NDL奈米通讯第五卷第四期0.1微米世代的微影解决方法
廖明吉
国家奈米元件实验室
摘要半导体工业由于光学微影技术的精进，导致半导体工业长期持续成长不小，而目前正处于困难边缘。光学微影技术(Optical Lithography)正面临抉择，它多年来持续的改善元件性能、元件积集度并使成本大量降低以后，工业界目前正开始面临它的危机。在美国、日本及欧洲政府、业界及学术界所组成的策略联盟(consortium)已形成，试图努力解决即将到来的危机。这些策略联盟的工作无不寻找能延长光学微影的寿命及开发非光学微影术的制程技术。他们所面临的特殊问题是要确定0.1微米或更小的微影术如何影响半导体工业的经济发展。本文将简单阐述现今光学微影的限制及非光学微影术目前的发展状况。
微影术(Lithography)：微电子工业的基础半导体积体电路近年来发展相当迅速，使得将这样的电路称之为积体电子系统并无不当之处。而这些系统的规模已从LSI扩展成VLSI，再到具有超过一百万单元系统的ULSI。一般预测ULSI系统在21世纪初前将成为电子机械装置及工具系统。而这些发展对世界社会整体而言具有深远的影响，并且说它们创造了今日进步的资讯社会并无夸张之处。
现今影像和文件资料的快快传递已缩小了洲际间的距离，增加了以世界性规模处理先进资料的需求。从硬体的观点来看，无疑地就是IC促成了这些所有的发展。一项经济指标清楚指出我们所生活的时代中，电子工业特别是半导体工业是支持全球GNP的主要支柱之一。
在今日主导的IC制程整合技术之一是微影技术，它真是半导体制造中真正的核心技术。随着DRAM时代的演进，每个新世代DRAM大概只能持续三年左右，每个晶粒(die)的单位成本每年平均缩减百分之二十五到三十。这项大量生产技术及电子工业持续的发展，为我们的时代着实提供了若干令人大开眼界的改良及创新。在半导体工业中，随着每个新世代设计规则(design rule)被缩小了0.6*0.7倍，晶片数目则增加了1.3倍，因此提升了半导体的大量生产性。
从256k DRAM进步到1M DRAM需要设计规则缩小0.6倍，从2.0mm变成1.2mm，而从1M进步到4M需要设计规则缩小0.67倍。因为生产力成本是与所能做缩小的能力平方成比例的，所以从256k DRAM到1M之成本缩减效果是0.36倍，从1M到4M是0.45倍。这项缩小趋势继续使用0.5mm制程来生产16M DRAM的产品，但是到64M DRAM时代，整个步调开始慢下来。从64M DRAM (0.35mm)进步到256M DRAM(0.25mm)在成本降底效应只有0.51倍，意谓着缩小步调与先前趋势比较已慢了百分之二十左右。
当成本减缩速率是所做缩小线宽速度的函数，所以如果一者慢下来另一者也一定会如此。然而，当半导体元件小型化的物理极限趋近时，要发展这项技术是愈发困难。如今半导体业者于是被迫去做投资新的资金于新的设备及能突破新的技术瓶颈的新技术开发。然而，要做这种投资需要加速微影技术发展步调，以补偿所增加的成本。假如这项没做，半导体工业的成长将处于停滞的危机。另一方面，藉由微影技术的小型化及结合增加晶圆尺寸大小（如12吋或16吋）的方法则是很有潜力去达到成本的缩减。
为了解决未来微影的困境，不同国家的数个机构已形成，以驱除世界性半导体工业所将面临的危机。在美国，美国半导体协会(SIA)已制作出整个国家半导体的里程图(Roadmap)，而SEMATECH则主导做主要投资及评估，其目标是加强微影技术远景规划(infrastructure)及发展下一世代的技术。在日本，22家公司一起结合于一个名为ASET (Association of Super-Advanced Electronics Technology)的工业联盟中，它是日本第一个有关电子工业微细工程有关的国家计划。透过这项计划，数个研究实验室一起从事研究以加强整个日本的微影能力。在欧洲，成立MEDEA的策略联盟，它是一个包含政府、工业和学界之间合作的计划，已开始对数个不同微影技术做延伸性的研发。回顾微影发展趋势，我们可知微影技术的改良正促成了制程整合的改进。在不同的微影技术之中，最重要之一是光学微影术，由于它的成本效益，光学微影最适合使用于半导体的量产。即使今日，光学微影术制程和设备的改良仍持续进行，它未来还是半导体工业微影技术中的主流技术。
目前，在0.3mm设计规则的64M DRAM和250MHz胉lass MPU正全面性大量生产。光学微影使用于所有元件的制造和生产试验的经验中，显示它是多么重要和有效的制程。它也将会是发展256M DRAM技术的主流技术，预期它将是未来0.18微米时代的明日之星。无疑地，发展元件的关键要素是光学微影，它能够达到每一世代元件所设定的研发目标。图一显示微影发展趋势。
图一 微影发展趋势
非光学微影状况光学微影为何如此广泛使用，以及是什么使它成为如此有前瞻性的制程？主要是它能用于大量生产、速度快、解析度好、成本低，其它微影制程都比不上它的好处，虽然各有其优点但总体而言光学微影还是很有前景。
目前除了传统光学微影术外，还有电子束(E-beam)微影术、X－光微影术(XRL)、离子投影术(IPL)、极短紫外光(EUV)微影术。
以下分别说明各微影术
1. 电子束微影术电子束曝光技术可得小于0.1微米的解析度，但早期受限于产量低及设备昂贵，电子束微影术无法像光学步进机大量生产晶片，只能用于光罩制作，随着光学曝光波长的限制及曝光设备的复杂化，电子束微影术通常可用来研发下世代产品的开发，加速新产品的开发工作。另一个电子束曝光技术的好处是不须要光罩可结省光罩的成本，未来0.18 或0.15微米以下的深紫外光微影术所用相位转移光罩(PSM)和光学近接效应修正型光罩(OPC)制作愈来愈困难及成本也相当昂贵，电子束或许是一可考虑适用的微影术，但前题是它的速度要能增快。另外最近有一种在投射式电子束步进系统的电子枪(Electron gun)中加装一片光圈光罩(Cell Mask)，也被提出来做为增加产能的方法。此光圈光罩图形包含各记忆体细胞(Memory Cell)，电子束曝光时针对重复性记忆体细胞使用光圈光罩重复进行曝光，再利用可调式电子束(Variable shape beam)连接周边非重复性线路。如此可减少曝光次数，快速完成各层次曝光，提高速度。目前它最广泛使用在前瞻性研发元件上，像闸极(Gate)及接触孔洞(contact hole)的曝光。如果电子束微影适合用于量产上，便需要某种技术突破。另一类型更新的技术是限角度散射投影式电子束微影术(SCALPEL)。这种方法须使用散射式图罩，以高原子序、易散射电子之材料，如钨(W)为散射材料(Scatter)；以低原子序，散射电子少之材料，如氮化矽(SiNx)等为鼓膜，鼓膜之下为矽基材构成之支架。此种概念是把光学步进机的概念并入电子束微影中，而促成大区域的曝光。然而与光罩有关的问题，是排列不齐和结合准确性(Field stitching)则仍待解决。
2. X－光微影术X光微影技术不同于一般微影，在于其使用的光源波长较短(7～13*)。它是用近接式(proximity) 1：1的曝光方式，而非一般微影5：1或4：1的缩小投影式曝光方式。而且同步辐射的X光近乎平行并没有聚焦景深和解析度的问题。X光微影的光源，是由同步辐射光源引出的，经过层层反射镜和滤镜，而所得到的波段(7～13*)。同时，由于一般光罩已无法有效让X光穿透，因此，X光光罩是由极薄（厚度约1～2mm）的特殊材质鼓膜为光罩基板和重金属为X－光的吸收剂。经由X光步进机的控制，光罩上的图形，便以1：1的形式，转换至矽晶片上。因为X光微影术是近接式的曝光，所以曝光的解析度便由光的波长和光罩与矽晶片之间的间距(Gap)来决定。为了达到0.13微米的解析度，10微米或更小的间距是必须。然而X－光微影术最大的问题是它先天的缺陷，不能以缩小投影的方式进行曝光，因此在光罩生产的过程中需要非常高的精确度。换言之，光罩生产的过程中需要高于晶圆曝光过程中的精确度，除此之外必须生产出高品质的光罩。目前X－光微影术所用的光罩尚有些问题未克服，它仍被视为未来世代的技术，
3. 离子投影术离子投影术它在欧洲受到广泛研究是由德国西门子公司所领导，是以离子束进行投影式微影，需利用图罩(Stencil Mask)来遮挡不需要离子束照射的部份。早期图罩的鼓膜（基材）常用氮化硼或氧化铝，吸收材用金。但由于离子入射时会因图罩鼓膜材质而产生严重的散射情形，使得解像度降低。近年来已发展出所谓的通道式图罩，藉由一层单晶矽薄膜作为鼓膜，使射入之离子通过单晶矽通道降低散射角度，所以单晶矽兼具支撑吸收材料之鼓膜与作为离子通道之双重作用。但目前这种制程也有问题待解决，像是图罩本身所产生的热效应，常需加冷却环或其它冷却装置，但其聚焦深度很大可大于10微米而且每次曝光的面积很大，故速度快故产能每小时可达60片以上（8 吋，视图案复杂性），目前解析度约在80nm。
4. 极短紫外光(EUV)微影术极短紫外光微影术(EUVL)主要在1996年由美国Intel公司主导和美国三个国家实验室，包括Lawrence Livermore、Sandia、Lawrence Berkeley实验室共同开发，1997年Motorola和AMD加入并成一个公司，并由各公司指派工程师到各国家实验室，而美国SVGL及USAL设备公司也同意开发EUV的步进机。它是利用雷射通入Xe气体来产生电浆所放出的光，波长大约是13nm，比现有深紫外光KrF248mm和ArF Y193mm更先进波长还短，它整个曝光要在真空中进行，所有的镜片都是反射式的镜片，而光罩和传统的光学并不相同，其基底是由沈积多层Mo和Si所形成并且其缺陷的大小至少是30nm等级，且其表面要非常平坦。光阻目前还未发展可利用表面成像(TSI)进行图形曝光验证。预计2002年将有Beta Site的设备，2004年有可供量产的设备目标是0.07微米，目前最大的难题是如何能找到完全无缺陷(defect-free)的及平坦度相当好的光罩基底(Mask Blank)，并发展出可检测及修补光罩的方法及设备。
因此，由以上可得知除了光学微影术还有其它许多微影术受到广泛研究，但是它们目前并没有能超越光学微影成为实用制程，但不管那种新技术能成功，关键还是能否对现有半导体工业有帮助，那才是最重要的。
光学微影术的现状目前工业界主要使用深紫外光准分子激发态雷射晶圆步进机(KrF 248nm Excimer Laser Stepper)进行0.25微米元件制程目前已进入量产阶段。另由于透镜品质的改良、光罩及晶圆平台技术的精进及高数值孔径(Number Aperture)，所改进出的KrF 248nm扫描步进机(scanner)将可进行0.18微米世代的量产及0.15或0.13微米世代的研发。但毕竟波长总有其物理极限及光罩制作的困难度也愈来愈高，唯有加速ArF 193nm微影技术的成熟，才能使元件尺寸的缩小持续进行。
虽然ArF 193nm准分子雷射在光学微影中可期待有好的解析度，但它应用在0.13微米的元件中尚未被实地验证过，都只是一般图形曝光，主要是适合量产的步进机尚未研发出来，进度整个延缓。目前只有MIT-Lincoln Lab有部SVGL ArF 193nm扫描式全景宽步进机且具有对准能力能制作出元件，其它都是ISI公司的步进机并没有对准能力，只能对光阻做测试并没有元件制作的能力。而ASML将于1998年底推出量出型的ArF 193nm全景宽微影步进扫描机台，藉时微影的技术将从0.18微米扩展到0.15微米甚至0.13微米的世代。
目前ArF 193nm微影制程可分为单层光阻及双层光阻的制程，单层光阻就是延续传统i-line和KrF 248nm曝光模式，但目前由于光阻对电浆蚀刻的抵挡能力不同，所以各家光阻公司并未标准化，目前若未使用任何超解像技术如相位移转移光罩(PSM)可达0.13微米，若使用PSM可达0.1微米或更小。另一种是双层光阻主要是日本Shin-Etsu和美国Olin光阻公司，日本Shin-Etsu主要是主链含矽而美国Olin是支链含矽，两种光阻设计理念不同但目的是一样，在晶圆先涂上一层Novolac类光阻再上此含矽光阻，通常此类光阻厚度比正常光阻还薄，经由曝光在上层的光阻解析完后，藉由氧气的电浆蚀刻可把下层光阻给蚀刻形成我们要的图形。目前双层光阻最大的问题除了干式蚀刻的问题，另外光阻的保存期限及稳定度也是光阻公司必须解决的问题。
除了上述所提出两种曝光方式，另外表面成像微影技术(TSI)也是相当有潜力，此种制程技术是以矽化剂(silylation reagent)对光阻有选择性的扩散来定义图案，此种phenolic高分子在曝光于ArF 193nm的光源会产生交链行为(crosslinking)，接着在矽化的过程中含矽分子会扩散到未发生交链的未曝光区，最后以干式显影，即以氧气电浆对于含矽与不含矽区域的蚀刻速率不同，而得到图形。表面成像搭配光阻矽化技术可解决ArF 193nm微影中景深太浅的问题及降低k1值提高解析度。今年日本ASET组织利用此方法实际在1微米厚的氧化层使用TSI方法制作出0.09微米的孔洞，并成功进行蚀刻得到高宽比是12的图形，而且有很大的制程范围(process margin)，大约有±10%曝光宽容度，甚至改善线边缘的粗糙程度(Line edge roughness)，也可得0.04微米单一线和0.06微米沟渠(trench)。ASET的结果可说明ArF 193nm的微影术是能应用在多代元件的制程。不管如何，ArF 193nm微影术将是继KrF 248nm微影术在21世纪出成为半导体公司主流的生产技术。
未来微影发展策略所有半导体公司目前都努力在光学微影术的研究发展，试着把KrF 248nm发挥到它的极限，像韩国三星公司利用它制作0.15微米线宽的4 Gb DRAM，它结合OPC和PSM光罩可在重要的层得到0.15微米的解析度及0.6微米的聚焦景深(DOF)，而可应用在4 Gb DRAM生产的技术。另外也极积进行ArF 193nm微影的研究，希望能使微影制程从DUV的阶段往前到VUV (vacuum ultra-violet)的阶段。当未来技术进入VUV或EUV微影阶段时，则此二种技术将能和X光微影术、电子束微影术相抗衡。VUV将在2003年成为大量生产的技术，EUV差不多在2006年。但是考虑到技术的困难度和技术的连贯性并注意成本效应，未来将必须进行各种技术的Mix-and-Match研究。而VUV和EUV微影术所面临的技术问题，将不比以前所碰到的问题容易解决，所以必须提早研究以累积经验及知道相关know-how。
另外从光源波长的技术层面来看，雷射的技术在过去25年来已快速进步，现在可产生非常低的脉冲能量及最大的输出功率。目前在工业上使用的雷射，除了KrF和ArF 雷射以外已有具激发放电的F2准分子雷射波长为157nm，但没有关于Ar2雷射波长126nm的相关报导。对于更短的波长，如极短紫外光(EUV)、X光雷射、和波长是20.6和21nm的雷射以前都报导过，目前的研究重点则集中在ArF 193nm雷射。在VUV微影技术中它的波长范围是105到190nm，但它目前还不能被实际使用，主要是找不到适合的光学玻璃材料，自然地也没有实际的例子，但美国MIT-Lincoln Lab曾报导，自行组装一个实验型的小景宽步进机，利用氟化钙当镜片和光罩使用表面成像的方法得到70nm的线宽，这是目前唯一的报导。但考虑VUV世代它的制程整合能力，它还有许多技术问题要克服，如高功率的光源、高准确性光学系统及高精密的机械系统。
当我们考虑未来的微影技术，我想ArF 193nm微影术当然是不二人选，从它现在的技术发展可预知，0.13微米的线宽应该是完全可以的。但是，到底要如何才能达到0.1微米或更小的阶段呢？虽然日本ASET曾报导ArF 193nm微影术使用0.6NA的步进机可达到，但必须了解到，解析度的极限和各种微影有关的技巧及和波长有关。目前除了继续扩展ArF 193nm微影技术的使用期限，也需要研发下一代的技术能和ArF 193nm微影术连贯，目前有很多技术已在发展（先前已提过如X光微影术、电子束微影术、SCALPEL和离子投影术）。另外F2 157nm，Ar2 126nm及其它相关的雷射技术EUV 13nm都是很有潜力的微影技术。在2006年世界半导体产业将进入0.1微米元件的世代，到达如此大小图形最关键的因素，在于微影技术要如何进步，不管你要把现有的KrF和ArF持续扩张或延伸，使光学微影寿命能持续下去或使用非光学微影术进行曝光，如此巨大的工程已不是一个国家或一个机构所能完成，已须要成立跨国性的组织结合政府、工业界、学术界的力量共同来解决即将所要面临的微影技术问题。
结论在了解目前的微影发展趋势以后，不禁让我们要思考多小的线宽是我们能做得到，但对元件的发展是不是已经到它的物理极限了。目前只有加速ArF 193nm微影术的研究发展，让它尽快能成为量产的技术之外，我们也必须有我们的技术远景规划，什么时候引进非光学微影方法，并和现有光学微影系统做匹配，都是我们未来半导体业界急待面临的挑战。
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