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Chap6

微 影

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IC Fabrication

e-Beam or Photo

EDA PR Chip

Photolithography

Ion ImplantMask or Reticle Etch

EDA: Electronic Design Automation

PR: Photoresist

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IC Processing FlowMaterials

IC Design

Masks

IC Fab

Test

Packaging

Final Test

Thermal Processes

Photo-lithography

Etch PR strip

Implant PR strip

Metallization CMP Dielectric deposition

Wafers

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Introduction光阻

塗底

光阻塗蓋

軟烤

曝光

顯影

硬烤

去光阻溼式

乾式

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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

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Lithography TechnologyStrategy

photolithography - source, lens, resistelectron-beam lithography - throughput, mask, costx-ray lithography - source, mask, resist, cost ion-beam lithography - throughput, mask, cost

Printing methodcontact printing - defect, lifetime, resolutionproximity printing - defect, lifetime, resolutionprojection printingstep and repeat - 10x, 5x, 4x, . . . .scanning - wafer-scan, raster scan, stripe-scan, step-scan

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Pattern TransferAdhesion promoter

HMDS (hexa-methylene-di-siloxane) spin-coating or vapor depositionPhoto Resist (PR) spin-coating

3000-6000 RPM for 1 um thick PRWith or without anti-reflecting layer

Soft bake90-120°C for 60-120 sec.

ExposurePost exposure bake (PEB)

~100°C for 10 min.PR DevelopHard baking

100-180°C for 10-30 min.Etching & PR striping

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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

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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。

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Photo-Resist

Positive PRPhoto-sensitive compound, base resin, organic solvent.Photo-sensitive compound absorbs radiation to change its chemical structure.

Negative PRPolymers and photo-sensitive compoundPhoto-sensitive compound absorbs the optical energy and converts it into chemical energy to initiate a polymer linking reaction.

1

1

ln : ratioContrast −

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛≡

EETγ

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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）

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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。

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PR CoatingPre-baking plateAdhesion promoter vapor deposition or spin coaterPR spin coater (close cup)

3000-6000 RPM for 1umwith edge bead remove

Soft baking plateExposurePot exposure baking (PEB) plateDevelop spinnerHard bake plate

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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，也受旋轉器的轉動速度的影響。

→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。

w1

∝光阻厚度

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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。

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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

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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。

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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

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Mask FabricationPattern designOptical Proximity effect Correction (OPC)E-beam (or Laser) writeDevelop and wet etchingPattern checkPellicle mount

Cr pattern

thickness ~ 150 nm

1x, 10x, 5x, 4x

Pellicle

5 mm apart from Cr

+- 0.5 mm positioning

ultra low thermal expansion quartz

thickness 0.25 inch

flatness < 1 um

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Mask Defects

NDA

DA

eYieldeYield

−

−

≅

≅

density defect same with thestepmask continuous NFor chip ICan of area theisA anddensity defect theis D where,

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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

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Exposure Methods–Shadowing Printing

Contact printingResolution ~ 1umDust on mask will damage PR pattern.Mask pattern may be contaminated.

Proximity printingA small gap of 10-50 um.Longer mask lifetime.Poorer resolution.

gapR ×= λ

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Resolution Comparison

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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。

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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。

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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 methodScanStep-and-repeatStep-and-scan

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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＝k1×λ/NADOF= k2×λ/(NA)20.35um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）

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Evaluation of Technology

R = k 1 λΝΑ

R: minimum resolutionλ: wave lengthNA: numerical aperturek1: process indicator

k1 ResolutionWavelength 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

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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。

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Reflection Problem

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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

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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

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顯影的方式

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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

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去光阻去光阻的方法

溼式去除有機

無機

乾式去除 (a)

(b)矽晶片

光阻

薄膜

矽晶片

光阻

薄膜

矽晶片

光阻

SiO2

光阻

SiO2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

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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CO2，氫元素則以硫酸施以去水，如此便可以把光阻去除

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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CO2、H2O，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

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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。

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DUV曝光裝置－248nm

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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。

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OAI

(a) (b)

光罩大角度光束

投影鏡

+1st−1st+1st−1st θOthOth

晶片面 晶片面

DO

F

DO

F

光 孔

(a) 傳統式，和 (b) 偏軸式的照明系統圖示

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。

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) (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。

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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

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光罩技術－PSM入射光源

相移層鉻層

光罩

晶片上的

光幅度分佈

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。

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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.

Line-endShortening

PitchEffect

CornerRounding

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光罩技術－OPC

光罩 光阻

光罩 光阻

(a)

(b)

(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。

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。

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。

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Optical Proximity Correction (OPC)

How to Minimize OPE ?Pre-distort the patterns on the mask to minimize OPE.

On wafer

On mask

Before OPC After OPCOptical effect

After OPCInclude PR process

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Example of OPC

Before OPC

After OPC

On Focus Defocus

SEM pictures

On mask

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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。

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E-Beam LithographyAdvantages : High resolution~30nm, Large DOF~20-30um, Maskless

X-Ray Lithography (XRL)

Tool featureEnergy ~ 1-10 KeVWave length ~ 1nm1:1 proximity exposure

AdvantagesHigh resolutionNo reflection

DisadvantagesX-ray source (Synchrotron source)Mask fabrication

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Immersion ProjectionMask

Photoresist

Wafer

Dry System ImmersionSystem

ImmersionFluid

wafer

scanning stage

fluid

lens

Pitch130nm

100nm

90nm

193nm Immersion