專利名稱：芯片光刻制程中油浸式曝光方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及芯片的光學(xué)刻制加工方法，尤其是指芯片光刻制程中的曝光方法。
背景技術(shù)：
芯片屬于高科技中的微電子技術(shù)領(lǐng)域，主要用于計(jì)算機(jī)、通訊、軍工以及航天及制造業(yè)等，并隨著社會的發(fā)展也已廣泛進(jìn)入與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相連的各個(gè)領(lǐng)域。而且隨著芯片技術(shù)的廣泛應(yīng)用更加促進(jìn)了其自身的飛速發(fā)展，一方面是芯片的性能和使用功能日益擴(kuò)大，而芯片的外觀特征尺寸則越來越小，以至于使芯片逐步進(jìn)入微小或超微狀態(tài)。無論芯片的特征尺寸如何微小，必須首要保證印制在芯片上電路圖形的精確度和足夠的分辨率。為此，芯片的光刻制造加工則是其中的關(guān)鍵技術(shù)。例如，集成電路的更新?lián)Q代有賴于光刻技術(shù)的發(fā)展，對每一代集成電路技術(shù)都要研發(fā)新一代特定的光刻技術(shù)。長期以來采用的光刻方法——以空氣為光束傳播介質(zhì)的方法——將隨著特征尺寸減小到100納米以下而遭遇瓶頸。一般認(rèn)為，利用光學(xué)光刻方法印制微細(xì)圖形已接近極限。目前光學(xué)光刻方法已從接觸接近式、反射投影式、步進(jìn)投影式發(fā)展到掃描投影式。其他可能取代光學(xué)光刻方法的新技術(shù)正在開發(fā)，比如電子投影光刻技術(shù)(EPL)、離子投影光刻技術(shù)(IPL)、X-射線光刻技術(shù)、電子束直寫光刻技術(shù)(EBDW)以及超紫外光刻技術(shù)(EUV)。在傳統(tǒng)的芯片光刻方法中，芯片在完成設(shè)計(jì)之后，即進(jìn)入芯片加工制造階段。其工藝簡述如下(1)制作光罩，一般利用電子束將芯片的表現(xiàn)外觀層次(Layout)設(shè)計(jì)復(fù)印到光罩上，包括光刻母版及掩膜版的制造；(2)準(zhǔn)備晶片，晶片是芯片制造的基本原料；(3)氧化，利用特殊氣體，使芯片晶體在特定溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分別產(chǎn)生氧化層、氮化硅層與多晶硅層；(4)顯影，在上一步的各層涂上光阻液，然后利用光罩對各層進(jìn)行曝光，形成保護(hù)層，即要保留的區(qū)域；(5)蝕刻，利用化學(xué)物質(zhì)(強(qiáng)酸、強(qiáng)堿)對未曝光的非保護(hù)區(qū)域進(jìn)行蝕刻，從而產(chǎn)生出所需要的結(jié)構(gòu)外觀；(6)離子植入，植入離子使特定區(qū)域離子化；(7)金屬濺鍍，使晶片表面蓋上一層金屬材料，再利用光阻液和下一層光罩來制作金屬線路，以便晶體管的連接；(8)制作下一層，重復(fù)步驟(3)到(8)，逐層完成芯片的結(jié)構(gòu)；(9)測試。
制造芯片完整的基礎(chǔ)工藝，一般有五個(gè)光刻制程，每一個(gè)光刻制程都有曝光、蝕刻的程序，其間實(shí)際上涉及到使微印刷更加精細(xì)的關(guān)鍵是光束通過什么樣的介質(zhì)以及應(yīng)用該介質(zhì)的方法。
芯片制造中的印刻，是在半導(dǎo)體晶片表面的光敏感材料薄層(稱為光刻膠、光阻液)，印上幾何鑄型，不同的掩膜版上的圖形不止一次地印刻在晶層上，以形成元件圖樣；再經(jīng)蝕刻獲得各個(gè)不同區(qū)域，以便進(jìn)行植入、擴(kuò)散。光阻化合物對輻射具敏感性，分為正膠及負(fù)膠。晶圓上光刻膠后，經(jīng)曝光處理，再由顯影液將曝光區(qū)的正膠溶解、洗凈、晾干，再經(jīng)蝕刻去除曝光區(qū)的絕緣層，而未曝光區(qū)的光刻膠不受蝕刻，最后除去光刻膠。經(jīng)此程序即可制成設(shè)計(jì)所需的絕緣層鑄型影像。整個(gè)電路系統(tǒng)的制程，通常須重復(fù)地在晶圓表面作多次前述的印刻與蝕刻程序。
芯片的特征圖形尺寸、對準(zhǔn)容忍度、晶圓表面情況和光刻層數(shù)，都會影響到特定光刻工藝的難易程度和每一步驟的工藝。在不同的芯片工廠，許多光刻工藝都被定制成特定的工藝條件，各種具體的工藝都是基本光刻10步法的變異或選項(xiàng)。光刻制程的10步法如下(以亮場掩膜版和負(fù)膠的工藝過程為例)1，表面準(zhǔn)備，清潔和干燥晶圓表面；2，涂光刻膠，在晶圓表面均勻涂抹一薄層光刻膠；3，軟烘焙，加熱，部分蒸發(fā)光刻膠溶劑；4，對準(zhǔn)和曝光，掩膜版和圖形在晶圓上的精確對準(zhǔn)和光刻膠的曝光，負(fù)膠是聚合物；5，顯影，非聚合光刻膠的去除；6，硬烘焙，對溶劑的繼續(xù)蒸發(fā)；7，顯影目檢，檢查表面的對準(zhǔn)情況和缺陷情況；8，蝕刻，將晶圓頂層通過光刻膠的開口去除；9，光刻膠去除，將晶圓上的光刻膠層去除；10，最終目檢。為保證光刻掩膜版上的圖形投射到晶片表面上的分辨率的損失最小和圖形尺寸最佳的精確度，如何控制分辨率的損失和圖形尺寸，則是技術(shù)的關(guān)鍵。如能找到新的曝光方法以縮小芯片上的電路尺寸，必將會不斷提高芯片性能。然而，目前尚未找到一種既負(fù)擔(dān)得起高昂的研發(fā)費(fèi)用而又能使微型電子電路縮到更微小的方法。
在生物顯微觀察的實(shí)驗(yàn)中，觀察的光路介質(zhì)的轉(zhuǎn)換，為芯片制造領(lǐng)域拓展介質(zhì)思路提供了新的思路。如，以空氣為光傳播介質(zhì)的常規(guī)觀察中，顯微倍數(shù)是20～640倍；而以油為光傳播介質(zhì)的觀察中——即采用油浸物鏡——顯微倍數(shù)可達(dá)500～1600倍。
發(fā)明專利內(nèi)容本發(fā)明的目的是，提供一種能顯著提高芯片集成度的光刻制程中油浸式曝光方法。為實(shí)現(xiàn)本方法，采用下述的技術(shù)方案一種芯片光刻加工中改進(jìn)的曝光方法，(1)首先在光刻機(jī)的光罩透鏡系統(tǒng)中置入曝光介質(zhì)；(2)在曝光反應(yīng)室內(nèi)，在“對準(zhǔn)和曝光”工序之前芯片加涂曝光介質(zhì)；(3)平展芯片表面上的曝光介質(zhì)，使其均勻一致且不得出現(xiàn)氣泡；(4)將光罩移至芯片之上，微調(diào)下降透鏡系統(tǒng)，使透鏡鏡片觸及芯片上的曝光介質(zhì)；曝光介質(zhì)是一種油脂，油脂是植物油，油脂是合成油；植物油優(yōu)選香柏油；香柏油的平展厚度為1～2mm，優(yōu)選香柏油的平展厚度為1.5mm。
如前所述，光刻制程中的“曝光”是提高芯片集成度的關(guān)鍵步驟，從光刻曝光投影的原理已知，光刻工藝中“對準(zhǔn)和曝光”的光束介質(zhì)的折射率n，部分地決定了光罩及其透鏡的各種性能，如縮微的分辨率、焦點(diǎn)深度、光束的精確度等。提高光束介質(zhì)的折射率n，就可以提高光罩及其透鏡的性能和曝光的效果，提高縮微的倍數(shù)和精確度。晶片上的最小尺寸，或者說透鏡的最小分辨距離，是由投影光學(xué)系統(tǒng)的物理屬性所限定的。根據(jù)光學(xué)上的瑞雷判據(jù)，有關(guān)系式σ＝κλ/N.A.＝0.61λ/(n·sin θ)式中σ為最小圖形尺寸，κ為瑞雷常數(shù)，λ為曝光光源的波長，n為晶片所在介質(zhì)(即，光束傳播的介質(zhì))的折射率，θ為縮像透鏡半徑對晶圓的張角，n·sin θ即透鏡的數(shù)值孔徑(numberical aperture，縮寫為N.A.)。數(shù)值孔徑n·sinθ越大，則σ越小，透鏡的分辨力就越高。已知，折射率n＝1的空氣的潔凈成本巨大，且其縮微極限將至；折射率n＝1的真空在曝光反應(yīng)室中的產(chǎn)生和釋放不僅投資極高且效率低；而折射率n＝1.33的水，因?yàn)閷λ苄怨庾枰旱挠绊懙壤砘蛩?，其作為光束介質(zhì)的應(yīng)用前途未卜；折射率高的固體因接觸晶圓造成的損傷而不適用。惟有折射率接近玻璃和光刻膠的油脂可能是選擇的對象，例如，天然植物油、天然動物油、礦物油和合成油。通過對生物顯微觀察的實(shí)驗(yàn)與光刻曝光方法的技術(shù)聯(lián)系，甄選各種光傳播的介質(zhì)——特別是折射率接近玻璃、化學(xué)特性不活躍、物理特性穩(wěn)定、成分單一的天然植物油，提出采用折射率比空氣和水都高、既接近光刻膠(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，又稱杉木油)，作為光刻技術(shù)中曝光介質(zhì)。香柏油為黃色液體，密度約0.92，折射率n＝1.515～1.52，油脂和脂肪酸的凝固點(diǎn)低，是光刻技術(shù)中光束介質(zhì)的最佳選擇。為此，如果將透鏡浸在油里，其0.61/(n·sinθ)的值可以小到0.5，即可以分辨的最小圖形尺寸約為曝光波長的一半。在透鏡系統(tǒng)中注滿介質(zhì)油，掩膜板浸泡在介質(zhì)油中，光束從聚光透鏡系統(tǒng)射出后，經(jīng)過介質(zhì)油，透過掩膜板的玻璃，再經(jīng)過介質(zhì)油，再透過縮像透鏡系統(tǒng)，然后經(jīng)過介質(zhì)油，最終到達(dá)光刻膠；從聚光透鏡到光刻膠的這段光路的折射率基本保持一致，這樣也能保證光束的精確度和縮微的分辨率。采用本發(fā)明以油為介質(zhì)的曝光方法，可以制造出比曝光波長還小的圖形。如果再從縮像透鏡半徑對晶圓的張角θ上做改進(jìn)，運(yùn)用本發(fā)明的方法，理論上的最小圖形尺寸還可以進(jìn)一步縮小。如果在193納米的波長上應(yīng)用本發(fā)明，芯片的研發(fā)和生產(chǎn)就可以進(jìn)入60納米線寬世代。光刻設(shè)備透鏡系統(tǒng)(包括聚光透鏡系統(tǒng)、縮像透鏡系統(tǒng)，以及新更換的油浸透鏡)的具體縮微倍數(shù)的前后差別，可依生物顯微觀察的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供一個(gè)參照，若其他條件不變，轉(zhuǎn)換油浸物鏡(光學(xué)倍數(shù)100X)且以油為曝光介質(zhì)，可以使顯微倍數(shù)在空氣為介質(zhì)的觀察(物鏡光學(xué)倍數(shù)4～40X)基礎(chǔ)上，提高2.5～25倍。


圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的曝光系統(tǒng)示意圖；圖2為本發(fā)明另一種實(shí)施例的曝光系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合附圖就實(shí)施例作進(jìn)一步具體說明。在對芯片1實(shí)施曝光工序之前，按下述的步驟進(jìn)行(1)首先在光刻機(jī)的光罩透鏡系統(tǒng)2中置入香柏油30；(2)在曝光反應(yīng)室內(nèi)，在“對準(zhǔn)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使香柏油厚度均為1.5mm(還可以分別是1mm、2mm)不得出現(xiàn)氣泡；(4)將光罩2移至芯片1之上，微調(diào)下降透鏡系統(tǒng)，使縮像透鏡鏡片20觸及芯片1上的香柏油31，形成光束傳播的光路后，即可按原工藝要求進(jìn)行“對準(zhǔn)和曝光”以及以后的清洗、顯影和蝕刻等工序。
圖2所示的實(shí)施例中，光罩透鏡系統(tǒng)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別為1mm及2mm)，使透鏡系統(tǒng)的縮像透鏡20觸及香柏油31，這樣光束從縮像透鏡系統(tǒng)射出，經(jīng)過介質(zhì)油31，到達(dá)芯片1并以序?qū)嵤┢毓?。圖中所示的“S”為光源、“H”為介質(zhì)油的厚度、21為掩膜板(白色區(qū)域?yàn)椴ＡУ装?、黑色區(qū)域?yàn)殄冦t層)、10為晶圓、11為氧化層、12為光刻膠。
權(quán)利要求
1.一種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驟(1)首先在光刻機(jī)的光罩透鏡系統(tǒng)中置入曝光介質(zhì)；(2)在曝光反應(yīng)室內(nèi)，在“對準(zhǔn)和曝光”工序之前芯片加涂曝光介質(zhì)；(3)平展芯片表面上的曝光介質(zhì)，使其均勻一致且不得出現(xiàn)氣泡；(4)將光罩移至芯片之上，微調(diào)下降透鏡系統(tǒng)，使透鏡鏡片觸及芯片上的曝光介質(zhì)。
2.按權(quán)利要求1所述芯片光刻制程中油浸式曝光方法，其特征在于曝光介質(zhì)是一種油脂。
3.按權(quán)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.按權(quán)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.按權(quán)利要求2或3所述芯片光刻制程中油浸式曝光方法，其特征在于植物油優(yōu)選香柏油。
6.按權(quán)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為1～2mm。
7.按權(quán)利要求6所述芯片光刻制程中油浸式曝光方法，其特征在于優(yōu)選香柏油的平展厚度為1.5mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及芯片的光學(xué)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驟(1)首先在光刻機(jī)的光罩透鏡系統(tǒng)中置入曝光介質(zhì)；(2)在曝光反應(yīng)室內(nèi)，在“對準(zhǔn)和曝光”工序之前芯片加涂曝光介質(zhì)；(3)平展芯片表面上的曝光介質(zhì)，使其均勻一致且不得出現(xiàn)氣泡；(4)將光罩移至芯片之上，微調(diào)下降透鏡系統(tǒng)，使透鏡鏡片觸及芯片上的曝光介質(zhì)。所說的曝光介質(zhì)是植物油并優(yōu)選一種香柏油。采用本發(fā)明以油為介質(zhì)的油浸式曝光方法，不僅可以刻制出比曝光波長還小的圖形，而且避免了昂貴的費(fèi)用投資。本發(fā)明實(shí)為一種有益的改進(jìn)。
文檔編號H01L21/027GK1804724SQ20051000215
公開日2006年7月19日 申請日期2005年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月14日
發(fā)明者朱曉 申請人:朱曉