Frank Palmieri, Michael Stewart, Kane Jen, C. Grant Willson, The University of Texas, United States Gerard M. Schmid, Molecular Imprints Inc., Austin, Texas, United States 步進快閃式壓印微影(Step-and Flash Imprint Lithography，S-FIL)已經被延伸到能夠在單一模版(template)上，提供形成二層以上圖案的能力，例如一層金屬導線與一個金屬導孔(via)。犧牲壓印材料(sacrificial imprint material，SIM)的配方，可以被調整到能將特定低介電常數(low-k)介電層的蝕刻選擇比最佳化，因此可以控制雙鑲嵌(dual-damascene)內連線結構的形貌(topography)。而利用直接可成形介電層(directly patternable dielectric，DPD)的材料工程學，已經創造了一種具有343℃熱穩定性的可壓印式聚合物。
奈
米壓印(nanoimprint)微影製程提供了小於5奈米(nm)的圖案解析度，而且可能可以取代半導體元件製造上所使用的學光微影(photolithography)。奈米壓印已經在關鍵元件層的微影方法應用上達成了卓越的進展，但在設備產能、缺陷率與模具(模版)製造(等同於學光微影的光罩)等領域上仍有很多的工作要進行。
每一個奈米壓印製程，都會在基板上創造出一個模版的反向複製圖案。假如模版具有多於一層的拓墣形狀，則單一的壓印步驟即會產生多重、區分開來的層別。雖然模版的製造在多加入一層額外的層級後會變得更為困難，但對於同時壓印的層級數目並沒有特定的限制。
從2004年開始，我們已經以S-FIL的形式，為降低與簡化半導體元件製造的製程步驟等特定目的，而開發出多層奈米壓印微影製程。利用多層的S-FIL，即有可能在整體的製造方案中去除很多學光微影步驟。在此種方法上，S-FIL的獨特能力是非常優秀的，不只是因為此種製程，能夠產生比任何其它光學成形技術所能達到的還來得小的圖形特性，也是因為S-FIL提供了一個製造任何其它學光微影製程所能達到的結構的低成本方式。
在現代積體電路(IC)製造上的多層內連線中，銅內連線提供了電晶體之間的電性連結，以及將元件與外在環境進行連結。這些銅內連線是利用「雙鑲嵌」的製程來製造，其中垂直導孔(垂直導線)(via)與溝槽(水平導線)(trench)，是以二道學光微影步驟成形在一層介電層中，然後同時填滿銅金屬。鑲嵌的製程可降低金屬填充與化學機械研磨(CMP)的步驟，但是它在每一導線層上仍然需要20道以上的製程步驟。而且，在先進微處理器中的連線層整體數目已增加到10層。因此將需要數百道的單元製程步驟，才能完成現代元件的內連線層。
圖一：多層步進快閃式壓印微影(S-FIL)製程流程。
利用多層S-FIL以及適當的壓印模版，則導孔窗與溝槽均能在同一道壓印微影步驟中成形。而且從製程流程中移除與學光微影相關的步驟，如光阻塗佈/烘烤與濕式顯影。而伴隨第一道步驟所產生的形上，所執行的第二道學光微影步驟相關的複雜性也被移除了，而且也不需要在介電層的堆疊上產生蝕刻終止(etch-stop)或「硬質遮罩(hard mask)」層，因此也移除了會導致缺陷並降低絕緣層堆疊的有效介電常數的介面。
將圖案從多層壓印轉移到低介電常數的化學氣相沈積(CVD)介電層上，是利用特殊的SIM與多步驟蝕刻製程所達成。SIM的策略是權衡了現有低介電常數介電層材料與標準製程後，使其容易運用到現存的製程流程上。在最終的結構中並沒有引進任何新的材料。低介電常數(k<3)介電質中的SiOC(H)─如諾發系統公司的Coral與應用材料公司的Black Diamond材料─是被運用在SIM的蝕刻製程開發上。
至於要將內連線製造的製程步驟數目更進一步降低，則可以利用導入直接可成形介電質(DPD)來實現，其能夠取代最終元件上的低介電常數化學氣相沈積介電層。在將DPD材料導入多層壓印製程時，並不需要加入額外的蝕刻與沈積製程，因此也代表了可幫製造商節省更多的成本。
步進快閃式壓印微影(S-FIL)技術
圖一顯示了利用Molecular Imprints公司所製造的Imprio 55壓印步進機，以產生多層圖案的製程。壓印光阻先趨物(precursor)是一種低黏滯性(low-viscosity)及可受光聚合(photopolymerizable)的液體，先將其噴灑到基板上，之後在室溫下直接將石英製的模版與該液體接觸，並運用低壓印壓力以將模版圖案填滿。然後利用紫外光照射，以將液體的單體(monomer)聚合成固態膜，再移除模版。而所形成的圖案則已經可以用來轉移蝕刻到下層膜堆疊中。Imprio 55是一台特別用在研究用的壓印步進機，具有約每小時製造一片8吋晶圓的能力，而且它層對層的疊對解析度，具有1個標準差小於1微米的能力。而Molecular Imprints公司也提供了更多先進的壓印步進機，例如Imprio 250是一台能夠壓印12吋晶圓、具有較高產能及3個標準差小於10奈米的疊對能力的機台。
用來產生壓印模版的技術，是直接來自於製造相位移(phase-shifting)光罩程序的延伸。對於多層模版來說，微影與蝕刻的處理會在每一層需要的類別(tier)上重覆進行。圖二顯示了用來形成一個電性測試結構中的導孔-1(via-1)，與第2金屬層之類別結構的原子力顯微鏡(AFM)的圖片。每一個測試結構在設計中，是以2微米到120奈米的尺寸範圍一直重覆。而在各測試結構之間的區域，則以「呆仿金屬磁(dummy metal tiling)」來加以填充(圖二b)，以維持可改善CMP均勻度的一致性圖形密度。而此計劃中所使用的多層模版是從凸版光罩公司(Toppan Photomasks Inc.)買來的。
標準的S-FIL壓印材料，使用了紫外光引發自由基聚合作用的液態壓印光阻(resist)組件，包括丙烯酸(acrylate)單體與有機交聯劑(crosslinkers)，加上適當的感光啟始劑(photoinitiator)。在聚合作用之後，壓印光阻即具有足夠的機械特性，以在壓印時與壓印後都能維持獨自站立(free-standing)及高解析度的結構。
而標準壓印光阻所使用的SIM具有特殊設計的添加物，以協助將多層結構的圖案轉移到化學氣相沈積的low-k介電層中。而同時蝕刻二層結構時，需要小心地調整SIM與low-k材料之間的蝕刻選擇比。標準壓印光阻在常見的low-k蝕刻情況下具有足夠高的選擇比，因此可用來轉移具有高深寬比(aspect-ratio)的結構。
對於多層結構來說，必須在導孔到達low-k層的底部之前，即須開始轉移導線層。這樣可避免過蝕刻導孔的底部，以及對阻障層與銅連線結構所造成的損傷。SIM可利用加入稱為Si-14之含有矽質的壓克力(acrylic)交聯劑(圖三)，而調整成可在low-k蝕刻條件下，蝕刻速度比標準壓印光阻還來得快。
圖二：(a)壓印模版中的雙層、電性測試結構之原子力顯微鏡影像，以及(b)模版的光學影像顯現出清楚可見的導孔與金屬層之電性測試結構陣列。
可直接成形介電質材料
標準S-FIL壓印光阻可以表現地像是一種電性絕緣材料，但是缺乏長使用壽命IC元件所需的內連線介電質的熱穩定性與機械特性。POSS(polyhedral oligomeric sil-sesquioxane，多面體聚矽氧烷)基的可直接成形介電質材料，已被開發成能夠符合S-FIL製程需求，以及半導體元件的層間介電層(ILD)的需求。而具有8個矽的「籠狀結構」POSS種類(圖三)，表示出類似於已經被用在IC絕緣體上多年的二氧化矽層的二氧化矽網路之最小可能重覆單元。而POSS材料的設計則可結合二氧化矽的穩定性與S-FIL壓印的能力。
很多研究人員正在研究POSS材料，以產生具有非常大陣列的不同化學性的功能性奈米顆粒。大多數的功能性POSS材料是結晶性粉粒，但某些具有龐大取代基(bulky substituents)的衍生物在室溫下則是以液態存在。密西根州立大學的Richard Laine，已經開發出一系列利用可聚合性環氧丙基(glycidal)族群的光敏性液態POSS材料。
圖三：(a)具有POSS與BCB基的可直接成形介電質材料，以及(b)經過交聯後並能提供多層影像轉移的壓印犧牲材料(SIM)元素。
而由他的研究中所得到的靈感，目前已經出現一系列利用丙烯酸酯類(acrylate)與苯環丁烯(benzocyclobutene，BCB)官能基(functional groups)，所合成的新型POSS基材料。BCB是一種陶氏化學公司(Dow Chemical)用在low-k介電質樹脂(resin)上，稱為Cyclotene的熱聚合性官能基。Cyclotene在經由BCB環狀開孔聚合，以進行固化時僅具有很低的收縮性，因此可形成熱與機械穩定性的交聯。雖然Cyclotene無法用在壓印上，但相同的BCB功能性則可以運用在其它的化學上。
我們利用一種丙烯(allyl)BCB衍生物，將POSS籠狀結構功能化，以使其能夠在高溫的固化當中僅發生最小的收縮。此種熱固化功能性是結合了壓克力光聚合性取代基，以產生S-FIL可加以處理的介電質材料。雙鑲嵌製程的整合
一些具有不同Si-14與丙烯酸昇冰片酯(isobornyl acrylate)比例成份的SIM已被製造出來，而且它們的蝕刻率特性已被研究出來。較低的SIM蝕刻率會造成在溝槽(trench)到達層間介電層(ILD)表面之前，導孔就已破壞了層間介電層的底部。而太高的SIM蝕刻率則會在圖案轉移時造成深寬比的損失。SIM成份的蝕刻率可以利用加入具有0到97.5%的Si-14，而在22A/sec到114A/sec間微調。標準Coral的蝕刻率約為40A/sec；因此，SIM加入低濃度的Si-14，以達成所需的圖案轉移。
圖四顯示了利用標準Sematech-ATDF Coral蝕刻配方，所蝕刻出來的壓印溝槽與導孔結構橫切面的掃描式電子顯微鏡(SEM)影像。當導孔的轉移完成時(圖四b)，會再利用表面處理(descum)蝕刻，以清除溝槽底部殘餘的SIM。然後再次利用Coral蝕刻，以轉移溝槽到層間介電層基板上(圖四c)。壓印的測試已展現了可將模版上最小的120奈米導孔，進行圖案與蝕刻轉移。
圖四：(a)在SIM上的壓印溝槽與導孔結構，(b)蝕刻到首先轉移的導孔，然後(c)清除殘餘SIM的表面處理蝕刻、溝槽轉移之後，以及最後(d)填充銅之後的雙鑲嵌內連線等的橫切面掃描式電子顯微鏡影像。這種多步驟蝕刻製程能夠在抑制刻面(faceting)的同時，亦能控制側壁的角度與深寬比。
在此種多步驟蝕刻製程上，已觀察到有很多的製程曝光寬容度(latitude)。將氣體混合比最佳化時，可以提供在仰制刻面與微溝槽形成時的側壁角度與深寬比的控制。只要導孔與溝槽在化學氣相沈積介電層上形成之後，即可利用標準製程來進行阻障層(barrier layer)與金屬層的沈積。我們利用物理氣相沈積(PVD)製程來沈積25奈米厚的鉭(tantalum)與130奈米厚的銅。在進行物理氣沈積之前並沒有進行氬氣的濺鍍(sputter)。在晶種(seed)層沈積之後，會再利用電鍍的方式電鍍1200奈米厚的銅，以填充壓印的圖案(圖四d)。
可直接成形介電質材料的整合
目前在DPD材料的設計上已經有長足的進步。新式的DPD壓印材料在被考慮運用在內連線介電質之前，即必須先符合一系列的要求─包括熱、機械性以及電力特性。而且S-FIL與半導體材料的特性要求均必須加以考量。新型的BCB-POSS材料可符合很多這樣的需求。在聚合期間所產生的收縮與緻密化(densification)，通常是壓印微影的考量之一；然而，這些材料的玻璃化(vitrification)烘烤製程會造成＜5%的收縮。在BCB-POSS聚合物上具有343℃的熱穩定性，而在此溫度下，介電質每小時會損失1%的重量。在IC產業中晶片上內連線的熱穩定性標準是400℃，因此還需要額外的研究以開發出新材料或整合的方案。
BCB-POSS的介電常數(2.89)符合low-k內連線<3的需求，而且加入成孔劑(porogens)還可以提供另一條降低介電常數的途徑。完全固化的BCB-POSS的彈性模數(elastic modulus)，由奈米刻度測試儀(nano-indentation)所確定出來的值是1.89GPa。而等於或高於4GPa的模數，才建議能成功地運用在CMP製程上。然而，一種低向壓力(downforce)的CMP製程，已經在僅有小於1GPa模數的壓克力介電質膜的ATDF製程上獲得了一些成功。
BCB-POSS的熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion，CTE)為32ppm/℃，因此會造成銅與介電層的不匹配狀況約為15ppm/℃。理想上，在介電層與連線金屬之間並不會有CTE不匹配的情況，但這種不匹配是類似於銅與CVD-TEOS內連線的不匹配(16.5ppm/℃)。因此BCB-POSS基的材料很自然地適合導入到ATDF銅鑲嵌製程上，以製造電性測試結構。
結論
多層S-FIL藉由移除困難的學光微影，與雙鑲嵌製程相關的學光微影步驟，而簡化了晶片上內連線的製造。多層S-FIL使得在單一步驟上形成二個電路層次成為可能，並且降低了整體製造製程步驟的數目達1/3至1/2，依所使用的壓印材料為SIM或DPD而定。在8層金屬內連線結構的製造中，能夠移除超過100個單元製程步驟。
SIM是一種具有可調整相對於CVD low-k介電質蝕刻選擇比的壓印光阻，其可以用來同時轉移溝槽與導孔結構到low-k SiOC(H)上，而且具有很大的製程寬容度。直接成形介電質(DPD)相對於SIM來說，是代表了一個重大的化學與材料科學的挑戰，因為所有壓印光阻與low-k介電質的所有需求，均必須在一個單獨的材料中實現。雙功能性POSS材料幾乎符合了所有S-FIL與雙鑲嵌製程的材料特性需求。SST-AP/Taiwan
聲明
S-FIL(步進快閃式壓印微影)與Imprio是Molecular Imprints Inc.公司的註冊商標。Coral是諾發系統公司(Novellus Systems Inc.)的註冊商標。Cyclotene是陶氏化學公司(Dow Chemical Inc.)的註冊商標。Black Diamond是應用材料公司(Applied Materials Corp.)的註冊商標。
作者
Frank Palmieri於2002年從維吉尼亞州立邦聯大學取得化學工程學士學位，而目前是德州大學奧斯汀分校化學工程系的碩士級研究助理。連絡地址：1 University Station C0400, Austin, TX 78712；連絡電話：512/471-6364，電子郵件信箱：frank@che.utexas.edu。
Michael D. Stewart從范德堡大學取得化學工程學士學位，之後在參與Grant Willson的研究團隊期間，從德州大學奧斯汀分校取得化學工程博士學位。他目前在德州大學奧斯汀分校的法學院攻讀學位。
Wei-Lun ane?Jen是德州大學奧斯汀分校化學工程系的研究生。他在2000年5月時從德州大學奧斯汀分校取得化學工程學士學位。
Gerard M. Schmid從德州大學奧斯汀分校取得化學工程博士學位，目前是Molecular Imprints Inc.公司資深的模版科學家。
C. Grant Willson從加州大學柏克萊分校取得有機化學學士與博士學位，並在聖地牙哥州立大學取得有機化學碩士學位。他在1993年時從IBM院士與IBM艾曼登(Almaden)研究中心的經理職位上離職，並到德州大學就職。Willson專長在功能性有機材料的設計與合成的研究上，特別是在微電子學的材料上。若要取得更進一步的資料，請連網到http://willson.cm.utexas.edu。