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奈米世代微影技術之原理及應用 半導體製程演進重要推手── 【作者： 謝忠益、柯富祥】   2004年08月04日 星期三

瀏覽人次：【114131】 2004年在舊金山舉行的Semicon West會議開幕式中，英特爾（Intel）資深研究員暨國際半導體科技藍圖（ITRS）技術策略主任Paolo Gargini指出，半導體的產業發展將會在未來的15到20年繼續遵循著摩爾定律（Moore's Law）；同時在晶圓尺寸上更會從300 mm增加至450 mm。在此一發展趨勢下，微影技術更顯示出其重要性。微影（lithography）技術的演進與發展為半導體工業面對奈米時代一個極為重要的推手。 微影技術原理與主流趨勢 根據2003年版國際半導體科技藍圖的內容，如(圖一)，半導體製程會在2004年正式進展到100nm以下，而在2010年進展到50nm以下，因此目前的設備廠商仍在思考那些設備會在50nm以下被使用到。光學微影的曝光光源有汞燈、KrF、ArF（曝光波長為193nm）、F2（曝光波長為157nm）及EUV（曝光波長為13.4nm）等光學微影技術，其分別應用在90nm、65nm及50nm以下。然而，F2技術使用的設備單價在8.5億台幣，而EUV技術使用的設備價格更高達17億台幣，因此到底未來在65nm以下如何能夠減少設備太過昂貴的問題以順利進入量產，目前仍有爭論。幸而最近在光學微影設備之技術上有新的創新技術，稱為液體中曝光微影術（Liquid immersion lithography；LIL，或稱浸潤式微影），可以讓ArF微影術延伸到65nm，同樣的也讓F2微影術延伸到32nm，目前全球重量級的研發單位均投入相當多的資源進行研究。 《圖一　半導體科技藍圖》 “微影”原意為平板印刷術，微影技術是決定圖案定義良窳的重要關鍵，因此在元件製程中一直被認為是最重要的步驟，如(圖二)。光學微影過去數十年一直被廣泛的應用在定義圖案，而電子束微影則被應用在光罩製作上。未來進入奈米量產製程時，這個組合會被打破。除了光學微影術外，投射式電子束微影及奈米轉印微影皆會被使用。本文藉由簡介先進微影技術之能力與限制，以期讀者能藉以了解米世代微影術之發展與其所面臨之挑戰，首先針對目前頗受重視的浸潤式微影技術之原理與應用進行介紹，隨後對F2準分子雷射及極紫外光光源微影，做一概略性介紹與討論。最後則針對電子束投射微影術之演進與設備系統進行介紹，也對於此技術使用的光罩之特性與曝光原理做說明。 《圖二　光學微影曝光系統示意圖》 微影技術挑戰奈米世代製程 光學微影中的兩個基本關係式如下： 《公式二》

其中為曝光光源波長、NA為曝光系統的數值孔徑。為了製作小線寬，勢必要將曝光光源波長改為更短的波長，而NA值則是越大越好，但如此一來便會影響聚焦深度，因此，必須在兩者間找到最佳值，一般微影技術之相關參數，如(表一)所列。

《表一　光學微影解析度與曝光波長及數值孔徑之關係》

元件尺寸微小化的結果，使得現行光學微影的技術益加複雜，甚至於曝出圖案的尺寸接近光學繞射極限（diffraction limit）。為達成最佳的元件圖案定義，微影術的研究一直不斷的進行，主要的方向大致上可以分為三個部分：

減少曝光波長可以有效的增加微影的解析能力，但是新光源開發的速度太慢，跟不上元件尺寸縮小的要求。增加數值孔徑大幅提升了光學系統設計的複雜度，且大數值孔徑會降低聚焦深度（depth of focus）進而增加製程的困難度。而解析度增益技術（resolution enhancement technology,；RET），便成為最主要改善光學微影術的方法。一般在解析度改良技術主要的課題，是在相位移光罩的設計。近年來，有越來越多的研究投入浸潤式微影技術之研發，來增加微影技術的解析能力。

備受業界重視的浸潤式微影技術

液體中曝光微影的原理早在1980年以前即被應用，只是當時的應用範圍主要是在光學檢測方面，如光學顯微鏡及光譜儀等。相較於傳統光學量測系統，以液體取代空氣作為背景介質，液體介質的折射率高於空氣，而可以降低透鏡與空氣之界面反射，以增加成像的解析度及對比。此一觀念亦在1980年代以後轉而應用在光學微影系統的研究上[4]。但是在早期的微影研究中並不太重視此一觀念，此乃是因為當時曝光的波長（g-line及i-line）小於元件圖案的最小線寬，故空氣介質的光學系統足以滿足製程的需求。再者，由於光學鏡片的設計與製作能力的提升，使得數值孔徑增加快速而可以符合解析度提升的要求。直到半導製程進步到0.25(m，其對應的曝光波長為248 nm準分子雷射光源；此一世代光學波長小於圖案線寬的條件不再，光學微影便出現了第一次的瓶頸，而進入了193 nm曝光波長。而在90 nm則是第二次微影製程的瓶頸，此時下一世代157 nm微影技術尚未成熟，無法再以更短波長光源作為克服製程之法。而在這兩次微影製程技術瓶頸時，有學者利用浸潤式微影技術以克服傳統光學系統的不足。在65nm之下一世代元件製程技術的開發上，使用光學微影術會面臨元件尺寸遠小於曝光波長之問題，預期浸潤式微影技術會益加受到重視。

《圖三　浸潤式微影技術系統架構示意圖》

(圖三)為浸潤式微影技術系統架構的示意圖。光學系統的解像能力與其等效波長(eff成正比，而等效波長與入射光波長的關係為：

《公式三》

其中(0為真空中入射光波長，n為傳播介質之折射率。由(公式三)可知，等效波長會隨著傳播介質的折射率增加而減小，故其光學解像力亦隨之提高，此即為其應用在光學顯微鏡以增加解像力之基本原理。浸潤式微影技術亦可從數值孔徑的觀點來加以解釋。數值孔徑依介質的不同亦可得其等效數值：

《公式四》

其中(max為光學系統所能傳播之最大繞射角度。故利用液體作為光學系統背景介質，可以增加系統數值孔徑。而曝光波長的縮小與數值孔俓的增加在此是因為背景折射率的改變，故與真空之微影系統相較，可改善曝光解析能力達n倍。以193 nm光學微影，假設光學系統數值孔徑為0.93，k1為0.4，可使用水作為液體介質，其折射率為1.44，則此液體中曝光微影系統之曝光最小線寬，理論上可由原本真空系統的83 nm減少到58 nm。對同一光學微影機台相同解析度要求下，浸潤式微影系統不會減低聚焦景深（depth of focus；DOF），反之與乾式機台在相同解析度要求下，可以增加聚焦景深達n倍。此一結果亦提高微影製程能力，此技術可應用於高深寬比（aspect ratio）元件之製作。

從65nm到32nm的微影技術挑戰

浸潤式微影技術相較於傳統乾式微影術，有高解析度及高聚焦景深的優點，而193 nm浸潤式微影機台的開發，可以利用現今技術作一改良，而與目前業界所普遍使用之機台與製程共存，故其被公認為65 nm至45 nm最有潛力之微影技術。而32 nm世代之微影術，則以157 nm浸潤式微影技術、極紫外光微影術及投射式電子束微影為最有可能成為主流的技術。利用浸潤式微影技術，可以將現今微影製程的極限往下推30～40％。

真空紫外光微影

原在半導體科技藍圖中，65 nm節點的另一候選技術為157 nm微影術，如(圖四)。該技術乃是應用F2準分子雷射作為曝光光源，以得到更好的解析度。空氣中的水氣與氧氣對於此一波長範圍的光有很強的吸收；故157 nm微影必需要在真空或通入氮氣淨化的環境下進行。因此稱此一波段微影技術為真空紫外光（Vacuum UV）微影術或淨化紫外光（Purged-UV）微影術。除了曝光環境的限制外，光學系統（optics）與光阻材料及計上亦與深紫外光（DUV）微影截然不同。該光學系統無法以高純度熔融玻璃作為材料，而必須使用CaF2晶體；但是該晶體有著固有?折射性（intrinsic anisotropic）之特性，故而要特殊處理。再者，該曝光波長下，大部分材料都有極大的吸收，使得光阻研發亦成為一重要課題。

《圖四　真空紫外光微影術系統示意圖》

157nm微影技術門檻使得其成本大為提高，而無法順利在65 nm製程節點完成世代交替。但是其發展潛力與發展優勢在45 nm節點後即可能浮現。利用157 nm干涉式液體中曝光已經可以實際曝出最小線寬約為30 nm之光阻圖形，如(圖五)所示。157 nm浸潤式微影技術更可能成為32 nm節點量產的首選微影技術。

《圖五　157nm干涉式液體中曝光之實驗架構圖與曝光後所得之光阻圖形》

而在32nm節點之後之微影製程在目前看來，需要應用非傳統光學投射式微影技術；而目前最有可能成為該世代之主流微影之可能技術有二：一為極紫外光微影（Extreme UV lithography；EUVL），另一則為電子投射式微影術（electron beam proximity lithography；EPL）。

極紫外光微影

極紫外光微影術乃是應用極紫外光光源，其波長為13～14 nm，如(圖六)。由公式一之解析度公式可以看出，應用極紫外光光源可以有效地增加微影系統的解析能力。但是在此一波段下材料之光學性質與一般可見光波段之光學性質炯然不同，故該系統從光源、光學系統、光罩乃至於光阻材料上皆在研發階段。極紫外光之光源是利用電漿放電時所產生之射線，主流有二：一者為雷射激發電漿方式，另一則是利用電子激發電漿放射出極紫外光，如(圖七)；而這兩種光源的效率及使用壽命與量產要求相比，尚有進步之空間。

《圖六　極紫外光微影曝光系統示意圖》

《圖七　極紫外光微影(a)光源與(b)光罩之示意圖》

一般來說，光源的強度希望能在120W，而其放射頻率可達到4000 Hz，以達到產量為100 wph；光源擊發次數可以超過108次。而光源使用幾乎所有材料在極紫外光波段都有很強的吸收，故傳統微影折射式光學系統與光罩已經無法再使用，而必須改成全反射式。就光學呈像系統而言，反射式系統有著較小數值孔徑及較大像差之缺點，所以在傳統光學微影系統的設計上儘可能避免，而157 nm微影亦是使用CaF2折射式光學。而光罩則需使用多重鍍膜的方式，以增加其反射率；而先進光罩所使用之相位移材料（phase-shifter）亦尚在研發之階段。雖然看起來此一技術所需之時間與成本相當高，但是在2013年後之次32 nm世代，其問題的解決與成本的降低都存有不小的希望。

電子束微影

電子束微影術早在1960～1970年代就被發展，如(圖八)所示。最初的Gaussian beam技術是每次射擊（shot）只有單一電子（pixel），雖然解析度相當好，但是因為曝光速度太慢，因此較不具量產可行性。圖上指出在1970～1990年代分別有Fixed shaped beam、Variable shaped beam及Cell shaped beam等技術被發展出，其平均的曝光速度比Gaussian beam技術快上1000倍。但是由於其曝光速度仍然很慢（約每小時2片），因此僅做為光罩直寫的量產使用，仍然無法用在晶圓的量產。

《圖八　電子束微影技術之演進》

1981年，IBM公司的Pfeiffer博士提出可變軸透鏡技術（Variable Axis Immersion Lenses；VAIL），隨後此技術經過改進後，到了1995年[17]發表具晶圓量產可行性的電子束技術，稱為投射微縮可變軸透鏡曝光技術（Projection Reduction Exposure with Variable Axis Immersion Lenses；PREVAIL）。此技術的優點是系統透鏡組會移動，因此電子束之中心軸會移動，可以將電子束進行移動曝光，具有局部快速掃瞄的特性。此技術屬於電子束投射微影術之一種，經IBM公司研發後並與Nikon公司進行設備生產合作，今年已經有(型式機台展示。

另外一種電子束投射微影術係由Bell實驗室在1990年發明[18]，稱為限角散射電子束投射微影術（Scattering with Angular Limitation Projection Electron Lithography；SCALPEL），此技術與PREVAIL技術皆需要光罩，其成像皆會縮小四倍。PREVAIL與SCALPEL這兩種電子束微影術其每次射擊有107電子[15]，且其在晶圓上的成像線幅會比其使用之光罩線幅縮小四倍，故此技術已經成功克服曝光速度不夠快的缺點，未來可以應用在晶圓量產上，對於8吋的晶圓每小時可曝到25片。

《圖九　SCALPEL(a)光罩與(b)其電子束曝光系統圖》

(圖九)所示為SCALPEL的原理，入射電子束經過光罩後的散射有兩種模式，其一是經由光罩上金屬層所導致的大角度散射電子，此電子會在開孔處（Aperture）被吸收掉，因此無法到達晶圓表面之阻劑。另外則是經由光罩上介電層所導致的小角度散射電子，這部份電子經由電磁透鏡聚集及縮小四倍邊長後，會導到晶圓表面之阻劑層，形成阻劑之化學反應。上面兩種散射對比，即為SCALPEL之成像原理。

SCALPEL使用的光罩是有兩層，其中一層是用150nm之Si3N4所做成的薄膜，由於其原子序較低，因此電子束經過此膜後會有小角度的散射。另外具有圖案之一層是由原子序較大的金屬（例如W）所組成，當電子束通過此金屬時會被大角度散射掉，而通過無金屬部份的電子束最後會被成像。

至於PREVAIL之成像原理，則如(圖十)(a)所示。電子束經過簍空（stencil）的光罩，可以被電磁透鏡聚集及縮小四倍邊長後，會導到晶圓表面之阻劑層，形成阻劑之化學反應。但是電子束經過有圖案的Si膜則會被散射，然後在開孔處（Aperture）被吸收掉。上面兩種散射對比，即為PREVAIL之成像原理。

《圖十　PREVAIL(a)電子束曝光系統圖及(b)所曝得之光阻圖形。》

PREVAIL使用的光罩是由較厚的Si層所組成，其厚度約1～2(m，然後在Si上形成簍空圖案。雖然使用的電子束散射材料是原子序較低的Si膜，但是由於其厚度達到(m級，因此其電子束會有較大的前向散射（Forward scattering），達成圖案對比。(圖十)(b)所示為此技術在負型化學放大阻劑層（200nm）之成像[20]，使用100kV加速電位，在15.5(C/cm2的劑量下可以得到40nm的圖案，此外35nm的線亦可以曝出，但是阻劑與基材的接著力不佳而有部份圖案傾倒。

根據(圖十一)對65nm世代微影技術的預測，EPL技術對於中量（middle volume）產品（250～2500片晶圓/光罩）具有最低的微影成本。而電子束直寫技術（EBDW）因為不需要製作光罩，對於低量（small volume）產品（＜250片晶圓）具有最低的微影成本。至於對於高量（high volume）產品（＞2500片晶圓/光罩），則仍然以使用光學微影術（例如LIL或EUV）具有最低的成本。但在32nm以後之世代使用的微影術，目前仍未有較一致的看法。

《圖十一　65奈米世代之微影成本與晶圓數之關係圖》

結語

國內半導體發展已在世界上占有十分重要之地位；就微影技術來看，我國目前在晶片製造方面是極為重要的。故微影相關技術在發展的過程，台灣不再只是一個純粹的使用者，而更參與並影響著微影技術的選擇與方向。隨著半導體的摩爾定律的預測，微影技術奈米世代的挑戢益加複雜。反觀過去由紫外光進步至深紫外光，在未來更會延伸至真空紫外光乃至於極紫外光微影，或是先進電子束曝光技術；縱使技術難度越來越高，但是微影技術的突破與進步可預期地會在往後的15至20年持續地提升半導體製程及複雜度，使得電子產品的設計與應用在更長遠發展，有著穩固之基石。（作者任職於國家奈米元件實驗室）