛应用更加促进了其自身的飞速发展，一方面是芯片的性能和使用功能日益扩大，而芯片的外观特征尺寸则越来越小，以至于使芯片逐步进入微小或超微状态。无论芯片的特征尺寸如何微小，必须首要保证印制在芯片上电路图形的精确度和足够的分辨率。为此，芯片的光刻制造加工则是其中的关键技术。例如，集成电路的更新换代有赖于光刻技术的发展，对每一代集成电路技术都要研发新一代特定的光刻技术。长期以来采用的光刻方法——以空气为光束传播介质的方法——将随着特征尺寸减小到100纳米以下而遭遇瓶颈。一般认为，利用光学光刻方法印制微细图形已接近极限。目前光学光刻方法已从接触接近式、反射投影式、步进投影式发展到扫描投影式。其他可能取代光学光刻方法的新技术正在开发，比如：电子投影光刻技术(EPL)、离子投影光刻技术(IPL)、X-射线光刻技术、电子束直写光刻技术(EBDW)以及超紫外光刻技术(EUV)。在传统的芯片光刻方法中，芯片在完成设计之后，即进入芯片加工制造阶段。其工艺简述如下：(1)制作光罩，一般利用电子束将芯片的表现外观层次(Layout)设计复印到光罩上，包括光刻母版及掩膜版的制造；(2)准备晶片，晶片是芯片制造的基本原料；(3)氧化，利用特殊气体，使芯片晶体在特定温度下发生化学反应，分别产生氧化层、氮化硅层与多晶硅层；(4)显影，在上一步的各层涂上光阻液，然后利用光罩对各层进行曝光，形成保护层，即要保留的区域；(5)蚀刻，利用化学物质(强酸、强碱)对未曝光的非保护区域进行蚀刻，从而产生出所需要的结构外观；(6)离子植入，植入离子使特定区域离子化；(7)金属溅镀，使晶片表面盖上一层金属材料，再利用光阻液和下一层光罩来制作金属线路，以便晶体管的连接；(8)制作下一层，重复步骤(3)到(8)，逐层完成芯片的结构；(9)测试。

制造芯片完整的基础工艺，一般有五个光刻制程，每一个光刻制程都有曝光、蚀刻的程序，其间实际上涉及到使微印刷更加精细的关键是光束通过什么样的介质以及应用该介质的方法。

芯片制造中的印刻，是在半导体晶片表面的光敏感材料薄层(称为光刻胶、光阻液)，印上几何铸型，不同的掩膜版上的图形不止一次地印刻在晶层上，以形成元件图样；再经蚀刻获得各个不同区域，以便进行植入、扩散。光阻化合物对辐射具敏感性，分为正胶及负胶。晶圆上光刻胶后，经曝光处理，再由显影液将曝光区的正胶溶解、洗净、晾干，再经蚀刻去除曝光区的绝缘层，而未曝光区的光刻胶不受蚀刻，最后除去光刻胶。经此程序即可制成设计所需的绝缘层铸型影像。整个电路***的制程，通常须重复地在晶圆表面作多次前述的印刻与蚀刻程序。

芯片的特征图形尺寸、对准容忍度、晶圆表面情况和光刻层数，都会影响到特定光刻工艺的难易程度和每一步骤的工艺。在不同的芯片工厂，许多光刻工艺都被定制成特定的工艺条件，各种具体的工艺都是基本光刻10步法的变异或选项。光刻制程的10步法如下(以亮场掩膜版和负胶的工艺过程为例)：1，表面准备，清洁和干燥晶圆表面；2，涂光刻胶，在晶圆表面均匀涂抹一薄层光刻胶；3，软烘焙，加热，部分蒸发光刻胶溶剂；4，对准和曝光，掩膜版和图形在晶圆上的精确对准和光刻胶的曝光，负胶是聚合物；5，显影，非聚合光刻胶的去除；6，硬烘焙，对溶剂的继续蒸发；7，显影目检，检查表面的对准情况和缺陷情况；8，蚀刻，将晶圆顶层通过光刻胶的开口去除；9，光刻胶去除，将晶圆上的光刻胶层去除；10，最终目检。为保证光刻掩膜版上的图形投射到晶片表面上的分辨率的损失最小和图形尺寸最佳的精确度，如何控制分辨率的损失和图形尺寸，则是技术的关键。如能找到新的曝光方法以缩小芯片上的电路尺寸，必将会不断提高芯片性能。然而，目前尚未找到一种既负担得起高昂的研发费用而又能使微型电子电路缩到更微小的方法。

在生物显微观察的实验中，观察的光路介质的转换，为芯片制造领域拓展介质思路提供了新的思路。如，以空气为光传播介质的常规观察中，显微倍数是20～640倍；而以油为光传播介质的观察中——即采用油浸物镜——显微倍数可达500～1600倍。

发明专利内容

本发明的目的是，提供一种能显著提高芯片集成度的光刻制程中油浸式曝光方法。为实现本方法，采用下述的技术方案：一种芯片光刻加工中改进的曝光方法，(1)首先在光刻机的光罩透镜***中置入曝光介质；(2)在曝光反应室内，在“对准和曝光”工序之前芯片加涂曝光介质；(3)平展芯片表面上的曝光介质，使其均匀一致且不得出现气泡；(4)将光罩移至芯片之上，微调下降透镜***，使透镜镜片触及芯片上的曝光介质；曝光介质是一种油脂，油脂是植物油，油脂是合成油；植物油优选香柏油；香柏油的平展厚度为1～2mm，优选香柏油的平展厚度为1.5mm。

如前所述，光刻制程中的“曝光”是提高芯片集成度的关键步骤，从光刻曝光投影的原理已知，光刻工艺中“对准和曝光”的光束介质的折射率n，部分地决定了光罩及其透镜的各种性能，如缩微的分辨率、焦点深度、光束的精确度等。提高光束介质的折射率n，就可以提高光罩及其透镜的性能和曝光的效果，提高缩微的倍数和精确度。晶片上的最小尺寸，或者说透镜的最小分辨距离，是由投影光学***的物理属性所限定的。根据光学上的瑞雷判据，有关系式：

σ＝κλ/N.A.＝0.61λ/(n·sin θ)

式中：σ为最小图形尺寸，κ为瑞雷常数，λ为曝光光源的波长，n为晶片所在介质(即，光束传播的介质)的折射率，θ为缩像透镜半径对晶圆的张角，n·sin θ即透镜的数值孔径(numberical aperture，缩写为N.A.)。数值孔径n·sinθ越大，则σ越小，透镜的分辨力就越高。已知，折射率n＝1的空气的洁净成本巨大，且其缩微极限将至；折射率n＝1的真空在曝光反应室中的产生和释放不仅投资极高且效率低；而折射率n＝1.33的水，因为对水溶性光阻液的影响等理化因素，其作为光束介质的应用前途未卜；折射率高的固体因接触晶圆造成的损伤而不适用。惟有折射率接近玻璃和光刻胶的油脂可能是选择的对象，例如，天然植物油、天然动物油、矿物油和合成油。通过对生物显微观察的实验与光刻曝光方法的技术联系，甄选各种光传播的介质——特别是折射率接近玻璃、化学特性不活跃、物理特性稳定、成分单一的天然植物油，提出采用折射率比空气和水都高、既接近光刻胶(折射率n＝1.45)又接近玻璃(折射率n＝1.40～2.00)的香柏油(cedar oil，又称杉木油)，作为光刻技术中曝光介质。香柏油为黄色液体，密度约0.92，折射率n＝1.515～1.52，油脂和脂肪酸的凝固点低，是光刻技术中光束介质的最佳选择。为此，如果将透镜浸在油里，其0.61/(n·sinθ)的值可以小到0.5，即可以分辨的最小图形尺寸约为曝光波长的一半。在透镜***中注满介质油，掩膜板浸泡在介质油中，光束从聚光透镜***射出后，经过介质油，透过掩膜板的玻璃，再经过介质油，再透过缩像透镜***，然后经过介质油，最终到达光刻胶；从聚光透镜到光刻胶的这段光路的折射率基本保持一致，这样也能保证光束的精确度和缩微的分辨率。采用本发明以油为介质的曝光方法，可以制造出比曝光波长还小的图形。如果再从缩像透镜半径对晶圆的张角θ上做改进，运用本发明的方法，理论上的最小图形尺寸还可以进一步缩小。如果在193纳米的波长上应用本发明，芯片的研发和生产就可以进入60纳米线宽世代。光刻设备透镜***(包括聚光透镜***、缩像透镜***，以及新更换的油浸透镜)的具体缩微倍数的前后差别，可依生物显微观察的实验结果提供一个参照，若其他条件不变，转换油浸物镜(光学倍数100X)且以油为曝光介质，可以使显微倍数在空气为介质的观察(物镜光学倍数4～40X)基础上，提高2.5～25倍。

附图说明

图1为本发明一种实施例的曝光***示意图；

图2为本发明另一种实施例的曝光***示意图。

具体实施方式

结合附图就实施例作进一步具体说明。在对芯片1实施曝光工序之前，按下述的步骤进行：(1)首先在光刻机的光罩透镜***2中置入香柏油30；(2)在曝光反应室内，在“对准和曝光”工序之前于芯片1加涂香柏油31；(3)平展芯片1表面上的香柏油31使香柏油厚度均为1.5mm(还可以分别是1mm、2mm)不得出现气泡；(4)将光罩2移至芯片1之上，微调下降透镜***，使缩像透镜镜片20触及芯片1上的香柏油31，形成光束传播的光路后，即可按原工艺要求进行“对准和曝光”以及以后的清洗、显影和蚀刻等工序。

图2所示的实施例中，光罩透镜***2不置入香柏油，只在芯片1上加涂香柏油31(香柏油的厚度可以分别为1mm及2mm)，使透镜***的缩像透镜20触及香柏油31，这样光束从缩像透镜***射出，经过介质油31，到达芯片1并以序实施曝光。图中所示的“S”为光源、“H”为介质油的厚度、21为掩膜板(白色区域为玻璃底板、黑色区域为镀铬层)、10为晶圆、11为氧化层、12为光刻胶。

Claims

1、一种芯片光刻制程中油浸式曝光方法，其特征在于包括下述的步骤：(1)首先在光刻机的光罩透镜***中置入曝光介质；(2)在曝光反应室内，在“对准和曝光”工序之前芯片加涂曝光介质；(3)平展芯片表面上的曝光介质，使其均匀一致且不得出现气泡；(4)将光罩移至芯片之上，微调下降透镜***，使透镜镜片触及芯片上的曝光介质。

2、按权利要求1所述芯片光刻制程中油浸式曝光方法，其特征在于曝光介质是一种油脂。

3、按权利要求2所述芯片光刻制程中油浸式曝光方法，其特征在于油脂是植物油。

4、按权利要求2所述芯片光刻制程中油浸式曝光方法，其特征在于油脂是合成油。

5、按权利要求2或3所述芯片光刻制程中油浸式曝光方法，其特征在于植物油优选香柏油。

6、按权利要求5所述芯片光刻制程中油浸式曝光方法，其特征在于香柏油的平展厚度为1～2mm。

7、按权利要求6所述芯片光刻制程中油浸式曝光方法，其特征在于优选香柏油的平展厚度为1.5mm。