半導體製程 (4 版 ) Microchip Fabrication 第 10 章 : 先進的微影製程

1. 半導體製程(4版)Microchip Fabrication 第10章:先進的微影製程 Peter Van Zant 著姜庭隆 譯 李佩雯 校閱滄海書局中 華 民 國 90 年 11 月 28 日

2. 摘要 滿足次微米製程尺寸:低缺陷密度、晶片密度增加的新方法  雙層光阻製程  雙嵌刻製程  平坦化技術  影像反轉製程  抗反射層、對比強化層、光阻染色添加劑  光罩保護膜

3. 極大型及超大型積體電路圖案成形的關鍵 中型/簡單的大型積體電路 基本製程:用一層光阻 製程尺寸:微米到3微米 極大型和超大型積體電路 先進的微影製程:雙/多層光阻 製程尺寸:次微米 次微米製程涉及的問題 -光學式曝光設備的性能極限 -光阻的解析能力限制 光波前(wavefront)輻射由不同方向/能量混合， 穿過光阻時方向和能量都改變 -平面問題：表面反光、多層的幾何形狀

4. 光學解析度的控制 改善曝光光源  解析比光波長短/小的影像困難  光阻僅對特定高能波峰產生反應 波長短(窄)的優點 1. 能量高,曝光時間短 2. 繞射(diffraction)減少 3. 散射(scattering)減少 圖10.3 繞射造成影像 在光阻上縮小 圖10.4 光在光阻膜上的散射

5. 紫外線及深紫外線 曝光機光源:高壓水銀燈 -紫外光(UV)波長 365奈米(I線) 、405奈米(H線) 、436奈米(G線) -中紫外光(midUV)波長:313奈米 -深紫外光(DUV)波長:254奈米 激能氣體雷射(excimer lasers) 波長：XeF(351奈米)、XeCl(308奈米)、RF(248奈米)、AF(193奈米) 聚焦的離子束 優點 -離子束散射少，影像可以小且清晰 -離子束能量比電子高，曝光更快

6. X光 優點(波長短,4至50埃) -沒有繞射,產生極小影像(0.1微米) -曝光時間短 -反射和散射現象極少 -聚焦深度(景深)問題少 -塵粒造成缺陷少:X光穿透顆粒 量產級X光曝光機的問題 -X光穿透光罩玻璃及鉻:黃金 -X光破壞縮影的光學透鏡:影像1:1 -光阻:對X光敏感且抵抗蝕刻 X光的光源  標準X光管  雷射激發源:點源/同步粒子加速器(synchrotron) 圖10.5 X光曝光機系統

7. 電子射束(e-beam) 生產高品質單像/多像光罩的成熟技術 優點(不需光罩) 直接寫入法 (direct writing) -無來自於光罩的缺陷 (繞射造成影像扭曲) -解析度高 -省去昂貴的光罩 圖案曝光法 全區掃描法(raster scanning) 向量掃描法(vector scanning) 缺點：太慢且太貴 設備太貴:每套數百萬美元 速度緩慢：必須在真空中曝光 腔室內抽真空需要時間 圖10.6 電子束曝光系統 圖10.7 電子束掃描方式 (a) 全區掃描 (b) 向量掃描

8. 和曝光相關的其他事項 曝光小影像:用波長較短的光源 問題:景深(depth of field, DOF)較淺 解決方法:可變數值光圈鏡、圓環式照明、偏軸照明、相位偏移光罩 透鏡的數值光圈(numerical aperture) NA  =可得的最小製程尺寸 = Raleigh常數，透鏡區分兩個鄰近影像的能力 =曝光光線的波長 NA=透鏡的數值光圈,透鏡聚光的能力 波長變短:利用深紫外光、X光或電子射束 增加NA的限制 -高聚光能力(NA高)透鏡其景深較淺(短) -視野(field of views)變窄 可變數值光圈透鏡 先進的晶片有多層，表面高低不同，故需較高景深 偏軸照明將曝光光束方向偏移垂直方位，可破壞駐波

9. 對比(反差contrast)效應 光罩上的不透明線若被大片的透明區域環繞，該線的解析度困難 近接效應(proximity effect) 光線在圖案的邊緣產生繞射現象 主體對比(subject contrast) 光線穿透光罩不透明區，或光由晶圓表面反射至光阻內， 造成不該曝光區局部曝光，顯影的影像扭曲 圖10.9 　主體對比效應 圖10.8 　近接效應

10. 相位偏移光罩(Phase Shift Mask,PSM) 避免因繞射現象而使兩個圖案消失的方法 -用透明材料(二氧化矽)將光罩圖案間的開孔塗住， 使入射光的相位偏移，抵消混合的繞射光強度 -在光罩圖案的邊緣加上使相位偏移的材料層 -交互變換相位偏移光罩(alternating PSM) 又名:交變微孔相位偏移光罩(alternating aperture PSM, AAPSM) 圖10.11 光的強度圖形(a) 沒有相位偏移時 (b) 有相位偏移時 圖10.10 波的相位

11. 光學式近接修正光罩 (optical proximity corrected masks) 光罩圖案會因近接效應而使光阻上的影像被扭曲 情況反轉：將光罩上的圖案製成扭曲形狀， 使光阻上形成的影像成所需形狀 圓環形照明 (annular ring illumination) 將光源光亮區能量較均勻的環狀部分保留，遮隔其他光區， 使照在晶圓上的光波較為均勻

12. 光罩保護膜(pellicle) 矛盾狀況 catch-22 -光罩變髒，清洗 -可能造成光罩被污染、刮傷、破裂 解決方法 用薄(0.8～2.5微米)聚合物膜， 裝在光罩上，灰塵不接觸光罩 主要成分 氮化纖維素(NC)膜 用於寬頻曝光光源(340～460奈米) 醋酸纖維素(AC)膜 用於中度紫外光 極高的光穿透率:對光波峰穿透率為99% 圖10.12 光罩保護膜

13. 表面問題 光阻中光的散射 光線在光阻上散射造成解析度不良 下表面的反光 非垂直前進的光，在光阻中反射，某些部位不該曝光卻曝光 相關因素 -表面層的材料及光滑度 -晶圓表面的階梯形狀 圖10.14 在階梯上造成金屬導線的“凹槽” (a) 蝕刻前(b) 蝕刻後 圖10.13 　底材表面的反光

14. 抗反光的塗層 (Antireflective Coatings,ARCs) 優點 -使晶圓表面較為平坦 -減少光阻中光的散射量 -減少光的駐波效果 -改善影像的對比(反差) 缺點 -須多一次的旋轉及烘烤 -厚度控制不良/顯影不良, 抵消解析度 -曝光時間增加 ARC材料 -透光性應和光阻相同 -和晶圓及光阻的黏著性須良好 -和光阻的折射指數須相同 -可使用和光阻相同的顯影/去除化學液 圖10.15 抗反光塗層的製程程序

15. 駐波(standing waves)問題 光90射入晶圓表面，反光穿過光阻時，和入射光干涉造成增強/減弱， 使光阻中有些區域曝光能量高，某些能量低 ,顯影後光阻壁呈波浪狀 減少駐波方法 -光阻中加染料 -晶圓表面塗抗反光塗層 -正光阻在顯影前加曝光後的烘烤(PEB) 圖10.16 駐波效應(a) 在曝光時(b) 顯影完畢後

16. 平坦化(planarization) 減緩晶圓表面立體幾何形狀(topography) -晶圓不同層被蝕刻時，表面形成高低的階梯狀 -不同階梯造的反光性質不同 -不可能以一層光阻得到次微米影像解析度 技術問題 -景深(DOF) -階梯上的反光造成金屬導線的缺口凹槽 平坦化技術 -多層光阻製程 -平坦化層 -重流技術 -化學機械拋光研磨(CMP)

17. 多層光阻/表面成像 雙層式多層光阻 二層不同極性(正、負)的光阻 1.塗厚的正光阻於晶圓 加熱至熱流溫度造成平坦的光阻表面 2.在此層上塗薄的負光阻， 曝光，顯影 保形層(conformal layer) 此層作用為隔阻光線， 使下方底層保持原狀 3. 曝光整片晶圓(flood exposure) (不使用光罩) 正光阻由上方負光阻的孔受光 4. 顯影，解析出孔，蝕刻 圖10.18 　雙層光阻製程

18. 選擇光阻時考慮 •  上、下層光阻的相容性 •  下表面反光、駐波、PMMA的敏感性 •  二光阻烘烤時須相容 • 但對顯影的化學液卻互不影響 變化技術應用剝離(lift-off)技術 : 使晶圓表面產生清晰的金屬導線 圖19 雙層光阻的剝離過程

19. 三層光阻製程法 -在兩層光阻間加入硬材料層 (二氧化矽沈積層/抗顯影材料) -用此硬層作為蝕刻光罩， 將圖案影像成形於底層 -底層材料不一定要用光阻， 可用聚亞醯胺(polyimide) 圖10.20 　三層光阻製程

20. 矽化光阻法(silyation process) 增強擴散矽化光阻法DESIRE (Diffusion Enhanced Silylating Resist) -用標準紫外光進行平坦的表層曝光 晶圓置入HMDS蒸氣， 矽擴散入光阻已曝光區域 (silyation process) -含矽量較高的光阻區變一層硬罩， 以RIE行乾式顯影並移除底層材料， 可保護此硬罩下方不受蝕刻 -蝕刻時矽化區域轉化成二氧化矽， 形成更抗蝕的護罩 頂層表面成像(top surface image)法 將圖案影像成形在最上層 圖10.21 增強式擴散矽化光阻製程

21. 聚亞醯胺(polyimide)平坦化層 • 優點 • -提供如同沈積的二氧化矽之介電強度 • -可使用旋轉塗佈法 -達成平坦化的效果， 使第二層金屬層的解析變容易 回蝕刻(etch back)平坦法 用於局部平面之平坦化 圖10.22 　回蝕刻平坦法

22. 雙嵌刻製程(dual damascene process) 解決產生柱塞(plug) , 銅取代鋁作為導電金屬的製程問題 是一種嵌入式(inlaid)製程 1. 以傳統的光阻技術產生溝狀凹槽 2. 以沈積法將金屬填入並且溢滿表面 3. 化學機械拋光研磨(CMP)法磨除溢出部分，留下溝槽中的金屬 圖10.23 　雙嵌刻 (嵌入) 製程

23. 化學機械拋光研磨法 (CMP) • 優點 • 整片晶圓完全平坦(global planarization) • 能用於各種不同材料的研磨 •  能用於具多種材料的表面 •  高解析的嵌刻製程及銅製程 •  不需使用有危害性氣體 • 低價的方法 • 機械式研磨晶圓表面凸起，造成平坦效果 • 表面過量的機械性傷害 • 化學研磨液，將表面材料溶化/蝕去，減輕傷害 • 完畢後，進行研磨後清潔 圖10.24 化學機械式拋光研磨 和平坦化 (CMP)

24. 研磨墊(polishing pad) 聚氨基甲酸酯(PU)、填充材料、發泡方式射出成形 研磨液(slurry) -機械角色 液內有研磨顆粒(研磨氧化物用二氧化矽，金屬用三氧化二鋁) -化學角色 氫氧化鉀/氫氧化銨 (pH >7,控制研磨粒子上的電荷，減少研磨後的表面殘餘物) 液中水使金屬氧化，鹼性液將氧化膜減低，再以機械方式移除 研磨速率 製程參數: 研磨墊的壓力、旋轉速率、 研磨液的流率、流動性質(黏度)、 室內溫度、濕度、 晶圓直徑、圖案尺寸、表面材料

25. 平面度  銅中心部位密度低，研磨速率快，造成碟狀凹陷  銅技術用鉭作防止銅入矽的阻隔物，但鉭研磨速率慢  鎢栓塞研磨困難 : 研磨初期，鎢表面比周圍氧化物低  圖案形狀變化造成不同研磨速率  不同金屬，硬度不同，研磨速率不同 圖10.26 鎢質栓塞的形成 (a) 沈積鎢(b) 用CMP去除多餘的鎢 (c) 將表面的氧化物打磨去除 圖10.25 銅溝槽內的“碟狀凹陷”

26. 化學機械拋光研磨後的清洗(post CMP cleaning) -用刷洗機或高壓水柱將表面的磨粒子去除 -選用表面活性劑/調整酸鹼度: 晶圓表面和磨粒生斥電性，減少靜電吸引粒子污染 化學機械拋光研磨的相關設備 量產設備包含  自動的晶圓夾取機械手臂  附在機台上的量測儀器及偵測清潔度的感應器  各式的終點偵測系統

27. 化學機械研磨的重要參數 -研磨墊的成分 -施於研磨墊上的壓力 -研磨墊的轉速 -承載晶圓平台的轉速 -研磨液的流率 -研磨液的化學性質 -研磨液對不同材料的選擇性(selectivity) -表面材料種類 -圖案的幾何形狀

29. 流動平坦化/流平(Reflow)硬的平坦化層 1.沈積的二氧化矽中摻4~5% 硼(硼矽玻璃BSG) 硼使玻璃在500C下產生流動，造成平坦表面 2.可旋轉塗佈的玻璃層(Spin On Glass, SOG) 二氧化矽混合物溶於可快速蒸發的溶劑中 兩次光罩微影法(double masking)去除針孔 1. 旋佈第二層光阻，進行第二次定位及曝光 2. 用一層薄的光阻完成顯影 -第二次使用的光罩圖案尺寸是放大的(oversize mask) -第二層光阻填覆第一層光阻上的針孔，使蝕刻時有保護 缺點  需要兩片光罩  製程時間較長

30. 圖10.28 　兩次光罩微影法

31. 影像反轉法(image reversal) 用正光阻配合暗場光罩產出島形影像 1. 用暗場光罩在正光阻上形成影像，曝光，形成相反的影像 2. 將尚未顯影晶圓送入含胺蒸氣真空爐，轉化光阻極性(正變負) 3. 取出晶圓，整片曝光(flood exposure，不用光罩)完成 圖10.29 影像反轉法

32. 對比強化層(contrast enhancement layers, CEL) 1.用旋塗法加CEL在光阻層上 2.曝光時CEL僅容許能量較強光穿透， 光阻只接收高強度光，改善解析度 3.顯影前用化學噴劑去除CEL 染色的光阻 光阻內加入染料改變曝光效果 -吸收光線，減少駐波現象 -改變曝光時聚合物分解速率, 使顯影線條更清晰 圖10.30 對比強化層的製程流程

33. 改善蝕刻效果 1.剝離製程(lift-off process) 2.能自行定位的結構群 (self-aligned structures) 3.蝕刻形狀的控制 圖10.31 剝離法 圖10.33 (a) 非等向蝕刻 (b)等向蝕刻的表面層堆疊 　 圖10.32 自行定位的矽閘結構

34. 光學式微影的終結末路？ X光/電子射束 極昂貴，有難以克服的問題，不易成為量產方法 光學式微影法不斷改善  光阻性能愈來愈好 曝光源波長範圍愈來愈窄，並且被控制  光學系統製程尺寸: 0.25微米/更小 下一代的光學式方法: 低波長的深紫外光？