雙線/雙圖案製程以延伸浸潤式微影至45奈米以下技術
Christian Wagner, Jo Finders, Jos de Klerk, Ron Kool, ASML, Veldhoven, The Netherlands
從2003秋季浸潤式微影產出第一個影像且開始出現在未來藍圖上，這技術已快速發展向成熟階段。數個可與乾式微影相較的先進製程，缺陷程度已改善至每一晶圓遠低於50顆以下，成為浸潤式微影的疊對規格。這最新型的曝光系統在2006春季，將1.2的數值孔徑(NA)提升到現在1.35的數值孔徑(NA)，且在透鏡像差和其他特性方面，已有具備值得量產的光學品質。
結合先進的照明方法，如運用特製物鏡，浸潤式微影能達到大於300奈米的聚焦深度，比傳統的乾式微影好上50%。這些優點不僅展示此技術可於今年導入量產的能力，而且賦予這工業採用浸潤式雙圖案技術的可能，以延伸光學微影技術更進一步的未來。下列章節將探討量產前浸潤式微影之進展。
數值孔徑
使用數值孔徑1.20的浸潤式系統影像成果於2006被仔細地檢驗如文獻[1]。現今，於水中已達到最大數值孔徑1.35。這數值孔徑的改善更能支持半導體工業所持續需求的元件縮小，亦成就40奈米半節距解析度。特別地對於快閃記憶體和動態隨機記憶體應用，1.35數值孔徑比起1.20數值孔徑更提供了明顯的微縮潛力。
l 達到k1>0.3的55奈米、50奈米和45奈米動態隨機記憶體的研發和量產；
l 對於50奈米、45奈米和40奈米快閃記憶體的研發和量產需要最嚴厲的k1需求，即k1係數可接近於解析度極限值0.25。
45奈米結點技術上邏輯設計縮小的事例和增加數值孔徑的作用是有一點不清楚的；使用1.2數值孔徑或1.35數值孔徑之決定，完全地依應用上實際的節距而定。在32奈米上1.35數值孔徑提供顯著的擴張潛力，如同在這節點技術上使用單曝光製程進入量產的可能性。
光學
在40奈米和以下技術，欲元件設計圖案正確地成像，必須有極低的透鏡像差。現今最先進的透鏡成果已顯示Zernike RMS值小於4mλ與群組Zernike像差小於2mλ[2]。
以影像成果來說，運用浸潤式微影的最終解析度已達成如圖一所示，即使用雙極照明，36.5奈米半節距之成像。圖一的例子所對應之k1值0.255，是很相近於理論極限0.25。1.35NA透鏡顯示極高影像對比的能力。其他對影像品質的貢獻，如極化、偏光和動態，是完全地在控制之下。
利用C-quad照明方法，能以38奈米半節距線在水平和垂直的方向同時地成像[2]。所產生的疊對聚焦深度(DoF)是大於300奈米。聚焦控制標準和聚焦預算問題如先前討論，這DoF值是大得足以達成堅固的製程窗口。
疊對
疊對在單和雙曝光製程應用也是重要關鍵。單機器已達成小於6奈米的疊對值。憑藉不同層於雙吸盤浸潤式掃描機的相同吸盤上曝光，甚至在最大生產量上，仍可達成很緊的疊對值2.6奈米。此疊對成果已為雙圖案曝光之應用鋪路，且達成遠小於30奈米的解析度。使用專用吸盤，達到小於3奈米的疊對值如圖二。
缺陷率
過去幾年隨著浸潤式微影的發展，此技術的缺陷率已成為重要關注。在2006年期間，浸潤式製程廣泛的範圍已是可利用的，且在300毫米晶圓上展示個位數的缺陷數，這相當於乾式掃描機的效果。相較於傳統乾式微影，缺陷率在浸潤式效能不再是問題，如圖三所示。然而，浸潤式微影相較於乾式微影製程，對原始晶圓品質的要求是更重要的。在缺陷率方面，我們發現某些光阻堆疊的組合和晶圓邊緣結構可得到較好得效果如文獻[3]之詳細敘述。
雙圖案微影
超出數年前大家所預期，浸潤式延伸光學微影至更進一步，這工業已經朝向擴展浸潤式微影至32奈米以下成像。一個可能的解決辦法是使用雙圖案微影技術。很多雙圖案微影製程已經存在，一般型如圖四所描述之雙線製程。在雙線製程裏，線是被複印和蝕刻於遮光罩上，接著再複印和蝕刻第二組線於第二遮光罩或基底。隨後的製程顯示最後影像，即兩組線的組合。顯然地，為避免兩組不同線群的錯誤對準，嚴密的疊對效能對於雙線和另一雙圖案製程是非常關鍵。
這些技術部分值仍處於鬆的k1值，儘管非常嚴厲的疊對是必要的。於32奈米線寬和間距，在1.2 NA下印製的最後k1為0.2，且在1.35 NA下印製最後k1為0.22。相當於單獨的曝光步驟，在1.2 NA下印製最後k1為0.4，且在1.35 NA下印製最後k1為0.44。與現今單曝光條件比較，此k1是相對大的，例如快閃記憶體k1值為0.28-0.3。這樣大的k1，當運用適合的光學近接修正(OPC-friendly) 照明方法，例如圖五所展示之環狀照明，可得到好的臨界尺寸均勻性(CDU)。
量測遍及整片晶圓，這些32奈米線在3λ的臨界尺寸均勻性(CDU)為4.9奈米；這變動主要來自此製程和蝕刻遍及整片晶圓的變化，和光罩臨界尺寸的貢獻。此製程和蝕刻貢獻能藉由應用每一曝光範圍(4.5奈米臨界尺寸範圍遍及整片晶圓)劑量補償而加以抵銷。經曝光區間校正後，整片晶圓的臨界尺寸均勻性(CDU) 在3λ下為4.2奈米，且主要受原罩影響的場區內輪廓也變清晰的。藉由應用DoseMapper 場區內校正以去除來自於光罩的貢獻(光罩CDU is 2nm at 1×, with a mask error enhancement factor of 2.2)，結果產生整片晶圓在3λ下臨界尺寸均勻性為2.5奈米。
圖六顯示與IMEC共同研究(XT:1700i)且已發表的雙圖案影像收集。就快閃記憶體而言，因為是一維圖案，最小k1值為0.17和以下是可能的，就邏輯電距解析度而言，k1降至0.22是可預期的。
結論
短短三年時間，浸潤式微影已從原來只有構想且有許多挑戰待克服，發展到值得量產階段。這技術已展示必要的影像效果，且顯示重要變數如聚焦、疊對和熱問題能被控制，使浸潤式得以延伸光學微影至45奈米及以下節點技術。目前浸潤式技術可與雙圖案技術搭配，如上述雙線製程，甚至可能延伸光學微影至32奈米及以下節點技術。
參考文獻
1. C. Wagner, R. Kool, T. Modderman, H. Jasper, K. Ronse, “Immersion’s Evolution Launched the Age of Hyper-NA lithography,” Solid State Technology, p. 32, May 2006.
2. J. de Klerk, et al., “Performance of a 1.35ArF Immersion Lithography System for 40nm Applications,” Proc. SPIE, Vol. 6520, 2007.
3. Jan Mulkens et al., “Defects, Overlay, and Focus Improvements with Five Generations of Immersion Exposure Tools, Proc. SPIE, Vol. 6520, 2007
作者
Christian Wagner 在MunichK大學取得量子光學博士，目前為荷蘭ASML的資深產品工程經理，地址為De Run 6501, 5504 DR Veldhoven, The Netherlands；電話：31/40-268-3000；電子郵件信箱：christian.wagner@asml.com。
Jo Finders 取得MSC及物理博士，目前是ASML的成像科學家。
Jos de Klerk 取得Delft科技大學碩士，目前是ASML的XT:1900產品系統工程師。
Ron Kool 取得機械工程MSC及博士學位，專精於量測及控制工程，目前是ASML產品市場的資深處長。
圖一： 使用雙極照明之光阻照片，36.5奈米1：1密集線/間距。
圖二： 使用專用吸盤，達到小於3奈米的疊對及掃瞄速度600毫米/秒的雙圖案曝光提供32奈米能力。