光刻工艺的质量控制

光刻工艺的质量控制

1光刻工艺的技术基础光刻技术是制作半主导工艺和电路微电路结构的一项重要技术。它的工艺质量直接影响到设备的成本率、可靠性、设备性能、使用寿命等参数指标的稳定和改善。而造成影响这些性能参数的最直接的、最重要的原因之一,就是在整个光刻工艺中引入的各种缺陷。随着微电子加工工艺技术的不断发展,工艺设备的更新和工艺环境的改善,已经使现有的光刻工艺体系有了质的飞跃。但由于其工艺过程和内容的特殊性,同时器件的掩模版图形越来越复杂,图形面积越做越大,线条要求越来越细,器件性能和精度要求越来越高,就目前的工艺条件来说,整个光刻工艺流程并不能摆脱或完全摆脱人工的参与,同时还有工艺设备的稳定性、工艺原材料的影响等因素依然存在,因此,避免和消除工艺过程中造成的各种缺陷,进一步提高器件成品率和可靠性等性能参数,仍然是光刻工艺质量控制的工作重点。2光刻工艺过程中可能会产生一些缺陷在半导体器件特别是超大规模集成器件从单晶片衬底材料经过多次氧化、淀积、光刻等各项工艺到最后的中测、封装、末测的整个制作过程中,都有可能产生各种缺陷,尤其是重复次数最多的光刻工艺,它几乎贯穿至封装前的整个器件工艺制作过程。经有关的工艺分析资料表明,光刻引入的工艺缺陷几乎占整个工艺流程总缺陷的50%。除了掩模版质量引起的缺陷外,大部分是在进行光刻工艺的操作过程中由于人流(人员的行为)、物流(操作介质)、气流(净化环境)等因素引起随机分布的点缺陷。有关研究表明芯片成品率随着缺陷密度的增加和芯片面积的增大而呈指数式下降。在硅片上制作器件或电路的工艺过程中,为了进行选择性的区域、局部性掺杂或进行各种线条的互连,需要进行多次反复的光刻,每一次光刻的工艺条件或许都不一样,同时工艺过程中还基本上都需要人员大量的参与操作,每一次均会引入一些缺陷而降低成品率。根据有关与实际光刻工艺过程对照验证的测试结果显示,实际最终的成品率与缺陷的关系比上述的指数函数变化要缓慢些。就其原因我们认为可能是其他后面的多次有关工艺(如:氧化),使前面的微量缺陷(如:氧化层中或以氧化层为衬底的介质层中的微小针孔)得以填补修复的结果。每一次光刻需要经过涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀、去胶等多次步骤,循环周期长。工艺过程中由于人流、物流、环境气流以及原材料的质量、工艺设备的不稳定或者是卫生、清洗步骤的不彻底等等因素,都非常容易引入各种缺陷,其每一步骤都对质量有着直接的影响。经常出现的缺陷种类,概括起来主要有以下几类:(1)掩模胶中存在的颗粒和空气中的灰尘引入的点缺陷;(2)光刻工艺过程中的机械损(划)伤;(3)掩模胶中的针孔缺陷;(4)掩模版质量引起的缺陷。3缺陷产生的原因3.1涂胶前硅片表面处理不规范,存在“回喷”的问题光刻掩模胶通常由感光剂(光致抗蚀剂)、溶剂和增感剂组成。感光剂是一种对光非常敏感的高分子化合物,当光刻胶受到适当的波长的光线照射后,它就能吸收一定波长的光能量,并发生交联、聚合或分解等化学反应,使光刻胶性质发生变化。根据其性质分为正性光刻胶(正胶)和负性光刻胶(负胶)。在光刻工艺过程中,对涂胶的质量要求首先是膜厚必须符合每次光刻内容的要求,厚度均匀,胶面不应看到干涉花斑,正胶厚度误差小于1.5%,负胶厚度误差小于3%;其次胶膜内不能含有回溅胶点(斑)、针孔等点缺陷;第三、胶膜表面不能有各种尘埃颗粒。涂胶前硅片表面清洁处理不良,表面沾有污物、微细灰尘颗粒,使得胶层里或胶层面上有灰尘的地方对曝光和腐蚀都产生了妨碍作用,同时也降低了胶膜与硅片的粘附能力,容易形成如小岛或针孔似的点状缺陷;对掩模胶里的不溶颗粒,其产生的后果与灰尘一样;另外,曝光时间的选择不合理(较短,使显影困难),曝光之后的显影,如果前烘的温度变化大且温区不均匀,容易使胶膜产生“热斑”造成曝光、显影不彻底而出现小岛之类的缺陷或者使胶膜的抗蚀性变差;冲洗不彻底(还会使图形边缘出现锯齿缺陷)、工作人员的净化服处理不干净、工作环境净化条件差等,也会引入点缺陷。而涂胶时采用何种胶盘形状才能最大程度地降低光刻胶在涂胶吸盘高速旋转时产生的“回溅”现象造成的点缺陷,应引起足够的重视。这类缺陷在硅片上的分布是随机的,其密度与灰尘和掩模胶中的不溶颗粒密度以及显影、冲洗的程度等因素有着直接的关系。值得注意的是:有关研究资料表明,抽烟的人比不抽烟的人产生的灰尘要高一个数量级还多。3.2设备机械研磨的应用涂在硅片表面上的掩模胶,经前烘或坚膜处理后,其机械强度也非常弱,工艺操作过程中的任何机械擦碰,如工艺中使用的洁净纸张、人员穿戴的净化服装(特别是衣袖)、夹片的镊子尖等物品的擦碰以及在硅片涂胶后前烘不足使胶膜缺乏基本的微机械强度,经不起任何的轻微触碰;曝光、显影冲洗、显微镜下观察、干法或湿法腐蚀等的装取片等过程中人员的粗心大意,设备机械传送部件的运行稳定性、可靠性变差等等,都会非常容易在硅片表面造成划伤缺陷;另外,对于接触式曝光方式,在对位的过程中,掩模版与涂有掩模胶的硅片表面接触摩擦力大小控制不当,也会造成划伤缺陷从而破坏器件内部结构。与前一种缺陷相比,这种缺陷(去胶前)表现出来的线状程度较大,经去胶后会发现线状的划痕,易引起器件的穿通、开路、失效报废等后果。3.3压封接剂的密度由于掩模胶由高分子材料组成,当我们将其由液态的胶涂在硅片上加工形成薄膜后,其平均厚度在1μm左右,胶膜中会经常产生针孔,在工艺过程中它会使掩模胶覆盖下的材料在不该腐蚀掉的地方留下针孔,影响器件整体结构的完整性,从而引起器件的漏电、短路、特性变坏等后果。它的分布通常也是随机的,其密度与掩模胶的品种、粘度、涂层厚度以及显影、冲洗时间和硅片表面状况有关。图1示出了针孔密度与胶膜厚度的关系曲线。胶膜越薄、粘度、显影冲洗时间越长或硅片表面沾污越严重,针孔密度就越大,掩模胶的抗蚀能力也越差。3.4转移图形,复制模式目前的光刻工艺基本上都是采用将掩模版经过曝光、显影、刻蚀把图形转移到需加工的硅片上(更高级的是采用离子束的光刻机,直接输入数据而不需要掩模版即可将图形转移到硅片上),与复印极为相似,如果掩模版上出现质量问题,使得需要透光的位置被缺陷(小岛)遮挡住,或不需要透光的位置出现针孔,或者是制作掩模版时,图形边缘处理不好而留有锯齿,从而掩模版上的针孔或小岛等缺陷也被同时复制到了硅片上。掩模版上的缺陷多数情况下是在掩模版的制作过程中形成的,可能是掩模版材料的选择不正确,也可能是掩模版制作工艺的问题,或者是在光刻工艺的架版(清洗)过程中不小心划伤造成的。4光刻工艺生产质量控制只有在我们弄清楚了光刻工艺中各种缺陷产生的机理和原因,才能有针对性的采取各种措施,在实际工作中避免和消除各种缺陷的出现,使器件的质量能够得到进一步的提高。对第一类光刻工艺缺陷的控制,首先应采用高效的净化技术,以减少光刻工艺过程中由于环境里的含尘空气所引入的点缺陷。根据我们目前的净化环境标准,基本上是采用以一立方米含有多少颗直径ϕ为0.5μm的灰尘数来计算的第一代净化级别标准,即一立方米内含有100颗直径ϕ为0.5μm的灰尘为100极,1000颗为1000极,以此类推。如果采用线条宽度为1μm的设计规则,直径ϕ为0.5μm的灰尘就已占到线条宽度的50%,对器件的成品率危害就更大,必须采用以灰尘颗粒直径ϕ为0.125μm的第二代超净环境净化标准,才能适应器件的研制生产。我们从空气中灰尘颗粒的情况可分析出,漂浮的灰尘颗粒密度是随着灰尘颗粒直径的缩小而迅速增加的,就是说灰尘颗粒的直径越小其密度越大。二是要大力提高、强化工作人员的职业素质和质量意识。半导体器件的生产工艺是一个要求人员的行为幅度必须特别加以限制在一定范围内的规范行业,大幅度的举手投足行为(如:手的摆幅夹角不能超过30°左右、人体活动部位摆动或行走不能过快、举手不能超过腰部等等)、工艺操作过程中动作过快、净化服净化处理不及时、部分使用的工艺材料质量不达标等等。同时应该注意:在出炉或经过增附处理的硅片应尽快进行涂胶,避免硅片留空时间过长,防止出现表面沾污及表面受潮。这些问题如不加以严格限制,光刻工艺中的点缺陷会成倍增加,对器件质量带来灾难性的后果。在提高工艺人员各项综合素质的同时,还要严格各种原材料的质量控制,从原材料的采购、样品检验到进入工艺线的整个过程都应严格控制;同时对工艺操作人员使用的各种工具、传片盒、各个操作界面、各种设备用于处理硅(芯)片的工作室或真空室等位置,每天应进行严格的工艺卫生清洗或维护。对光刻工艺中的第二类缺陷——机械损(划)伤缺陷的控制,应着重在提高操作人员的操作技能和质量意识,提高操作人员对其动作行为可能带来的各种机械微损伤缺陷的预见性;还应该广泛采用各类自动化控制设备来代替人工操作(如自动化曝光机、自动涂胶、显影机等),以减少人为造成的机械损(划)伤缺陷。而自动化设备所造成的机械损(划)伤缺陷,通常是可重复的和有规律的,一般可通过改变设备的技术条件和状态来避免和消除。对光刻工艺中第三类缺陷——掩模胶中出现的针孔缺陷的控制,除按照控制前两类缺陷产生的方法外,还应根据器件制作工艺的要求,合理选择掩模胶的品种、粘度,在保证器件工艺设计要求的前提下,尽量增加掩模胶的涂层厚度,保证掩模胶必须在其有效期内使用,同时要严格保证工艺环境的温度、湿度符合要求;硅片表面状况必须干净无污染,保证掩模胶与硅片表面有非常良好的粘附力;还要严格控制好显影、冲洗时间,显影时间过长,不仅会使浮胶的可能性增加,还会使掩模胶厚度变薄而出现针孔。为提高掩模胶与基片的粘附性,在涂胶前可使用增附剂对基片进行增附处理,但使用正性掩模胶时,为防止增附剂的残余蒸汽接触掩模胶,