記憶體金屬熔線的綠光雷射處理
備援電路中的金屬熔線可用雷射修復以增加產率。然而，持續微縮的積體電路設計準則使熔線節距小於2微米而可利用傳統紅外雷射處理的節線成為必需。現在更小的金屬熔線結構，節距為1.0微米，可用最新開發的532奈米綠光波長雷射源切刻複晶矽、鎢、鋁合金等材料而得。FIB/SEM的觀察與電性量測，確認了其作為65奈米及以下之新世代製程的可行生產方案。
積體電路製程中已確立的數個最終步驟的其中一個與備援修復電路有關，例如用於記憶體，包括了以雷射處理熔線，使受損電路失效，並以備援電路替代1。多晶矽廣泛被用作熔接材料，因為其具有來自獨特材料特性之優異切刻品質。紅外頻段的雷射(1.0~1.3微米)也成功地應用在這些複晶矽的處理上。
然而，因為深層埋入的複晶矽熔線的高阻值、繁複的製造程序等限制，工業界開始轉而使用鋁作為熔線。對於高效能邏輯元件和高速SRAM，由於較鋁有諸多優點如低的阻值與功率散逸、低生產成本、低電致遷移等，銅線也被探討作為熔線的可行性。
在先前的工作中，已經探討了失效機制及鋁和銅的雷射切刻製程的現況1-4。結果發現了底角碎裂，基材損傷與鄰近結構損傷等情況；又以有限元素法模擬的結果和不同的實驗觀察定義了雷射能量製程窗口。
在鋁或銅熔線的雷射處理中，紅外頻段如1.064微米(Nd：YAG)、1.047微米 (Nd：YLF)和1.342微米(Nd：YVO4)的雷射光源已經廣為使用，因為相對的穩定度、利於矽的紅外吸收特性與可接受的製程窗口。
然而，矽金氧半導體元件尺寸的持續微縮已經推升了修復技術的層次。因為記憶胞的密度是降低成本的重要因素，縮小後的記憶胞大小使用了較小的內連線線寬，而且記憶胞的結構複雜度也大幅提升5。隨著這個趨勢，備援線路中的熔線節距也必須縮減，而隨著世代演進，對於更小節距的需求將更為殷切。
為了避免損及鄰近的熔線結構，考量微縮後的熔線節距與大小，必須採用具有較小之最小照射點與較佳聚焦係數的雷射製程。除此之外，縮小後的熔線比起矽基材來容易招致雷射破壞，所以傾向用低能雷射進行潔淨的切刻程續。現今的1.0～1.3微米波長雷射在用於2.0微米節距結構時，由於繞射的限制，光點與聚焦景深能力已經無法被接受為可靠的生產工具。當熔線節距進一步減少時，細節距熔線結構的主要失效模式變為鄰近熔線的破壞，恰恰消去了使用1.3微米的雷射來降低對矽基材損害的好處。因此，為了支援新世代的元件，有必要建立可供量產使用的解決方案。以大批量的製作和品保研究來獲得穩健的雷射熔線製程步驟，其具有小的照射點和大的聚焦係數，可用於目前和未來的細節距製程。
雷射-能量製程窗口
圖一的實驗數據說明了金屬切刻製程中不同熔線節距條件下的雷射-能量製程窗口。有7組不同的熔線節距(0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.2mm)，搭配5組不同熔線寬度(0.2、0.24、0.3、0.4、0.5、0.6mm)，故總共有35組熔線結構。圖一中的每一個數據點代表了某一指定節距條件下5個不同寬度的結構之數據的平均。採用了1065奈米波長的紅外雷射光束進行實驗，光點大小為1.5微米1/e2，脈衝寬度為21nsec。
曲線Elow代表的是成功地切刻且在切刻處底部無殘留材料時所需的最低能量；Sub-damage與Neigh-dama-ge曲線分別是損及矽基材與鄰近熔線時的能量大小。由這兩條曲線可以看出隨著熔線節距的縮小，造成鄰近熔線結構毀損的能量隨之降低，而基材毀損的能量則約維持一定。因此，Ehigh代表了可用於處理每一結構而不會造成損壞的最高能量，且這些結果是基於兩個失效模式而決定的。
當節距大於約1.5微米時，Ehigh受限於矽基材的損傷(Sub-damage曲線)，而鄰近熔線損傷(Neigh-damage曲線)則發生於較高的能量。然而，當節距小於1.5微米時，鄰近熔線損害比起矽基材的損害將在較低的能量處發生。因此，當處理小於1.5微米緊密排列的節距結構時必須使用較小的照射點和較低的能量。
這些實驗數據是建立在受控制、精確排列的結構上，實際生產過程中真正的鄰近熔線跨接節距可能甚至更大。此處並未評估鋁熔線的底角碎裂，因為實驗以上視觀察為主。然而，熔線結構相較於熔線寬度來的薄，深寬比<1。因此，在底角的碎裂不太可能發生，因此實驗數據可認為是正確的2。
例如，1.064微米光源的二次諧波位於可見光譜的綠光範圍(532奈米)，可以生成最小0.7微米1/e2直徑的光點，比起同樣光點大小的紅外光源其聚焦景深為兩倍。
1.064微米光源的三次諧波生成355奈米紫外波長，甚至可以進一步減少受繞射限制的光點大小，且在同等的光點大小下有較佳的聚焦景深。但是，二氧化矽吸收的能量會損及光學元件，且隨著時間推移會有嚴重的功率降。尤有甚者，由於大量的吸收，355奈米通常會對矽基材造成極大的破壞。
雷射-能量實驗
以標準兩層金屬CMOS製程製作了具有鋁線的測試晶圓。金屬化製程部分是採用濺鍍生成厚度0.6微米的鋁矽銅合金(1%Si、0.5%Cu)，再經過蝕刻形成熔線。原來鋁線的上下層均有一層0.05微米厚的TiN薄膜，但是上層的抗反射TiN薄膜以蝕刻方式去除，所得到的最佳化熔線厚度為0.35微米。在蝕刻過程中，由於選擇率的因素，周遭的二氧化矽會凹陷。考量可靠度，在雷射製程之後，金屬線上以一層阻障層，0.2微米Si3N4，覆蓋其上。
有四組節距介於1.0-1.3微米之間，高度為0.1微米；每一組節距有六種不同的熔線寬度(0.1～0.6微米，高度0.1微米)，因此總共有24組不同的鋁熔線線條結構。每一個結構又被設計為兩種格式：檢驗切刻品質(並聯)、檢驗鄰近結構的受損情況以確保切刻是否可被接受(串聯)。處理過的熔線結構先以顯微工具觀察，再進行電性量測。
進行實驗所使用的雷射系統為GSI Group M455，採用了二極體激發方式、Q值調變、倍頻之Nd：YVO4雷射(532奈米)，操作於飽和單一脈衝模式。脈衝半高寬約為19nsec，導入聚焦光學組件後可得到1/ee直徑光束，聚焦處的光點約為0.7微米。此系統的對位精度約為<0.15微米。分別以三種最佳化能量輻照各個結構(額定值，兩組較高的數值)。
圖二所示為一連串熔線結構、寬度0.2微米、節距1.0微米；以不同的雷射能量處理，從0.005-0.090mJ，增加量0.005mJ，以決定光點大小0.7微米1/e2直徑的額定能量。每四個熔線中取一個進行輻照，觀察對鄰近熔線的破壞情形。肉眼觀察時可以發現0.015mJ時熔線開始斷開，0.055mJ以上由於雷射能量過多開始損及鄰近的熔線。因此，額定的能量應該為(0.015+0.050)/2=0.0325mJ。四捨五入後取0.030mJ作為所設定的額定能量值。另外兩組稍高的能量值(0.040mJ與0.050mJ)則用來觀察對鄰近結構的影響。每一能量均用來輻照兩組600條熔線(300條並聯，300條串聯)，確保切刻的品質和不會破壞鄰近結構。
圖三所示為1.0微米節距，0.3微米寬鋁熔線經過0.7微米1/e2直徑光點，能量為0.04mJ的雷射處理過後的SEM與FIB截面圖像。圖三a是上視圖，表示了每隔一條熔線進行雷射處理，用來確認是否造成鄰近結構破損；上視圖中可看出熔線的寬度比實際還寬，這是因為鋁蝕刻之後又上了一層Si3N4薄膜的緣故。Si3N4保護層可由圖三b中較為清楚的看到，是位於上方較為明亮的薄層。從圖三b中可以觀察到中間的熔線尚未破壞，旁邊的兩條熔線則已受損，鋁已經被移除掉了。此外，還可以看到切刻點附近的鋁殘滓，這是由雷射能量輻照過程中造成鋁熔線斷裂所產生的。殘滓的存在是使用稍高於額定能量於實際金屬熔線處理製程中的其中一個原因。所有的鋁、底層TiN薄膜在雷射切刻過程中均被移除了。
電性測試
如前所述，嘗試了不同的金屬結構設計和雷射參數，在進行觀察後仍必須量測電性。圖四是使用了三種能量(0.03、0.04、0.05mJ)輻照不同熔線寬度的1.0微米節距金屬熔線之電性量測數據。其中300條經過雷射處理的並聯熔線阻值量測數據指出雷射處理成功地切刻了不同寬度的熔線，阻值約為100GΩ，已高於可接受的製程標準。另外也量測了串聯結構(位於處理過的熔線旁邊)的阻值；三組未經過雷射處理的串聯結構(在300條雷射處理過的每一條熔線旁邊形成一組未處理的300條熔線)均未受到損壞，保有原來的阻值(<60Ω/300條)。
所有熔線連結結構的電性測試結果，包括圖四中的數據，整理並總結於圖五。每一條曲線代表了三組結構(900條熔線)分別用不同能量處理的平均值。能量0.03、0.04、0.05mJ用於1.0微米和1.1微米節距的結構；0.04 、0.05、0.06mJ的能量則用在1.2微米和1.3微米的節距結構。此外也進行了1.4微米和大於1.4微米的金屬熔線結構處理測試，結果良好但是為了專注於細節距結構的討論本文並未列出這些實驗數據。所有具有1.0微米到1.3微米熔線節距的金屬結構均可成功地處理而無損及鄰近的熔線結構。圖五中的阻值有些許起伏，可能由許多因素如雷射處理系統的準確度與未臻完善的製作過程。然而，此種變異並沒有統計上的顯著效應，因此在此一技術的施行上可加以忽略。
結論
顯微觀察和電性量測結果顯示，532奈米波長雷射可以全面地應用在量產線上，處理極細節距的金屬熔線結構，小至1.0微米，無須改變目前的積體電路製程。532奈米雷射的優點包括了較大的聚焦景深與較小的光點(與目前的紅外雷射相比較)，對矽基材和介電材的影響適中。此技術已經於2005年導入大量生產，成功地處理90奈米及以上之不同的記憶元件。到目前為止，處理的元件有小至2.0微米的熔線節距，熔線材料有複晶矽、鎢、鋁銅合金。毫無疑問地，此技術應能夠導入需要更加細小之節距與線寬的65奈米及以下新世代的製程。SST-AP/Taiwan
參考文獻
1. J. Lee, J. Ehrmann, D. Smart, J. Griffiths, J. Bernstein, “Analyzing the Process Window for Laser Copper-link Processing,” Solid State Technology, pp. 63-66, December 2002.
2. J. B. Bernstein, J. Lee, G. Yang, T. Dahmas, “Analysis of Laser Metal-cut Energy Process Window,” IEEE Semicondut. Manufact., Vol. 13, No. 2, pp. 228-234, 2000.
3. J. Lee, J.B. Bernstein, “Analysis of Energy Process Window of Laser Meta