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 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 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 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10.7 電子束掃描方式 (a) 全區掃描 (b) 向量掃描 圖10.6 電子束曝光系統 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 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10.8 近接效應 圖10.9 主體對比效應 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10.10 波的相位 圖10.11 光的強度圖形(a) 沒有相位偏移時 (b) 有相位偏移時 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 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10.13 底材表面的反光 圖10.14 在階梯上造成金屬導線的“凹槽” (a) 蝕刻前(b) 蝕刻後 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 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 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)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 圖19 雙層光阻的剝離過程 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 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 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 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 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 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) 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 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10.25 銅溝槽內的“碟狀凹陷” 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 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500C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。
