NDL奈米通訊第五卷第四期0.1微米世代的微影解決方法
廖明吉
國家奈米元件實驗室
摘要半導體工業由於光學微影技術的精進，導致半導體工業長期持續成長不小，而目前正處於困難邊緣。光學微影技術(Optical Lithography)正面臨抉擇，它多年來持續的改善元件性能、元件積集度並使成本大量降低以後，工業界目前正開始面臨它的危機。在美國、日本及歐洲政府、業界及學術界所組成的策略聯盟(consortium)已形成，試圖努力解決即將到來的危機。這些策略聯盟的工作無不尋找能延長光學微影的壽命及開發非光學微影術的製程技術。他們所面臨的特殊問題是要確定0.1微米或更小的微影術如何影響半導體工業的經濟發展。本文將簡單闡述現今光學微影的限制及非光學微影術目前的發展狀況。
微影術(Lithography)：微電子工業的基礎半導體積體電路近年來發展相當迅速，使得將這樣的電路稱之為積體電子系統並無不當之處。而這些系統的規模已從LSI擴展成VLSI，再到具有超過一百萬單元系統的ULSI。一般預測ULSI系統在21世紀初前將成為電子機械裝置及工具系統。而這些發展對世界社會整體而言具有深遠的影響，並且說它們創造了今日進步的資訊社會並無誇張之處。
現今影像和文件資料的快快傳遞已縮小了洲際間的距離，增加了以世界性規模處理先進資料的需求。從硬體的觀點來看，無疑地就是IC促成了這些所有的發展。一項經濟指標清楚指出我們所生活的時代中，電子工業特別是半導體工業是支持全球GNP的主要支柱之一。
在今日主導的IC製程整合技術之一是微影技術，它真是半導體製造中真正的核心技術。隨著DRAM時代的演進，每個新世代DRAM大概只能持續三年左右，每個晶粒(die)的單位成本每年平均縮減百分之二十五到三十。這項大量生產技術及電子工業持續的發展，為我們的時代著實提供了若干令人大開眼界的改良及創新。在半導體工業中，隨著每個新世代設計規則(design rule)被縮小了0.6*0.7倍，晶片數目則增加了1.3倍，因此提升了半導體的大量生產性。
從256k DRAM進步到1M DRAM需要設計規則縮小0.6倍，從2.0mm變成1.2mm，而從1M進步到4M需要設計規則縮小0.67倍。因為生產力成本是與所能做縮小的能力平方成比例的，所以從256k DRAM到1M之成本縮減效果是0.36倍，從1M到4M是0.45倍。這項縮小趨勢繼續使用0.5mm製程來生產16M DRAM的產品，但是到64M DRAM時代，整個步調開始慢下來。從64M DRAM (0.35mm)進步到256M DRAM(0.25mm)在成本降底效應只有0.51倍，意謂著縮小步調與先前趨勢比較已慢了百分之二十左右。
當成本減縮速率是所做縮小線寬速度的函數，所以如果一者慢下來另一者也一定會如此。然而，當半導體元件小型化的物理極限趨近時，要發展這項技術是愈發困難。如今半導體業者於是被迫去做投資新的資金於新的設備及能突破新的技術瓶頸的新技術開發。然而，要做這種投資需要加速微影技術發展步調，以補償所增加的成本。假如這項沒做，半導體工業的成長將處於停滯的危機。另一方面，藉由微影技術的小型化及結合增加晶圓尺寸大小（如12吋或16吋）的方法則是很有潛力去達到成本的縮減。
為了解決未來微影的困境，不同國家的數個機構已形成，以驅除世界性半導體工業所將面臨的危機。在美國，美國半導體協會(SIA)已製作出整個國家半導體的里程圖(Roadmap)，而SEMATECH則主導做主要投資及評估，其目標是加強微影技術遠景規劃(infrastructure)及發展下一世代的技術。在日本，22家公司一起結合於一個名為ASET (Association of Super-Advanced Electronics Technology)的工業聯盟中，它是日本第一個有關電子工業微細工程有關的國家計劃。透過這項計劃，數個研究實驗室一起從事研究以加強整個日本的微影能力。在歐洲，成立MEDEA的策略聯盟，它是一個包含政府、工業和學界之間合作的計劃，已開始對數個不同微影技術做延伸性的研發。回顧微影發展趨勢，我們可知微影技術的改良正促成了製程整合的改進。在不同的微影技術之中，最重要之一是光學微影術，由於它的成本效益，光學微影最適合使用於半導體的量產。即使今日，光學微影術製程和設備的改良仍持續進行，它未來還是半導體工業微影技術中的主流技術。
目前，在0.3mm設計規則的64M DRAM和250MHz胉lass MPU正全面性大量生產。光學微影使用於所有元件的製造和生產試驗的經驗中，顯示它是多麼重要和有效的製程。它也將會是發展256M DRAM技術的主流技術，預期它將是未來0.18微米時代的明日之星。無疑地，發展元件的關鍵要素是光學微影，它能夠達到每一世代元件所設定的研發目標。圖一顯示微影發展趨勢。
圖一 微影發展趨勢
非光學微影狀況光學微影為何如此廣泛使用，以及是什麼使它成為如此有前瞻性的製程？主要是它能用於大量生產、速度快、解析度好、成本低，其它微影製程都比不上它的好處，雖然各有其優點但總體而言光學微影還是很有前景。
目前除了傳統光學微影術外，還有電子束(E-beam)微影術、X－光微影術(XRL)、離子投影術(IPL)、極短紫外光(EUV)微影術。
以下分別說明各微影術
1. 電子束微影術電子束曝光技術可得小於0.1微米的解析度，但早期受限於產量低及設備昂貴，電子束微影術無法像光學步進機大量生產晶片，只能用於光罩製作，隨著光學曝光波長的限制及曝光設備的複雜化，電子束微影術通常可用來研發下世代產品的開發，加速新產品的開發工作。另一個電子束曝光技術的好處是不須要光罩可結省光罩的成本，未來0.18 或0.15微米以下的深紫外光微影術所用相位轉移光罩(PSM)和光學近接效應修正型光罩(OPC)製作愈來愈困難及成本也相當昂貴，電子束或許是一可考慮適用的微影術，但前題是它的速度要能增快。另外最近有一種在投射式電子束步進系統的電子槍(Electron gun)中加裝一片光圈光罩(Cell Mask)，也被提出來做為增加產能的方法。此光圈光罩圖形包含各記憶體細胞(Memory Cell)，電子束曝光時針對重複性記憶體細胞使用光圈光罩重複進行曝光，再利用可調式電子束(Variable shape beam)連接週邊非重複性線路。如此可減少曝光次數，快速完成各層次曝光，提高速度。目前它最廣泛使用在前瞻性研發元件上，像閘極(Gate)及接觸孔洞(contact hole)的曝光。如果電子束微影適合用於量產上，便需要某種技術突破。另一類型更新的技術是限角度散射投影式電子束微影術(SCALPEL)。這種方法須使用散射式圖罩，以高原子序、易散射電子之材料，如鎢(W)為散射材料(Scatter)；以低原子序，散射電子少之材料，如氮化矽(SiNx)等為鼓膜，鼓膜之下為矽基材構成之支架。此種概念是把光學步進機的概念併入電子束微影中，而促成大區域的曝光。然而與光罩有關的問題，是排列不齊和結合準確性(Field stitching)則仍待解決。
2. X－光微影術X光微影技術不同於一般微影，在於其使用的光源波長較短(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的縮小投影式曝光方式。而且同步輻射的X光近乎平行並沒有聚焦景深和解析度的問題。X光微影的光源，是由同步輻射光源引出的，經過層層反射鏡和濾鏡，而所得到的波段(7～13*)。同時，由於一般光罩已無法有效讓X光穿透，因此，X光光罩是由極薄（厚度約1～2mm）的特殊材質鼓膜為光罩基板和重金屬為X－光的吸收劑。經由X光步進機的控制，光罩上的圖形，便以1：1的形式，轉換至矽晶片上。因為X光微影術是近接式的曝光，所以曝光的解析度便由光的波長和光罩與矽晶片之間的間距(Gap)來決定。為了達到0.13微米的解析度，10微米或更小的間距是必須。然而X－光微影術最大的問題是它先天的缺陷，不能以縮小投影的方式進行曝光，因此在光罩生產的過程中需要非常高的精確度。換言之，光罩生產的過程中需要高於晶圓曝光過程中的精確度，除此之外必須生產出高品質的光罩。目前X－光微影術所用的光罩尚有些問題未克服，它仍被視為未來世代的技術，
3. 離子投影術離子投影術它在歐洲受到廣泛研究是由德國西門子公司所領導，是以離子束進行投影式微影，需利用圖罩(Stencil Mask)來遮擋不需要離子束照射的部份。早期圖罩的鼓膜（基材）常用氮化硼或氧化鋁，吸收材用金。但由於離子入射時會因圖罩鼓膜材質而產生嚴重的散射情形，使得解像度降低。近年來已發展出所謂的通道式圖罩，藉由一層單晶矽薄膜作為鼓膜，使射入之離子通過單晶矽通道降低散射角度，所以單晶矽兼具支撐吸收材料之鼓膜與作為離子通道之雙重作用。但目前這種製程也有問題待解決，像是圖罩本身所產生的熱效應，常需加冷卻環或其它冷卻裝置，但其聚焦深度很大可大於10微米而且每次曝光的面積很大，故速度快故產能每小時可達60片以上（8 吋，視圖案複雜性），目前解析度約在80nm。
4. 極短紫外光(EUV)微影術極短紫外光微影術(EUVL)主要在1996年由美國Intel公司主導和美國三個國家實驗室，包括Lawrence Livermore、Sandia、Lawrence Berkeley實驗室共同開發，1997年Motorola和AMD加入並成一個公司，並由各公司指派工程師到各國家實驗室，而美國SVGL及USAL設備公司也同意開發EUV的步進機。它是利用雷射通入Xe氣體來產生電漿所放出的光，波長大約是13nm，比現有深紫外光KrF248mm和ArF Y193mm更先進波長還短，它整個曝光要在真空中進行，所有的鏡片都是反射式的鏡片，而光罩和傳統的光學並不相同，其基底是由沈積多層Mo和Si所形成並且其缺陷的大小至少是30nm等級，且其表面要非常平坦。光阻目前還未發展可利用表面成像(TSI)進行圖形曝光驗證。預計2002年將有Beta Site的設備，2004年有可供量產的設備目標是0.07微米，目前最大的難題是如何能找到完全無缺陷(defect-free)的及平坦度相當好的光罩基底(Mask Blank)，並發展出可檢測及修補光罩的方法及設備。
因此，由以上可得知除了光學微影術還有其它許多微影術受到廣泛研究，但是它們目前並沒有能超越光學微影成為實用製程，但不管那種新技術能成功，關鍵還是能否對現有半導體工業有幫助，那才是最重要的。
光學微影術的現狀目前工業界主要使用深紫外光準分子激發態雷射晶圓步進機(KrF 248nm Excimer Laser Stepper)進行0.25微米元件製程目前已進入量產階段。另由於透鏡品質的改良、光罩及晶圓平台技術的精進及高數值孔徑(Number Aperture)，所改進出的KrF 248nm掃描步進機(scanner)將可進行0.18微米世代的量產及0.15或0.13微米世代的研發。但畢竟波長總有其物理極限及光罩製作的困難度也愈來愈高，唯有加速ArF 193nm微影技術的成熟，才能使元件尺寸的縮小持續進行。
雖然ArF 193nm準分子雷射在光學微影中可期待有好的解析度，但它應用在0.13微米的元件中尚未被實地驗證過，都只是一般圖形曝光，主要是適合量產的步進機尚未研發出來，進度整個延緩。目前只有MIT-Lincoln Lab有部SVGL ArF 193nm掃描式全景寬步進機且具有對準能力能製作出元件，其它都是ISI公司的步進機並沒有對準能力，只能對光阻做測試並沒有元件製作的能力。而ASML將於1998年底推出量出型的ArF 193nm全景寬微影步進掃描機台，藉時微影的技術將從0.18微米擴展到0.15微米甚至0.13微米的世代。
目前ArF 193nm微影製程可分為單層光阻及雙層光阻的製程，單層光阻就是延續傳統i-line和KrF 248nm曝光模式，但目前由於光阻對電漿蝕刻的抵擋能力不同，所以各家光阻公司並未標準化，目前若未使用任何超解像技術如相位移轉移光罩(PSM)可達0.13微米，若使用PSM可達0.1微米或更小。另一種是雙層光阻主要是日本Shin-Etsu和美國Olin光阻公司，日本Shin-Etsu主要是主鏈含矽而美國Olin是支鏈含矽，兩種光阻設計理念不同但目的是一樣，在晶圓先塗上一層Novolac類光阻再上此含矽光阻，通常此類光阻厚度比正常光阻還薄，經由曝光在上層的光阻解析完後，藉由氧氣的電漿蝕刻可把下層光阻給蝕刻形成我們要的圖形。目前雙層光阻最大的問題除了乾式蝕刻的問題，另外光阻的保存期限及穩定度也是光阻公司必須解決的問題。
除了上述所提出兩種曝光方式，另外表面成像微影技術(TSI)也是相當有潛力，此種製程技術是以矽化劑(silylation reagent)對光阻有選擇性的擴散來定義圖案，此種phenolic高分子在曝光於ArF 193nm的光源會產生交鏈行為(crosslinking)，接著在矽化的過程中含矽分子會擴散到未發生交鏈的未曝光區，最後以乾式顯影，即以氧氣電漿對於含矽與不含矽區域的蝕刻速率不同，而得到圖形。表面成像搭配光阻矽化技術可解決ArF 193nm微影中景深太淺的問題及降低k1值提高解析度。今年日本ASET組織利用此方法實際在1微米厚的氧化層使用TSI方法製作出0.09微米的孔洞，並成功進行蝕刻得到高寬比是12的圖形，而且有很大的製程範圍(process margin)，大約有±10%曝光寬容度，甚至改善線邊緣的粗糙程度(Line edge roughness)，也可得0.04微米單一線和0.06微米溝渠(trench)。ASET的結果可說明ArF 193nm的微影術是能應用在多代元件的製程。不管如何，ArF 193nm微影術將是繼KrF 248nm微影術在21世紀出成為半導體公司主流的生產技術。
未來微影發展策略所有半導體公司目前都努力在光學微影術的研究發展，試著把KrF 248nm發揮到它的極限，像韓國三星公司利用它製作0.15微米線寬的4 Gb DRAM，它結合OPC和PSM光罩可在重要的層得到0.15微米的解析度及0.6微米的聚焦景深(DOF)，而可應用在4 Gb DRAM生產的技術。另外也極積進行ArF 193nm微影的研究，希望能使微影製程從DUV的階段往前到VUV (vacuum ultra-violet)的階段。當未來技術進入VUV或EUV微影階段時，則此二種技術將能和X光微影術、電子束微影術相抗衡。VUV將在2003年成為大量生產的技術，EUV差不多在2006年。但是考慮到技術的困難度和技術的連貫性並注意成本效應，未來將必須進行各種技術的Mix-and-Match研究。而VUV和EUV微影術所面臨的技術問題，將不比以前所碰到的問題容易解決，所以必須提早研究以累積經驗及知道相關know-how。
另外從光源波長的技術層面來看，雷射的技術在過去25年來已快速進步，現在可產生非常低的脈衝能量及最大的輸出功率。目前在工業上使用的雷射，除了KrF和ArF 雷射以外已有具激發放電的F2準分子雷射波長為157nm，但沒有關於Ar2雷射波長126nm的相關報導。對於更短的波長，如極短紫外光(EUV)、X光雷射、和波長是20.6和21nm的雷射以前都報導過，目前的研究重點則集中在ArF 193nm雷射。在VUV微影技術中它的波長範圍是105到190nm，但它目前還不能被實際使用，主要是找不到適合的光學玻璃材料，自然地也沒有實際的例子，但美國MIT-Lincoln Lab曾報導，自行組裝一個實驗型的小景寬步進機，利用氟化鈣當鏡片和光罩使用表面成像的方法得到70nm的線寬，這是目前唯一的報導。但考慮VUV世代它的製程整合能力，它還有許多技術問題要克服，如高功率的光源、高準確性光學系統及高精密的機械系統。
當我們考慮未來的微影技術，我想ArF 193nm微影術當然是不二人選，從它現在的技術發展可預知，0.13微米的線寬應該是完全可以的。但是，到底要如何才能達到0.1微米或更小的階段呢？雖然日本ASET曾報導ArF 193nm微影術使用0.6NA的步進機可達到，但必須了解到，解析度的極限和各種微影有關的技巧及和波長有關。目前除了繼續擴展ArF 193nm微影技術的使用期限，也需要研發下一代的技術能和ArF 193nm微影術連貫，目前有很多技術已在發展（先前已提過如X光微影術、電子束微影術、SCALPEL和離子投影術）。另外F2 157nm，Ar2 126nm及其它相關的雷射技術EUV 13nm都是很有潛力的微影技術。在2006年世界半導體產業將進入0.1微米元件的世代，到達如此大小圖形最關鍵的因素，在於微影技術要如何進步，不管你要把現有的KrF和ArF持續擴張或延伸，使光學微影壽命能持續下去或使用非光學微影術進行曝光，如此巨大的工程已不是一個國家或一個機構所能完成，已須要成立跨國性的組織結合政府、工業界、學術界的力量共同來解決即將所要面臨的微影技術問題。
結論在了解目前的微影發展趨勢以後，不禁讓我們要思考多小的線寬是我們能做得到，但對元件的發展是不是已經到它的物理極限了。目前只有加速ArF 193nm微影術的研究發展，讓它儘快能成為量產的技術之外，我們也必須有我們的技術遠景規劃，什麼時候引進非光學微影方法，並和現有光學微影系統做匹配，都是我們未來半導體業界急待面臨的挑戰。
參考資料1. M. B. Heritage, J. Vac. Sci. Technol., 12, 1317, p. 1135, (1975).
2. D. L. Spears, H. I. Simth, Electron, Lett., P. 102, (1972).
3. Y. Sakitani et al, Proc. EIPB* 92, (1992).
4. L. R. Harriott, et al, J. Vac. Sci. Technol. B14 (6), 3825, 1996.
5. T. Hisatsugu, Proc. lst Int. Workshop on Future Generation Litho (1997) 3.
6. G. Gross, EIPBN* 97, (1997) 256.
