半導體製程技術 Introduction to Semiconductor Process Technology 許正興 國立聯合大學電機工程學系 Introduction to fabricated Integrated Circuits Semiconductor Material and Device Oxidation and Diffusion Lithographic technology Ion Implementation Etch Technology Thin Film Technology CMP Technology Process Integration CMOS Process 微影技術的要項 高解析度 高感光度 精確的對準性 精確的製程參數控制 低的缺陷密度 光阻 感光材料 暫時塗佈在晶圓上 將設計的圖案經由曝光轉印到晶圓表面 和照相機的底片的感光材料相似 正負光阻的比較 負光阻 正光阻 曝光後不可溶解 曝光後不可溶解 顯影之後，未曝光的部 分被顯影劑溶解. 顯影之後，曝光的部分 被顯影劑溶解 較便宜 解析度較好 正負光阻的圖案化製程 光阻 基片 紫外線 光罩/倍縮光罩 光阻 基片 曝光 負光阻 基片 正光阻 基片 顯影後 光阻化學 始於印刷電路技術 1950年代後為半導體工業採用 圖案化製程的關鍵 分為正、負光阻兩種 光阻的基本成分 聚合體 溶劑 感光劑 添加劑 聚合體 有機固態材料 將設計圖案轉移到晶圓表面 藉由紫外線曝光時的光化學反應改變溶解度 正光阻: 從不可溶到可溶 負光阻: 從可溶到不可溶 溶劑 溶解聚合體成液體 稀釋光阻以便利用旋轉的方式形成薄膜層 感光劑 控制 並/或 調整光阻在曝光過程的光化學反應. 決定曝光時間和強度 負光阻 大部分的負光阻是聚異戊二烯(polyisoprene) 光阻曝光後變成交連聚合體 交連聚合體有較高的化學蝕刻阻抗力. 未曝光的部分在顯影劑中將被溶解. 光罩 負光阻 曝光 顯影 負光阻 缺點 聚合體吸收顯影劑 由於光阻的膨脹(swelling) 使的解析力不好 由於主要溶劑是二甲苯(xylene)引起環安的爭點. 正光阻 曝光的部分溶解於顯影劑 正光阻的圖像和光罩上的圖像相同 解析力較高 通常在IC 生產工廠使用 主要是酚醛樹脂 醋酸鹽類的溶劑 感光劑是一種溶解抑制劑，會交連在樹脂中 曝光過程的光能會分解感光劑並破壞交連結構 使曝光的樹脂變的能夠溶解在液態的基底溶液(顯影劑) 光阻的比較 負光阻 薄膜 正光阻 基片 基片 薄膜 光阻的要項 高解析力 光阻越薄，解析力越高 光阻越薄，對抗蝕刻和離子佈植能力也越 抗蝕刻能力高 好的附著力 製程的自由度較大 對於製程條件改變的容忍度也越大(製程較穩定) 光阻的物理性質 光阻必須承受的製程條件 ‧ 塗佈, 旋轉, 烘烤, 顯影. ‧ 蝕刻阻抗 ‧ 遮蔽離子佈植製程 光阻效能的因素 解析力 附著力 曝光速率, 感光力和曝光光源 製程自由度 針孔 粒子和污染物的等級 階梯覆蓋(Step Coverage) 熱流量(Thermal Flow) 解析度的性能 在光阻層可以產生的最小開口或空間. 與曝光源和顯影過程等特別製程相關. 光阻薄膜越薄，解析度越高. 對抗蝕刻、離子佈質的遮蔽和無針孔則需要較厚的光阻薄膜 正光阻因為聚合體的尺寸較小，所以有較好的解析力. 參數 負光阻 正光阻 聚合物 聚異戊二烯 酚醛樹脂 光反應 聚合反應 光溶解化作用 感光劑 添加劑 提供有助於交連橡 膠分子的自由基 染料 使曝光的樹脂 變的能溶解基 底溶液 染料 微影製程的基本步驟 光阻塗佈 對準和曝光 顯影 基本步驟-- 舊技術 晶圓清洗 脫水烘烤 底漆層的旋轉塗佈與光阻 軟烘烤 對準和曝光 顯影 圖案檢視 硬烘烤 光阻塗佈 顯影 基本步驟-- 先進技術 軌道-步進 機整合系 統 晶圓清洗 預烤和底漆層塗佈 光阻旋轉塗佈 軟烘烤 對準和曝光 曝光後烘烤 顯影 硬烘烤 圖案檢查 光阻塗佈 顯影 微影製程的流程圖 先前的 製程 表面預處理 清洗 硬烘烤 光阻塗佈 軟烘烤 顯影 曝光後烘烤 對準及曝 光 晶圓軌道系統 光學單元 剝除 光阻 退回 檢視 光學區間 驗過 蝕刻 離子佈 植 晶圓清洗 匣極氧化層 多晶矽 STI USG P型井區 預烤與底漆層蒸氣塗佈 底漆層，附著層 多晶矽 STI USG P型井區 光阻塗佈 底漆層，附著層 光阻 多晶矽 STI USG P型井區 軟烘烤 光阻 多晶矽 STI USG P型井區 對準和曝光 光阻 多晶矽 STI USG P型井區 匣極光罩 對準和曝光 光阻 多晶矽 STI USG P型井區 匣極光罩 曝光後烘烤 光阻 多晶矽 STI USG P型井區 顯影 光阻 多晶矽 STI USG P型井區 硬烘烤 光阻 多晶矽 STI USG P型井區 圖案檢視 光阻 多晶矽 STI USG P型井區 光阻自旋塗佈機 y 讓光阻散佈在自旋的晶圓表面 y 晶圓放在一個帶有真空吸盤的轉軸上 y 慢轉速 ~ 500 rpm y 升高到 ~ 3000 - 7000 rpm 從晶圓軌道系統的機械臂的自動晶圓裝載系統 真空吸盤吸住晶圓 阻擋污染物和排放端 排放氣體的特徵 可控制的自旋馬達 輸配和輸配幫浦 邊緣小珠的移除 光阻自旋塗佈機 光阻 晶圓 邊緣球狀 物移除法 水套管 吸盤 排放端 排氣 真空系統 軟烘烤 使光阻中的溶劑大部分被汽化驅逐 溶劑使光阻易形成薄膜，但是也會吸收輻射影像附著力 軟烘烤的時間和溫度以矩陣計算來決定 過度烘烤: 過早的聚合作用，曝光度不靈敏 烘烤不足: 影像附著力和曝光不靈敏 加熱平板 對流烤箱 紅外線烤箱 微波烤箱 烘烤系統 晶圓 加熱器 微波源 熱氮氣 光阻 吸盤 晶圓 真空 晶圓 真空 加熱器 加熱平板 對流烤箱 微波烤箱 對準和曝光 IC製造中最關鍵的製程 IC生產工廠中最昂貴的工具(步進機) 最具挑戰性的技術 決定圖案上的最小尺寸 目前的 0.18 mm 將向 0.13 mm推進 對準和曝光的工具 接觸式印像機 鄰接式印像機 投影式印像機 步進機 接觸式印像機 最簡單的設備 在1970年代中期以前使用 解析力: 可達到次微米 與晶圓光罩直接接觸，限制了光罩的壽命 粒子 光源 透鏡 光罩 光阻 晶圓 鄰接式印像機 光罩距晶圓表面約~ 10 mm 沒有直接的接觸 光罩的壽命較長 解析力: > 3 mm 光源 透鏡 光罩 光阻 ~10 mm 晶圓 投影式印像機 操作就像投影機一樣 光罩 對晶圓 , 1:1 解析力大約 1 mm 光源 透鏡 光阻 晶圓 投影式曝光系統 光源 透鏡 光罩 光阻 晶圓 掃描投影式曝光系統 狹縫 光源 透鏡 光罩 光罩與晶圓同 步移動 透鏡 光阻 晶圓 步進機 在先進的IC生產工廠中最流行的微影製程工具 波長越短圖案化的解析度越好 最小圖形尺寸0.25 mm以下 非常昂貴 步進式曝光系統 光源 投影透鏡 倍縮光罩 投影透鏡 晶圓 晶圓平台 步進式對準及曝光系統的示意圖 光源 參考記號 對準雷射 倍縮光 罩平台 倍縮光罩 投影透鏡 干涉雷射 Y X 干涉儀鏡面組 晶圓 晶圓平台 曝光光源 短波長 高強度 穩定 高壓水銀燈管 準分子雷射 水銀燈的光譜 強度 (a.u) I-線 (365) G-線 (436) H-線 (405) 深紫外線 (<260) 300 400 波長 (nm) 500 600 微影技術的光源 名稱 波長 (nm) 所應用的圖形尺寸 範圍 (µm) G-線 436 0.50 H-線 405 I-線 365 0.35 ~ 0.25 準分子雷射 XeF XeCl KrF (DUV) 351 308 248 0.25 ~ 0.15 氟雷射 ArF F2 193 157 0.18 ~ 0.13 0.13 ~ 0.1 水銀燈 曝光控制 曝光取決於光的強度和曝光的時間 和照相機的曝光相似 強度由電力控制 光強度可調整 經常定期性的校正光線的強度 駐波效應 入射光和反射光產生干涉 光阻層產生週期性過度曝光和曝光不足的條紋狀結構 影響微影技術的解析度 建設性干涉 破壞性干涉, 曝光不足 平均強度 ,曝光過度 光強度 基片的表面 光阻的表面 l/nPR 駐波在光阻上的效應 l/nPR 光阻 基片 過度曝光 曝光不足 曝光後的烘烤(PEB) 光阻玻璃型過渡溫度Tg 烘烤溫度要比Tg高 提供熱能使光阻分子產生熱運動 將過度曝光和曝光不足的光阻分子重新排列 平均駐波的效應 平滑光阻的側避和增加解析度 對深紫外線製程所使用的化學增強型光阻,曝光後的烘烤 提供酸擴散和增強時所需的熱量. 在曝光後的烘烤製程之後, 由於酸的增強作用而產生顯 著的化學變化，因此曝光區域的圖像就會呈現在光阻上 曝光後的烘烤(PEB) 曝光後的烘烤經常使用溫度在範圍110 到 130 °C的加熱平板 烘烤約一分鐘. 對於相同種類的光阻，曝光後的烘烤經常比軟烘烤所需的烘 烤溫度來的高. 曝光後的烘烤不足將無法完全消除駐波的圖案, 過度的烘烤則會造成光阻的聚合作用且影響光阻顯影的製程 曝光後烘烤可減少駐波效應 光阻 基片 顯影 顯影劑溶解光阻軟化的部分 從光罩或倍縮光罩轉移圖像 三個基本步驟: 顯影 洗滌 乾燥 顯影 洗滌 旋乾 顯影劑 正光阻通常使用弱鹼溶液 最常使用的一種是氫氧化四甲基氨 【tetramethyl ammonium hydride,TMAH, (CH3)4NOH】 光罩 光阻 光阻 薄膜 基片 光阻塗佈 薄膜 基片 曝光 光阻 光阻 薄膜 基片 蝕刻 薄膜 基片 顯影 不同顯影步驟所造成的光阻輪廓 光阻 光阻 基片 基片 正常顯影 不完全顯影 光阻 光阻 基片 顯影不足 基片 過度顯影 顯影溶液 正光阻 負光阻 顯影劑 氫氧化四甲基氨 二甲苯 洗滌液 超純水 乙酸丁酯 超純水 顯影液 晶圓 水套管 吸盤 排放端 自旋顯影系統示意圖 真空 硬烘烤 將所有在光阻中的溶劑蒸發去除 改進光阻蝕刻和離子佈植的抵抗力 改進光阻表面的附著力 聚合作用和穩定光阻 光阻流動填滿針孔 藉熱流填滿光阻的針孔 針孔 光阻 基片 光阻 基片 硬烘烤 通常使用的方法是加熱平板 經檢視後在烤箱中進行 硬烘烤的溫度: 100 到 130 °C 烘烤時間約 1 到 2 分鐘 對相同的光阻，硬烘烤溫度通常會比軟烘烤的溫度還要高些 烘烤不足 不足的熱聚合作用 光阻蝕刻速率高 附著力差 過度烘烤 流動過度而影響到微影技術製程的解析度 光阻流動 光阻流動過度而影響到微影技術製程的解析度. 光阻 光阻 基片 正常烘烤 基片 過度烘烤 圖案檢視 無法通過圖案檢視，則需要剝除光阻送回重做 光阻上圖案是暫時性的 蝕刻和離子佈植的圖案式永久的. 微影製程是可以重做的 蝕刻或離子佈植之後就不能重做了. 掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope ；SEM) 光學顯微鏡 重疊 或 對準 插出, 插入, 倍縮光罩旋轉, 晶圓旋轉,x方向的錯置以及y 方向的錯置 關鍵尺寸 (CD) 表面不合規格的事務，像是括痕、針孔、瑕疵、污染物等. 對準失誤的例子 插出 插入 θ 倍縮光罩旋轉 及晶圓旋轉 X方向的錯置 Y方向的錯置 關鍵尺寸(CD) 光阻 基片 好的 CD 光阻 基片 CD損失 光阻 基片 傾斜的邊緣 未來的趨勢 較小的圖案尺寸 較高的解析力 用較短的波長曝光 相位移光罩 光學的微影技術系統 光學 光繞射 解析度 景深 (DOF) 繞射 基本的光學性質 光本身是一種波 波繞射 繞射影響解析度 沒有透鏡的光繞射 繞射光 投影光的強度 減少光的繞射 光的波長越短產生的繞射越少 光學透鏡可以將繞射光線聚焦增強影像 光罩 經過透鏡的光繞射 漫射的折射光 透鏡 由透鏡收集 的繞射光 D 光罩 ro 由透鏡聚焦後得 到較少的繞射光 理想的光 強度圖案 數值孔徑(NA) NA 是透鏡收集繞射光的能力 NA = 2 r0 / D r0 : 透鏡的半徑 D = 透鏡到物體的距離 透鏡有較大的NA可以捕捉到更高階(high-order)的繞 射光線並取得較清晰的影像. 解析度 可重複達到的最小圖形尺寸 受光波波長和系統的數值孔徑決定. 解析度可以描述成： K1λ R= NA K1是系統常數, l 是光波的波長, 數值孔徑NA = 2 ro/D, NA: 透鏡收集繞射光線的能力 改善解析度 增加數值孔徑 較大的透鏡，造價昂貴且不實際 減少景深並且建構困難 波長縮短 需要發展光源, 光阻和設備 波長縮短的限制 紫外線到深紫外線, 到極紫外線, 進而到X光 減少 K1 相位移光罩 電磁波的波長和頻率 可見光 RF 4 6 4 10 8 10 10 2 10 10 10 0 10 12 10 -2 10 UV IR MW 14 10 -4 10 16 10 -6 10 X-ray 18 10 -8 10 g-ray 20 10 -10 10 10 -12 10 RF: 射頻頻率; MW: 微波; IR: 紅外線; 及 UV: 紫外線 f (Hz) l (公尺) 景深 係指一個範圍，指光在透鏡的焦距內，投射影像可以 達到好的解析度的範圍 景深可以描述成: K2 λ DOF = 2 ( NA ) 2 聚焦 景深 較小的數值孔徑，較大的景深 用完即丟的照相機鏡頭都非常小 幾乎所有的東西都在焦距內 解析度差 改善解析度的方式傾向於較短的波長而不是增加數值孔徑 高解析度, 景深就會變小 焦距的中心正好放在光阻的中間部位 表面平坦化的需求 高解析度的需求 較短的波長 l 較大的數值孔徑(NA). 同時景深減少 晶圓表面必須高度的平坦化. 化學機械研磨可以達到0.25 mm或更小幾何圖案所要 求的表面平坦化的效果 I-光線 和深紫外線 水銀 I-光線, 365 nm 一般使用在0.35 mm 的微影製程 深紫外線 KrF 準分子雷射, 248 nm 0.25 mm, 0.18 mm 和 0.13 mm 微影技術 ArF準分子雷射,193 nm 應用: < 0.13 mm F2準分子雷射157 nm 仍在研發中, < 0.10 mm 應用 當波長為180 nm或更短時， SiO2 會強力吸收紫外線 矽光學透徑和光罩不能使用 157 nm F2 雷射 光微影技術 含低OH濃度的熔合二氧化矽、摻雜氟的二氧化矽以及氟化鈣 (CaF2) 使用相位移光罩, 即使0.035 mm都有可能 更多技術延遲來自於下一世代微影技術的開發 下一世代的微影技術(NGL) 極紫外線 (EUV) 微影技術 X-光微影技術 電子束 (E-beam)微影技術 未來的趨勢 光微影技術 1.6 1.4 圖形尺寸 (mm) 1.5 1.2 或許是光微 影技術 1.0 1 下一世代的微 影技術 0.8 0.8 0.5 0.6 0.35 0.4 0.25 0.2 0.18 0.13 0.10 0.07 0 84 88 90 93 95 98 年代 01 04 07 10 14 相位移光罩 薄膜 鉻膜圖案 相位移塗佈層 d nf 石英基板 d(nf − 1) = l/2 nf : 相位移塗佈的繞射指標 相位移光罩 薄膜 鉻膜圖案 相位移塗佈層 d ng 石英基板 d(ng − 1) = l/2 ng: 石英基板的繞射指標 一般光罩與相位移光罩的微影製程技術 一般光罩 相位移光罩 建設性干涉 相位移塗佈層 光的總強度 光的總強度 破壞性干涉 光阻 基片 光阻 基片 最終的圖案 最終的圖案 光阻 基片 設計的圖案 光阻 基片 設計的圖案 未來的趨勢 更短的波長 193 nm 157 nm 當波長為180 nm或更短時，矽玻璃會強力吸收紫外 線 CaF2 光學系統 下一世代的微影技術 (NGL) 極紫外線(Extreme UV, EVU) 電子束 X-光