【微纳加工】刻蚀工艺中，为什么用硬掩模来代替光刻胶？

文摘 2024-09-27 07:03 江苏

传统的光刻胶是刻蚀工艺中的关键遮挡层，随着集成电路技术向更小的线宽、更高的集成度迈进，硬掩模技术应运而生，以其独特的优势逐步取代了光刻胶在先进工艺节点中的核心地位。本文将从硬掩模的基本概念出发，详述其应用场景、制作方法，探究为何能成为光刻胶的理想替代品。

一、什么是硬掩模？

首先来阐释一下硬掩模的概念，硬掩模是一种在刻蚀过程中用于形成精确图案的硬质遮挡层。与光刻胶相比，硬掩模在硬度、化学稳定性、熔点及刻蚀选择比等方面展现出显著优势。具体而言，硬掩模材料通常具有高硬度，能够有效抵抗刻蚀过程中物理和化学侵蚀；其化学惰性强，不易与刻蚀剂发生反应，从而保证了图案的精准传递；同时，高熔点特性使得硬掩模能在高温环境下保持稳定，适应复杂多变的制造工艺；而高刻蚀选择比则意味着在相同的刻蚀条件下，硬掩模的刻蚀速率远低于目标材料，确保了图案的清晰度和精确度。

二、硬掩模的应用场景有哪些？

随着半导体工艺节点不断缩小至0.13μm以下，光刻胶的局限性日益凸显。在如此精细的尺度下，光刻胶的塌陷问题变得尤为严重，且其分辨率难以满足高精度刻蚀的需求。此时，硬掩模凭借其卓越的性能，在多种关键工艺中扮演了不可替代的角色。

多晶硅栅刻蚀

在CMOS工艺中，多晶硅栅是构成晶体管的关键部分。硬掩模的使用能够确保多晶硅栅图形的精确复制，提高晶体管的性能和稳定性。

接触孔刻蚀

随着芯片集成度的提高，接触孔的尺寸不断缩小。硬掩模能够有效防止刻蚀过程中的侧向侵蚀，保证接触孔的高深宽比和位置精度。

铜互连层刻蚀

在铜互连工艺中，硬掩模作为双大马士革（Dual Damascene）工艺的关键组成部分，确保了铜导线的精确布局和绝缘层的精确开口。

3D NAND存储技术

在3D NAND中，沟道通孔（Channel Via）的刻蚀是构建垂直堆叠存储单元的关键步骤。无定形碳膜等硬掩模材料因其优异的物理和化学性能，成为实现高精度刻蚀的理想选择。

此外，在一些特色工艺如使用氢氟酸（HF）刻蚀氧化硅时，镍、铬、非晶硅等硬掩模材料也展现出了独特的应用价值，它们能够有效抵抗HF的侵蚀，保护目标材料不被过度刻蚀。

三、硬掩模的制作方法是精密工艺的层层递进

硬掩模的制作是一个复杂而精细的过程，它融合了沉积、光刻、刻蚀等多种半导体制造工艺技术。以下总结了硬掩模制作的基本步骤。

沉积硬掩模材料

首先，在目标材料（如硅片）上通过物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）或原子层沉积（ALD）等技术，均匀沉积一层高质量的硬掩模材料。这层材料的选择需根据后续工艺的需求和材料的特性进行综合考虑。

光刻胶涂覆与图形化

在硬掩模层上涂覆一层光刻胶，并通过曝光、显影等步骤将设计好的图形转移到光刻胶上。这一步骤中，光刻胶作为临时图案层，其质量直接影响到后续硬掩模图形的精度。

刻蚀硬掩模

利用干法刻蚀（如等离子刻蚀）或湿法刻蚀技术，将光刻胶上的图形转移到硬掩模层上。这一过程中，需要精确控制刻蚀条件，以确保硬掩模图形的准确性和一致性。

去除光刻胶

最后，通过剥离或清洗工艺去除残留的光刻胶，留下完整的硬掩模图形。至此，硬掩模制作完成，准备进入后续的刻蚀或其他工艺步骤。

四、探究硬掩模替代光刻胶的深层原因

硬掩模之所以能够取代光刻胶在先进工艺节点中的核心地位，其深层原因可归结为以下几点：

提高分辨率与精度

随着线宽的减小，光刻胶的分辨率和精度受到限制。硬掩模以其更高的硬度和化学稳定性，能够在更小的尺度下实现更高精度的图案转移。

增强工艺稳定性

光刻胶在使用过程中易受温度、湿度等环境因素影响，导致图形变形或失真。而硬掩模则具有更好的环境稳定性和耐加工性，有助于提高工艺的稳定性和可靠性。

适应复杂工艺需求

在3D集成、异质集成等复杂工艺中，硬掩模以其独特的物理和化学特性，能够满足更加严苛的刻蚀需求，推动半导体技术向更高层次发展。

硬掩模技术的兴起，是半导体制造工艺不断进步的必然结果。它不仅解决了光刻胶在先进工艺节点中的局限性问题，还为实现更高精度、更高稳定性的芯片制造提供了有力支持。

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