周文 束名揚(yáng) 蘭翔

摘 要 掩膜版在生產(chǎn)、使用和保存的過程中，均有可能產(chǎn)生缺陷。掩膜版上缺陷的存在，會(huì)直接影響到每一個(gè)芯片的性能，嚴(yán)重者可能會(huì)造成整批晶圓的報(bào)廢。本文主要討論掩膜版的缺陷類型與來(lái)源，并通過掩膜版修補(bǔ)技術(shù)消除硬缺陷，通過清洗技術(shù)消除軟缺陷。

關(guān)鍵詞 掩膜版;缺陷;RCA清洗;UV+O3

引言

掩膜版，也稱光罩，是微電子制造領(lǐng)域中聯(lián)系設(shè)計(jì)和制造的中間環(huán)節(jié)，是通過光刻工藝實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移的膜版，通過曝光的方式，將掩膜版所承載的設(shè)計(jì)圖形轉(zhuǎn)移到晶圓上。光刻工藝中，每一層加工工序都需要對(duì)應(yīng)的掩膜版，在大規(guī)模集成電路中，由于集成度越來(lái)越高，通常需要多層的設(shè)計(jì)圖形進(jìn)行疊加，才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。掩膜版一旦產(chǎn)生缺陷，缺陷會(huì)重復(fù)傳遞到每一個(gè)芯片或者晶圓上，直接影響光刻工藝的良率，甚至造成整批產(chǎn)品的報(bào)廢，因此掩膜版缺陷的消除對(duì)質(zhì)量的提升有著重要的意義。

1掩膜版缺陷分類與來(lái)源

1.1 掩膜版缺陷分類

掩膜版缺陷有很多種，常見類型見圖1，一般分為硬缺陷和軟缺陷[1]。硬缺陷無(wú)法采用清洗的方式去除，它是圖形的缺陷。常見的有遮光材料的缺失（例如針孔、裂口）、遮光材料的多余（例如小島、突起）、玻璃劃傷等。

軟缺陷，通常稱為污染缺陷，它可以采用清洗的方式消除。常見的軟缺陷有指紋、灰塵、水跡或化學(xué)污染斑跡等。在光刻工藝的曝光過程中，污染缺陷會(huì)改變光線的透射，造成需要曝光的地方曝光能量不足或者未曝光，從而影響光刻的良率。

1.2 掩膜版缺陷來(lái)源

掩膜版的硬缺陷主要來(lái)源于掩膜版生產(chǎn)環(huán)節(jié)或者光刻工藝中不恰當(dāng)?shù)氖褂铆h(huán)節(jié)。

（1）透光缺陷。主要是指掩膜版表面鉻層的缺失。掩膜版生產(chǎn)過程中，基材鉻層存在缺陷，或者光刻膠中含有雜質(zhì)，均可能在成品掩膜版上形成透光缺陷。在晶圓廠使用過程中，特別是采用接觸式曝光方式時(shí)，一旦晶圓表面存在硬顆粒時(shí)，掩膜版表面鉻層在硬物作用下容易產(chǎn)生磨損，形成透光缺陷。

（2）不透光缺陷。主要是掩膜版表面鉻層的多余。當(dāng)掩膜版曝光過程中，若基材上存在顆粒，會(huì)造成此處光刻膠曝光能量不足，無(wú)法被顯影液溶解，后續(xù)刻蝕工藝環(huán)節(jié)中此處鉻無(wú)法被刻蝕掉形成鉻殘留。

（3）玻璃缺陷。掩膜版玻璃基材中可能存在氣泡、顆粒、小坑、裂紋等缺陷，會(huì)直接影響掩膜版的透光率。常見玻璃基材有蘇打玻璃、硼硅玻璃和石英玻璃，石英玻璃在缺陷控制方面比其他玻璃優(yōu)越，但價(jià)格昂貴。

掩膜版的軟缺陷通常是在工藝中引進(jìn)的：

（1）顆粒來(lái)源于工藝設(shè)備、環(huán)境、氣體、化學(xué)試劑和去離子水，主要是一些聚合物、光刻膠殘留等，顆粒吸附于掩膜版表面主要靠范德瓦爾斯吸引力，所以對(duì)顆粒的去除方法主要以物理或化學(xué)的方法對(duì)顆粒進(jìn)行底切，減少顆粒與表面的接觸面積，從而去除顆粒。

（2）有機(jī)物沾污通常來(lái)源于環(huán)境中的有機(jī)蒸汽、存儲(chǔ)容器、光刻膠的殘留和生產(chǎn)操作中引入的手印。有機(jī)雜質(zhì)會(huì)生成疏水層，使掩膜版表面無(wú)法得到徹底的清洗。

（3）無(wú)機(jī)物沾污來(lái)源于化學(xué)試劑和刻蝕等工藝中，主要是金屬離子污染。

2掩膜版硬缺陷的消除

2.1 激光修復(fù)技術(shù)

早期掩膜版修復(fù)主要采用激光修復(fù)的方式，但是受到激光束斑尺寸的限制，修復(fù)精度僅能達(dá)到微米級(jí)，而且修復(fù)的邊緣不整齊。但是激光修復(fù)簡(jiǎn)單，效率高，修復(fù)成本低，因此在微米級(jí)的掩膜版制造中仍然有著廣泛的應(yīng)用。

2.2 聚焦離子束（FIB）技術(shù)

亞微米級(jí)掩膜版最常用的修復(fù)方法是聚焦離子束（FIB）。聚焦離子束（FIB）采用離子源發(fā)射的離子束，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下，離子束經(jīng)過加速聚焦后作為入射束，通過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制離子束，使得高能量的離子在特定區(qū)域表面進(jìn)行數(shù)字光柵掃描，從而實(shí)現(xiàn)亞微米甚至納米量級(jí)的微細(xì)加工。

FIB技術(shù)在掩膜版修復(fù)方面主要有以下應(yīng)用：

（1）通過高能離子束濺射來(lái)去除不需要的遮光材料

掩膜版遮光層一般為鉻層，厚度為100nm左右，用離子束濺射去除鉻層時(shí)需要嚴(yán)格控制剝離的深度。當(dāng)離子束剝離了鉻層后繼續(xù)對(duì)玻璃進(jìn)行濺射時(shí)，會(huì)造成玻璃損傷，形成新的缺陷，因此需配合“終點(diǎn)檢測(cè)”技術(shù)，控制剝離的深度。

另一個(gè)問題就是鎵離子污染，會(huì)降低石英玻璃的透光率。在離子濺射后，采用RIE（反應(yīng)離子刻蝕）將注入有鎵離子的表層玻璃刻蝕去除，使石英玻璃的透光率恢復(fù)到90%以上。

（2）結(jié)合氣體注入系統(tǒng)（Gas Injection System，GIS），進(jìn)行定位誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積，生長(zhǎng)金屬材料，修補(bǔ)透光缺陷

通過氣體注入系統(tǒng)（GIS）將氣相反應(yīng)前驅(qū)物噴射到需要修補(bǔ)的透光缺陷區(qū)域，同時(shí)聚焦離子束對(duì)設(shè)定的圖形區(qū)域進(jìn)行掃描，氣相前驅(qū)物受到離子束的輻照而發(fā)生分解，從而在透光缺陷區(qū)域沉積一層金屬。

3掩膜版軟缺陷的消除

掩膜版軟缺陷的消除主要依靠清洗，先進(jìn)的掩膜版清洗技術(shù)可以最大程度的保證掩膜版的潔凈程度，降低掩膜版霧狀缺陷的生長(zhǎng)速率。目前國(guó)際上主流的清洗技術(shù)分為傳統(tǒng)的RCA清洗以及UV+O3這兩種清洗方式。

3.1 RCA清洗技術(shù)

RCA掩膜清洗技術(shù)是在半導(dǎo)體晶圓清洗技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的洗凈技術(shù)[4]。掩膜版清洗選用RCA清洗中的SPM溶液和SC-1清洗液。其工作原理如下見圖2：

SPM溶液：主要成分為H2SO4+H2O2，溫度為100～130℃，主要用于去除表面的有機(jī)污染物。有機(jī)污染物的存在，會(huì)在表面形成一層疏水膜，降低后續(xù)清洗液的效率，因此清洗第一步需要將有機(jī)污染物去除。高溫SPM溶液具有很高的氧化能力，能將有機(jī)物氧化生成CO2和H2O。經(jīng)過SPM溶液后，掩膜版表面會(huì)殘留有硫酸根離子。硫酸根離子的存在，結(jié)合空氣中的水分子與銨鹽易形成硫酸銨結(jié)晶，即掩膜版常見的霧狀缺陷，這種缺陷在早期的掩膜版中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)。