Microsoft PowerPoint - Chap6_微影

Chap6 微 影 1

IC Fabrication e-beam or Photo Mask or EDA PR Chip Reticle Photolithography Ion Implant Etch EDA: Electronic Design Automation PR: Photoresist 2

IC Processing Flow Materials IC Fab Metallization CMP Dielectric deposition Test Wafers Masks Thermal Processes Implant PR strip Etch PR strip Packaging Photolithography Final Test IC Design 3

Introduction 光 阻 塗 底 光 阻 塗 蓋 軟 烤 曝 光 顯 影 硬 烤 去 光 阻 溼 式 乾 式 4

Lithography( 微 影 ) 原 理 在 晶 片 上 塗 一 層 感 光 材 料, 使 用 光 源 的 半 聚 合 光, 經 過 以 玻 璃 為 主 體 的 光 罩 後, 打 在 感 光 材 料 上 經 由 光 罩 上 的 圖 案, 將 使 光 源 的 入 射 光 發 生 反 射, 未 被 反 射 而 透 過 光 罩 的 光 束 具 備 和 光 罩 相 同 的 圖 案, 稱 為 曝 光 微 影 基 本 製 程 光 阻 覆 蓋 曝 光 顯 影 5

Lithography Technology Strategy photolithography - source, lens, resist electron-beam lithography - throughput, mask, cost x-ray lithography - source, mask, resist, cost ion-beam lithography - throughput, mask, cost Printing method contact printing - defect, lifetime, resolution proximity printing - defect, lifetime, resolution projection printing step and repeat - 10x, 5x, 4x,.... scanning - wafer-scan, raster scan, stripe-scan, step-scan 6

Pattern Transfer Adhesion promoter HMDS (hexa-methylene-di-siloxane) spin-coating or vapor deposition Photo Resist (PR) spin-coating 3000-6000 RPM for 1 um thick PR With or without anti-reflecting layer Soft bake 90-120 C for 60-120 sec. Exposure Post exposure bake (PEB) ~100 C for 10 min. PR Develop Hard baking 100-180 C for 10-30 min. Etching & PR striping 7

光 阻 由 樹 脂 感 光 劑 溶 劑 組 成 以 液 態 形 式 存 在 正 光 阻 光 阻 本 身 難 溶 於 顯 影 劑, 但 遇 光 後 會 解 離 成 一 種 易 溶 於 顯 影 液 的 結 構 負 光 阻 光 阻 遇 光 後 光 阻 結 構 加 強 不 溶 於 顯 影 劑 好 的 光 阻 特 性 良 好 的 附 著 性 抗 蝕 刻 性 解 析 度 8

正 光 阻 光 阻 厚 度 薄 解 析 度 好 PAC( 光 活 性 化 合 物 ): 正 光 阻 液 的 感 光 成 分 PAC 的 解 離 表 示 光 阻 內 的 PAC 含 量 降 低, 將 影 響 光 阻 的 感 光 能 力 9

Photo-Resist Positive PR Photo-sensitive compound, base resin, organic solvent. Photo-sensitive compound absorbs radiation to change its chemical structure. Negative PR Polymers and photosensitive compound Photo-sensitive compound absorbs the optical energy and converts it into chemical energy to initiate a polymer linking reaction. Contrast ratio: γ ln E T E 1 1 10

塗 底 當 適 當 厚 度 的 光 阻 覆 蓋 在 晶 片 表 面 的 之 後, 晶 片 將 經 過 一 道 軟 烤 或 稱 為 預 烤 的 程 序, 將 光 阻 內 的 溶 劑, 藉 加 溫 蒸 發 而 加 以 排 出, 以 利 後 續 的 曝 光 及 顯 影 影 響 光 阻 進 行 圖 案 轉 移 光 阻 和 晶 片 表 面 間 的 附 著 力 去 水 烘 烤 將 水 分 子 從 晶 片 表 片 表 面 去 除 增 加 光 阻 及 晶 片 表 面 附 著 能 力 的 化 合 物 HMDS( 六 甲 基 乙 矽 氮 ) 11

塗 底 藉 由 適 當 的 塗 底, 晶 片 表 面 的 表 面 能 將 可 以 被 調 整 到 與 光 阻 的 表 面 能 相 當 的 程 度, 所 以 光 阻 對 晶 片 表 面 的 附 著 力 便 增 強 HMDS 塗 佈 方 式 旋 轉 塗 怖 :HMDS 以 液 態 方 式 灑 在 晶 片 上, 藉 由 高 速 旋 轉 後, 在 晶 片 表 面 塗 上 一 層 HMDS 氣 相 塗 蓋 : 將 HMDS 以 氣 態 形 式 放 進 有 晶 片 的 容 器, 然 後 在 晶 片 表 面 上 完 成 HMDS 塗 佈 ( 微 粒 較 小 ) 商 業 上 的 應 用, 已 經 將 去 水 烘 烤 及 HMDS 的 氣 相 塗 底, 混 合 在 同 一 容 器 裡 進 行 12

PR Coating Pre-baking plate Adhesion promoter vapor deposition or spin coater PR spin coater (close cup) 3000-6000 RPM for 1um with edge bead remove Soft baking plate Exposure Pot exposure baking (PEB) plate Develop spinner Hard bake plate 13

光 阻 塗 佈 目 的 : 在 晶 片 的 表 面 覆 上 一 層 厚 度 均 勻 附 著 性 強 且 無 任 何 缺 陷 的 光 阻 迄 今, 所 有 光 阻 的 塗 佈 均 都 是 以 旋 轉 式 的 旋 塗 來 進 行 的 光 阻 的 厚 度 除 了 與 光 阻 液 本 身 的 黏 性 有 關 外, 也 受 旋 轉 器 1 的 轉 動 速 度 的 影 響 光 阻 厚 度 w 相 同 的 光 阻 液, 轉 動 速 度 愈 快, 光 阻 愈 薄, 厚 度 的 均 勻 性 愈 理 想 14

轉 速 - 時 間 的 曲 線 晶 片 的 轉 速 先 加 速 到 100~1000prm 的 低 轉 速, 然 後 適 量 的 光 阻 灑 在 晶 片 的 表 面, 接 著 增 加 轉 速 到 2000~4000rpm 的 高 轉 速 光 阻 內 含 有 有 機 溶 劑, 其 揮 發 性 極 強, 一 旦 光 阻 灑 在 晶 片 上 面 後, 光 阻 的 黏 性 便 會 隨 溶 劑 的 揮 發 而 開 始 改 變 假 如 旋 轉 途 佈 的 轉 速 和 時 間 不 當, 光 阻 層 的 厚 度 便 會 受 到 影 響 15

軟 烤 ( 曝 光 前 烘 烤 ) 將 晶 片 上 的 光 阻 層 溶 劑 從 光 阻 裡 去 除, 使 光 阻 由 原 來 的 液 態, 經 軟 烤 之 後, 成 為 固 態 的 薄 膜, 並 使 光 阻 層 對 晶 片 表 面 的 附 著 能 力 加 強 控 制 軟 烤 的 參 數 溫 度 及 時 間 顯 影 因 為 其 步 驟 直 接 與 溶 劑 的 含 量 有 關, 太 高 的 溶 劑 濃 度 將 使 顯 影 劑 對 曝 過 光 的 及 未 曝 過 光 的 光 阻 選 擇 性 降 低, 導 致 圖 形 轉 移 不 良 軟 烤 的 方 式 利 用 烤 箱 的 熱 空 氣 對 流 利 用 紅 外 線 的 輻 射 利 用 熱 電 板 的 熱 傳 導 16

曝 光 微 影 的 製 程 在 經 過 軟 烤 的 程 序 之 後, 原 本 液 態 的 光 阻 劑 便 在 晶 片 上 固 化 半 導 體 3um 以 下 的 製 程, 主 要 是 以 正 片 進 行 圖 案 的 轉 移 光 罩 上 面 的 圖 案, 將 與 光 阻 經 曝 光 及 顯 影 後 在 晶 片 上 所 留 下 的 圖 案 相 同 17

光 罩 光 罩 是 由 平 坦 且 透 明 的 石 英 所 構 成 二 氧 化 鉻 膜 防 止 金 屬 鉻 膜 在 曝 光 時 的 反 射 一 個 產 品 所 需 的 光 罩 數 量, 約 10~18 層 左 右 18

Mask Fabrication Pattern design Optical Proximity effect Correction (OPC) E-beam (or Laser) write Develop and wet etching Pattern check Pellicle mount Cr pattern Pellicle thickness ~ 150 5 mm apart from Cr nm +- 0.5 mm positioning 1x, 10x, 5x, 4x ultra low thermal expansion quartz thickness 0.25 inch flatness < 1 um 19

Mask Defects Yield e DA, wheredis thedefect density anda is theareaof For N continuousmask stepwith thesamedefect density Yield e an ICchip NDA 20

曝 光 技 術 曝 光 分 類 接 觸 式 近 接 式 投 影 式 優 點 : 以 接 觸 式 方 式 這 種 曝 光 機 對 晶 片 執 行 曝 光 時, 光 罩 上 與 晶 片 的 表 面 是 互 相 接 觸 的, 因 此 曝 光 後, 晶 片 上 的 圖 案 將 與 光 照 上 的 圖 案 完 全 相 同, 且 解 析 度 非 常 好 缺 點 接 觸 式 : 因 為 曝 光 時, 光 罩 和 晶 片 接 觸, 光 罩 表 面 隨 曝 光 次 數 增 加 而 沾 上 微 粒, 影 響 後 續 轉 移 圖 案 的 品 質 近 接 式 : 圖 案 轉 移 的 解 析 度 比 接 觸 式 差 21

Exposure Methods Shadowing Printing Contact printing Resolution ~ 1um Dust on mask will damage PR pattern. Mask pattern may be contaminated. Proximity printing A small gap of 10-50 um. Longer mask lifetime. Poorer resolution. R = λ gap 22

Resolution Comparison 23

投 影 式 曝 光 法 投 影 式 曝 光 法 中 光 罩 並 沒 有 與 晶 片 接 觸, 而 是 以 類 似 投 影 機 將 投 影 片 上 的 文 字 或 圖 形, 投 射 到 牆 上 進 行 光 罩 圖 案 的 轉 移 優 點 : 不 會 損 害 光 罩 上 的 圖 案, 且 圖 案 轉 移 的 解 析 度 極 佳 24

重 複 且 步 進 曝 光 法 圖 案 比 例 比 所 要 轉 移 的 圖 案 大, 通 常 有 5 到 10 倍 兩 種 設 計 也 就 是 說, 光 罩 上 面 的 圖 案 是 經 過 放 大 的, 因 此 在 進 行 曝 光 時, 經 過 光 罩 上 的 投 射 光, 將 依 適 當 的 比 例 縮 小 後, 才 照 射 在 部 分 的 晶 片 位 置 上 優 點 光 罩 上 的 圖 案 較 大, 所 以 所 轉 移 的 縮 小 的 圖 案 的 解 析 度, 將 比 傳 統 的 1 比 1 曝 光 方 式 還 來 的 好 對 微 粒 的 容 忍 度 高 25

Exposure Methods - Projection Printing Project an image of the mask pattern onto a resist coated wafer several centimeters away from the mask. 1:1 projection optical system is easier to design. M:1 projection mask is easier to fabricate. Projection method Scan Step-and-repeat Step-and-scan 26

光 源 與 解 析 度 以 光 為 媒 介 來 進 行 光 罩 的 圖 案 轉 移 使 用 汞 弧 燈 管 所 產 生 的 紫 外 線 作 為 曝 光 的 光 源 解 析 度 =R=k 1 λ/na DOF= k 2 λ/(na) 2 0.35um 的 半 導 體 微 影 製 程 中, 常 見 的 光 源 波 長 g line( 光 源 波 長 4360A) i line ( 光 源 波 長 3650A) 新 的 製 程 所 用 的 光 源 波 長 KrF 雷 射 ( 光 源 波 長 2480A 的 深 紫 外 線 ) 27

Evaluation of Technology R = k 1 λ ΝΑ R: minimum resolution λ: wave length NA: numerical aperture k1: process indicator k1 Resolution Wavelength NA 250 220 200 180 150 130 100 KrF 248nm 0.55 0.55 0.49 0.44 0.39 0.33 0.29 0.22 0.6 0.60 0.53 0.48 0.44 0.36 0.31 0.24 0.63 0.64 0.56 0.51 0.46 0.38 0.33 0.25 0.65 0.66 0.58 0.52 0.47 0.39 0.34 0.26 0.68 0.69 0.60 0.55 0.49 0.41 0.36 0.27 0.7 0.71 0.62 0.56 0.51 0.42 0.37 0.28 28

駐 波 使 用 光 作 為 曝 光 步 驟 的 曝 光 來 源, 會 產 生 駐 波 的 現 象 駐 波 : 當 曝 光 進 行 時, 部 份 沒 有 被 光 阻 吸 收 的 光, 將 透 過 光 阻 到 達 晶 片 的 表 面, 且 反 射 與 入 射 的 光 波 將 產 生 建 設 性 及 破 壞 性 的 干 涉 解 決 方 法 是 使 在 光 組 經 過 曝 光 之 後, 在 執 行 顯 影 之 前, 增 加 一 道 光 阻 烘 烤 的 程 序, 稱 為 曝 光 後 烘 烤 這 步 驟 可 使 曝 光 過 的 光 阻 結 構 重 新 排 列, 減 少 駐 波 現 象 的 發 生 29

Reflection Problem 30

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曝 光 條 件 曝 光 的 目 的, 是 使 晶 片 上 的 光 阻 吸 收 適 當 的 能 量 進 行 光 化 轉 換, 如 此, 經 過 顯 影 後 的 光 阻 才 能 正 確 的 轉 移 光 罩 上 面 的 圖 案 到 晶 片 上, 以 便 進 行 後 續 的 製 程 控 制 曝 光 能 量 的 條 件 曝 光 光 源 的 強 度 進 行 曝 光 的 時 間 32

顯 影 經 過 曝 光 的 正 光 阻 將 成 為 一 種 酸, 稱 為 羧 酸 加 鹼 後 會 被 中 和, 而 溶 在 鹼 性 溶 液 裡 NaOH 及 KOH, 便 可 以 作 為 正 光 阻 經 曝 光 後 的 顯 影 液 顯 影 目 的 將 晶 片 表 面 經 曝 光 的 光 阻 層, 藉 由 中 和 反 應 而 清 除 控 制 顯 影 的 條 件 顯 影 時 間 顯 影 劑 的 溫 度 及 時 間 33

顯 影 的 方 式 34

硬 烤 光 阻 經 過 顯 影, 必 須 再 經 過 一 次 烘 烤, 以 將 光 阻 內 殘 留 的 溶 劑 含 量, 藉 由 蒸 發 而 降 到 最 低, 這 個 步 驟 稱 為 硬 烤 硬 烤 - 降 低 光 阻 內 的 溶 劑 含 量, 除 了 可 以 加 強 光 阻 的 附 著 性 外, 對 於 蝕 刻 及 離 子 植 入 的 阻 擋 能 力 的 選 擇 性 增 加 硬 烤 使 用 熱 墊 板 方 式 進 行, 由 操 作 溫 度 及 時 間 決 定 結 果 在 硬 烤 的 溫 度 下, 光 阻 將 軟 化, 而 開 始 產 生 形 變, 這 個 溫 度 稱 為 玻 態 轉 變 溫 度 玻 態 轉 變 溫 度 - 光 阻 類 似 玻 璃 在 高 溫 下 的 溶 融 狀 態, 使 光 阻 的 表 面 因 為 表 面 張 力 而 圓 滑 化, 並 讓 光 阻 表 面 缺 陷 減 少, 藉 此 修 正 光 阻 圖 案 的 邊 緣 輪 廓 35

去 光 阻 去 光 阻 的 方 法 溼 式 去 除 有 機 無 機 乾 式 去 除 (a) 光 阻 薄 膜 矽 晶 片 光 阻 薄 膜 矽 晶 片 光 阻 光 阻 (b) SiO 2 矽 晶 片 +++++ +++++ SiO 2 矽 晶 片 顯 示 兩 種 微 影 之 後 的 主 要 後 續 製 程 步 驟 :(a) 蝕 刻 ; 和 (b) 離 子 植 入 36

溼 式 去 光 阻 有 機 溶 液 對 光 阻 的 去 除 法, 主 要 是 利 用 有 機 溶 液 對 光 阻 進 行 結 構 性 的 破 壞, 使 光 阻 溶 於 有 機 溶 液 裡, 以 達 成 去 光 阻 的 目 的 光 阻 去 除 的 溶 劑 - 丙 酮 芳 香 族 無 機 溶 液 對 光 阻 的 去 除 法, 主 要 是 利 用 C 和 H 等 元 素 構 成 的 化 合 物, 因 此 可 以 使 用 一 些 無 機 溶 液 使 用 雙 氧 水 光 阻 內 的 碳 元 素 氧 化 成 CO 2, 氫 元 素 則 以 硫 酸 施 以 去 水, 如 此 便 可 以 把 光 阻 去 除 37

乾 式 去 光 阻 乾 式 去 光 阻 法 主 要 是 利 用 電 漿 的 方 式 進 行 光 阻 的 剝 除 藉 由 電 漿 內 二 次 電 子 的 激 發, 可 以 在 電 漿 內 獲 得 許 多 不 同 的 帶 電 荷 粒 子 原 子 團 及 分 子 等 粒 子 使 用 充 滿 各 種 氧 粒 子 的 電 漿, 晶 片 上 的 光 阻, 將 被 氧 電 漿 藉 著 反 應 性 的 蝕 刻 而 剝 除, 形 成 氣 態 的 CO 2 H 2 O, 而 被 電 漿 內 的 真 空 系 統 抽 離 此 方 法 主 要 應 用 在 1um 以 下 的 製 程 38

先 進 微 影 技 術 光 源 方 面, 除 了 248nm 的 深 紫 外 線 外, 波 長 更 短 的 193nm DUV 光 源 技 術, 已 進 入 量 產 階 段 照 明 系 統 方 面, 偏 軸 式 照 明 (OAI) 技 術 的 應 用, 也 已 進 入 量 產 階 段 光 罩 方 面, 相 移 式 " 及 光 學 進 階 修 補 " 等 光 罩 的 使 用, 也 出 現 在 VLSI 量 產 的 生 產 上 39

DUV 曝 光 裝 置 -248nm 40

DUV 曝 光 裝 置 -248nm 光 學 微 影 製 程 設 備 的 研 發, 主 要 分 成 光 學 和 非 光 學 DUV 光 學 式 的 曝 光 技 術, 除 了 248nm 的 KrF 外, 即 將 導 入 量 產 的 193nm 的 ArF 及 尚 屬 研 發 階 段 157nm 的 F2 KrF ArF 及 F2, 為 其 激 元 雷 射 的 雷 射 光 源 產 生 器 所 用 的 氣 體 名 稱 光 源 產 生 器, 是 在 充 滿 氣 體 的 光 學 腔 體 內 運 作 的 高 電 壓 脈 衝 放 電, 所 產 生 雷 射 光 的 波 長 與 強 度, 與 所 選 用 的 氣 體 和 雷 射 系 統 的 設 計 相 關 41

OAI 光 孔 光 罩 1st 大 角 度 光 束 +1st 1st θ Oth Oth 投 影 鏡 +1st 來 自 光 源 的 光 束, 在 進 入 光 罩 之 前, 會 先 通 過 一 個 光 孔 光 束 從 該 光 孔 中 央 的 圓 形 孔 隙 通 過, 然 後 射 向 光 罩 DOF 晶 片 面 DOF 晶 片 面 以 圓 環 式 的 設 計, 離 開 光 源 射 往 光 罩 的 光 束, 將 產 生 軸 偏, 以 一 個 入 射 角 度 進 入 光 罩, 故 稱 這 種 曝 光 的 方 式 為 OAI (a) (a) 傳 統 式, 和 (b) 偏 軸 式 的 照 明 系 統 圖 示 (b) (a) (b) (c) (a) 傳 統 式 ;(b) 圓 環 式 OAI, 及 (c) 四 孔 式 OAI 的 光 孔 設 計 圖 裡 空 白 的 部 份, 即 為 讓 光 束 通 過 的 孔 隙 42

光 罩 技 術 -PSM 光 罩 上 由 鉻 膜 所 構 成 的 圖 案, 在 進 行 曝 光 時, 將 反 射 來 自 曝 光 機 光 源 的 入 射 光, 而 讓 光 罩 上 無 鉻 模 的 部 分 得 以 透 光, 然 後 經 曝 光 機 的 透 鏡 系 統 而 投 射 在 晶 片 上 的 光 阻 若 鉻 膜 間 距 太 近, 光 束 在 晶 片 面 上 成 像 的 光 幅 度 分 佈 將 產 生 重 疊, 使 解 析 度 變 差 現 今 的 PSM 技 術, 最 主 要 有 交 替 式 及 減 弱 式 等 兩 種 交 替 式 : 藉 著 原 來 在 鉻 膜 所 構 成 的 光 罩 圖 案 之 間, 增 加 一 層 相 移 層 的 透 光 材 料 膜, 光 線 通 過 光 罩 後, 經 過 有 相 移 層 的 光 束, 其 相 位 將 與 無 經 過 者 產 生 180 的 相 位 差 減 弱 式 : 不 使 用 對 入 射 光 產 生 反 射 的 鉻 膜, 而 是 使 用 對 曝 光 光 束 有 局 部 穿 透 能 力 且 能 使 其 180 轉 向 的 材 料, 來 作 為 構 成 光 罩 圖 案 的 膜 層 43

光 罩 技 術 -PSM 入 射 光 源 晶 片 上 的 光 幅 度 分 佈 光 罩 鉻 層 相 移 層 晶 片 上 的 光 強 度 分 佈 (a) (b) (c) (a) 傳 統 式, 及 採 (b) 交 替 式 PSM, 和 (c) 減 弱 式 PSM 技 術 之 光 罩 和 曝 光 強 度 在 晶 片 上 的 分 佈 44

Optical Proximity Effect (OPE) What is Optical Proximity Effect? Feature distortion (edges of printed or etched features do not conform to those of the designed patterns) incurred in the pattern transfer process. Manifest itself as line-width bias, line-end shortening, corner rounding, etc. Mainly caused by loss of high spatial frequency components in imaging. Non-uniformity in the etch process also contribute to OPE. Corner Rounding Pitch Effect Line-end Shortening 45

光 罩 技 術 -OPC (a) 光 罩 光 阻 受 制 於 角 緣 圓 化 " 的 影 響, 光 罩 上 的 直 角 圖 案, 並 無 法 100% 被 複 製 到 光 阻 上, 而 會 有 被 圓 弧 化 " 的 情 形 (b) 光 罩 光 阻 OPC( 光 學 進 階 修 補 法 ) 用 來 提 升 微 影 製 程 解 像 能 力 的 光 罩 技 術 (a) 傳 統 式, 及 (b) 採 用 OPC 式 的 接 觸 窗 圖 案, 經 曝 光 顯 影 之 後, 在 光 阻 上 所 轉 移 的 圖 案 上 視 圖 46

Optical Proximity Correction (OPC) How to Minimize OPE? Pre-distort the patterns on the mask to minimize OPE. Before OPC After OPC Optical effect After OPC Include PR process On mask On wafer 47

Example of OPC On Focus Defocus Before OPC After OPC On mask SEM pictures 48

未 來 發 展 整 個 微 影 技 術 的 開 發, 主 要 是 集 中 在 曝 光 機 光 罩 光 阻 等 方 向 上 對 於 先 進 微 影 工 程 等 技 術, 主 要 是 集 中 在 實 用 階 段 的 KrF 及 即 將 導 入 的 ArF 兩 種 DUV 技 術 上 除 了 KrF 及 ArF, 使 用 F2 雷 射 光 源, 波 長 為 157nm 的 DUV 曝 光, 是 另 一 種 發 展 中, 且 能 接 替 ArF 的 下 一 世 代 光 學 微 影 技 術 49

E-Beam Lithography Advantages : High resolution~30nm, Large DOF~20-30um, Maskless X-Ray Lithography (XRL) Tool feature Energy ~ 1-10 KeV Wave length ~ 1nm 1:1 proximity exposure Advantages High resolution No reflection Disadvantages X-ray source (Synchrotron source) Mask fabrication 50

Immersion Projection Mask Immersion Fluid Photoresist Wafer 193nm Immersion Pitch 130nm 100nm Dry System Immersion System 90nm lens wafer fluid scanning stage 51