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1、半導體製程(4版) Microchip Fabrication第9章: 基本成形- 由顯影至最終檢查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 顯影的目的和方法 乾式蝕刻及濕式蝕刻的方法及相對的優點 光阻去除劑 最終檢查的目的和方法 光罩的製造方法以及討論定位的誤差預算 顯影顯影(development)(development) -經定位和曝光後，元件圖案被紀錄在光阻上，用溶劑將未聚合的光阻溶解，所要的圖案出現在剩餘光阻上-顯影使光阻上的圖案和光罩上的圖案完全相同顯影不足：使孔洞小於正常之尺寸，光阻壁邊呈弧形 顯影過度：
2、使圖形表面或邊緣太大圖9.1 光阻的顯影(a) 程序(b) 問題負光阻之顯影顯影劑用負光阻中之溶劑二甲苯作為顯影劑希望水溶性之顯影劑以免污染及安全顧慮快速沖洗液將顯影劑沖掉n-丁基醋酸不會使光阻膨脹或收縮步進機曝光的晶圓用史脫達特(Stoddart)溶劑圖9.3 在影像邊緣的光阻之漸變過渡區 正光阻之顯影 正光阻之硬化區和未硬化區被顯影劑溶解之速率為1:4， 易使硬化區之光阻被溶解到太薄顯影劑 使用水性溶液，較為環保 鹼性水溶液：氫氧化鈉或氫氧化鉀，含金屬離子MIC 非離子性溶液(Non-MIC)：氫氧化四甲基氨(TMAH) 沖洗液 水正光阻負光阻顯影劑氫氧化鈉 (NaOH) 氫氧化四甲基銨二
3、甲苯 史脫達特溶劑沖洗液水n-丁基醋酸圖9.2 光阻的顯影和沖洗化學品 顯影方式 溼式顯影法 (1)沈浸法(immersion) -機械式之攪拌 -超音波刺激，生成孔蝕氣泡，使溶液均勻的進入小孔穴 -加溫溶液缺點： -表面張力使沖洗液無法入小孔 -光阻屑粘在晶圓表面 -經數百片晶圓進出，溶液變髒 -晶圓由液面取出時被污染 -顯影液因多次使用而稀釋 -常更換溶液使成本上升 -室內溫度變化使溶液顯影速率改變 -晶圓須送去乾燥，增加步驟 圖9.6 沈浸顯影的步驟 (2)噴灑顯影法 (spray development) -噴佈顯影劑及沖洗液，高速旋轉乾燥，整合硬烤-負光阻系統中為標準方法-批次量產的
4、顯影機：旋轉清洗乾燥機 (SRD) 優點：-化學劑量省，噴佈均勻度佳-噴顯影劑之壓力使孔洞邊緣清楚呈現-噴沖洗液之壓力使碎屑確定被移離晶圓-原料劑液清潔度佳圖9.7 噴灑顯影及沖洗 (3)淺灘式顯影(puddle development)-晶圓靜止(不旋轉)狀態-顯影劑一攤，留在晶圓表面一段時間，進行顯影-晶圓被下方的夾頭加熱-類似單片晶圓式的沈浸法 電漿去除殘渣(Plasma descum)濕式法常有殘渣現象 ,常用含氧式電漿清除圖9.8 淺灘及噴灑顯影濕式顯影法缺點 不易自動化 化學原料昂貴 須小心貯存 使用後之排除液須處理乾式顯影法(電漿法)氧經電漿激升能量,氧化曝光的(或未曝光的)光阻
5、,離開晶圓表面硬烤(hard bake)又稱為蝕刻前的烘烤(pre-etch bake)或前烤(prebake) 使用設備對流烤箱、連續及人工式熱平板、紅外線烤箱、真空烤箱硬烤程序加熱光阻對流烤箱溫度130200C，約30分鐘 溶劑及水份消失，聚合物再膠化，提高和晶圓之黏合，抗拒腐蝕溫度須低於流動溫度點(flow point：聚合物受熱開始軟化流動之溫度, 光阻流動，影像改變。嚴重時造成影像四周出現干涉條紋fringes)圖9.9 高溫下光阻的流動 檢查顯影結果(develop inspect 簡稱DI)檢查的目的 -找出不能通過最終檢查的晶圓片 -提供製程效能和製程控制數據 -找出可重新使用
6、的晶圓片(再生晶圓:reworks或redos) 再生晶圓 -比例率:10%以下，最好5%以下 原因: -完成後揀選良率(sort yield)較低 -計算及追蹤的工作量增加 圖9.11 再生晶圓的製程迴路 步驟尋找方法1.玷污大的污染目視紫外光2.玷污污染 圖案不規則 定位錯誤100400倍的顯微鏡 原子力顯微鏡自動 檢查系統 3.重要的關鍵性尺寸顯微鏡掃描式電子顯微 鏡原子力顯微鏡圖9.12 顯微檢查的順序 檢查內容-影像(元件)尺寸之變異性(量測關鍵尺寸critical dimension, CD) -影像(元件)位置之正確性-光阻、晶圓表面之瑕疵：污染、小孔、刮傷、表面尺寸之不規則性-
7、影像(元件)形狀之扭曲工具 (1)人眼目視(配合UV光):1倍檢查(1x) (2)100400倍之顯微鏡 (3)SEM/AFM電子顯微鏡圖9.13 典型的顯影檢查紀錄 圖9.14 兩條導線被橋接 蝕刻(Etch) 將晶圓表面上層材料由光阻開孔處移除的製程 目的 -將光罩上的影像轉移至晶圓表面 -均勻性、邊緣形狀的控制、選擇性、清潔度，減低成本濕式蝕刻(Wet Etching)傳統的蝕刻方法 方法 沈浸蝕刻法,濕式噴佈式蝕刻法,蒸氣蝕刻法沈浸蝕刻法 步驟 1.晶圓被沈入充滿蝕刻液的槽中一段時間 2.轉送至沖洗站去除酸液 3.送至另一站做最後的沖洗 4.旋乾 濕式蝕刻缺點 適用於特徵尺寸3m以上製
8、程 蝕液等向性(isotropic)，斜壁 完畢後須清洗及乾燥 蝕刻液具危險(或毒)性 生成污染 光阻下被掏空(undercutting)等向(isotropic)蝕刻蝕刻液將各方向的材料均予以蝕去非等向(anisotropic)蝕刻-被蝕出的邊成垂直狀-電漿蝕刻法具有非等向性質圖9.16 非等向及等向蝕刻 影響影像轉移正確性的因素蝕刻不足(incomplete etch)可能原因:時間太短,表面層厚度不均勻,溫度太低,蝕刻液濃度不足蝕刻過度(overetch)製程規劃中要有些蝕刻過度: 保證被蝕層(如SiO2)完全被除去底層掏空(undercutting)可能原因:-時間太長, 溫度太高,蝕
9、刻液太濃,光阻和晶圓間黏著力弱 -晶片在設計時應將底層掏空預先考慮,預留距離裕度圖9.15 未完成的蝕刻(蝕刻不足) 圖9.17 不同程度的底部掏空 選擇性(selectivity)定義:上層材料(SiO2)和下層材料(Si)的蝕刻速度比值-愈高愈佳(下方底材被侵蝕的慢)，SiO2/Si為2040-乾式蝕刻時可被用於SiO2和光阻的蝕速率比各種材料的濕式蝕刻1.矽和多晶矽的濕式蝕刻 蝕刻液：硝酸HNO3和HF之溶液 放熱反應(exothermic)使蝕刻速率太快 溫度：室溫2.二氧化矽的濕式蝕刻(熱氧化法) 蝕刻液：HF,蝕刻速率太快 具緩衝的氧化物蝕刻液減少H+，使速率下降 (BOES以49
10、%濃度混合氟化銨NH4F) 溫度：室溫圖9.18 具緩和效果的氧化物蝕刻液 (BOE) 的蝕刻速率和溫度的關係 3.以沈積法生成的二氧化矽的濕式蝕刻 Vapox或Silox:鋁墊層上的保護膜 不可用BOES，因侵蝕鋁墊，造成封裝銲線困難 蝕刻液：氟化銨NH4F和醋酸(Acetic Acid) 溫度：室溫4.鋁膜的濕式蝕刻 蝕刻液 -磷酸H3PO4，硝酸HNO3，醋酸Acetic，水 -以16:1:1:2混合 -磷酸反應時生成氫氣泡 -須以攪拌或超音波刺激 溫度：40500C5.氮化矽(Si3N4)的濕式蝕刻 -使用高溫之磷酸(H3PO4)液，以1501800C進行 -此法不理想,多以乾式蝕刻進
11、行圖9.19 氫氣泡阻礙蝕刻液 濕式噴佈式蝕刻 優點 -藉加壓，使圖案形狀清晰出現 -減少來自蝕刻液的污染 -製程控制較容易 蒸氣蝕刻 將晶圓置於氫氟酸蒸氣中優點 -使用(清潔的)新補充蝕刻蒸氣於晶圓表面上 -可立即終止蝕刻 安全顧慮:蒸氣毒性乾式蝕刻(Dry Etch)用氣體介質,不用濕的化學品,晶圓在進、出系統時都是乾燥狀態可定義出較小的特徵尺寸主要方法：電漿、離子磨床、反應離子蝕刻電漿蝕刻(plasma etching) 用氣體及電漿之能量進行化學反應 電漿蝕刻機組成:真空腔室、抽真空系統、供應氣體、電源供應器步驟1.抽真空2.反應腔內充滿反應氣體(對SiO2：CF4及氧氣)3.產生射頻
12、 (R.F.高週波) 場於腔內之電極間4.生成電漿，氟離子、SiO2產生化學反應，氣化後真空系統抽走桶形蝕刻機(barrel etchers) 缺點離子無方向性(isotropic):蝕刻均勻性不佳 幅射傷害：使用穿許多小孔的管狀金屬罩將晶圓和電漿場隔開 圖9.22 桶形電漿蝕刻 圖9.23 具有金屬保護罩的桶形電漿蝕刻機 平面式電漿蝕刻(planar plasma etching)非等向性蝕刻 (anisotropic etch)，可生成幾乎是垂直的壁面電漿供應源射頻(R.F.高週波)電漿產生方法在0.35微米製程後逐漸被取代高能量、高密度、低壓電漿供應源電子迴旋共振 (ECR)、高密度反射
13、式電子、螺旋波、感應耦合 電漿 (ICP)，移轉耦合電漿 (TCP)圖9.24 平面式電漿蝕刻 蝕刻速率 影響因素 系統設計及使用的化學物 、離子密度、系統壓力、電極的功率 幅射損害 損害粒子種類 高能原子、單電子粒子(自由基radicals)、離子、電子、光子 可能損害 表面漏電、電性參數改變、薄膜品質變差 造成損害的機構 -晶圓在電漿場中過度暴露於高能粒子下 -蝕刻過程中電流流過介電質造成介電材料損耗(dielectric wearout) 減少電漿損害方法 下游電漿(downstream plasma)系統:在腔室中產生電漿，轉送至下游的晶 圓，晶圓和具傷害性的電漿分隔開 選擇性 控制選
14、擇性方法 氣體成分配方、蝕刻速率、反應快完成時稀釋氣體、終點偵測器 (endpoint detectors) 離子射束蝕刻法(Ion beam etching)物理式蝕刻又名濺式蝕刻(sputter etching)或離子研磨(ion milling)原理-氬氣進入腔室被電子衝擊成帶正電離子，晶圓帶負電-氬離子受晶圓吸引將晶圓表面原子轟擊，故無化學反應優點有特定之方向性anisotropic，可蝕刻特定之小孔缺點選擇性差，光阻被大量蝕去，幅射效應強圖9.26 離子射束研磨 反應式離子蝕刻(Reactive Ion Etching：RIE) -合併電漿蝕刻法(化學蝕刻)和離子射束蝕刻法(特定方向
15、性) -選擇性佳，比值可達35：1(電漿蝕刻比值最多為10：1) -常用在SiO2/Si乾式蝕刻中光阻的問題-系統中殘餘的氧攻擊光阻，光阻層必須夠厚，以免出現針孔 -蝕刻腔室中溫度可高達200C.光阻被烤乾，難以由晶圓表面去除.光阻流動，圖案變形，影像扭曲 -蝕刻出的側壁沈積光阻聚合物的分子線串,難以去除 剝除光阻層(Resist Stripping) -前段製程(FEOL)時:常使用濕式化學法 -後段製程(BEOL)時:乾式(O2電漿) 光阻去除劑(strippers)分成 -通用型、正光阻專用型、負光阻專用型 -由晶圓表面的型態來分：金屬或非金屬的光阻去除化學劑去除溫度 (攝氏)表面氧化
16、物金屬光阻極性 (正或負) 酸類硫酸和氧化劑125X+/-有機酸90-110XX+/-鉻酸及硫酸20X+/-溶劑類NMP/Alkanolamine95X+DMSO/Monothanolamine95X+DMAC/Diethanolamine100X+Hydroxylamine(HAD)65X+圖9.27 濕式光阻去除劑表 濕式化學法剝除光阻層 濕式法常被使用，因為-歷史悠久-便宜有效(cost-effective)-除去金屬離子時十分有效-可在低溫下進行，晶圓不會暴露在幅射光下用於非金屬表面的濕式化學光阻去除液 -非金屬表面可能為二氧化矽、氮化矽，或多晶矽 -使用硫酸和氧化劑(過氧化氫或過硫化氨)混合用於金屬表面的濕式化學光阻去除液1. 酚(phenolic)有機去除液2. 混合硫酸基酸、經氯化的碳氫溶劑、酚，配方有毒性2. 含鉻的硫酸混合液3. 溶劑去除液:丙酮(acetone正光阻專用)，易燃物，使用受限制 4. 溶劑
