掩膜版寿命受到雾状缺陷的限制

光掩膜版的贮存环境也影响了掩膜版残余污染物水平，即使没有光子曝光。这些水平是根据晶圆厂在不同地点储存的样本的累积残留污染物量化的，并使用离子色谱法进行测量。一个月后，晶圆厂的硫酸和氨水平是掩膜版刚离开掩膜工厂时（图4）的3-4倍。这些残留物从光掩膜版周围的空气中吸附而来（空气分子污染物[AMC]）。因此，需要改善光掩膜版的环境。在我们加速曝光试验台的测试结果显示了多种形成硫酸铵的方式7-9。它发生在晶圆曝光和贮存期间，那里存在氨和硫酸根。客户反馈表明，在贮存和曝光期间实施AMC过滤，大大提高了光掩膜版的寿命和可靠性。大气相似物，给光掩版膜雾状缺陷的形成，特别是硫酸铵（见表2），提供了模型。大气雾状缺陷是由颗粒的光散射造成的，就像雾状缺陷影响镜头或掩膜版一样。大气中约50％的微小颗粒物含有硫酸铵，主要来自空气中二氧化硫（SO2）和氨10。二氧化硫来源于自然活动（火山活动，浮游植物排放）和人为活动（化石燃料燃烧），并排放到大气中。氨是一种自然生物代谢物。结合太阳光的能量，臭氧和水蒸汽，气态硫酸铵在大气上层形成，然后迅速沉淀，形成微粒。这些相同的AMC出现在掩膜版周围，193nm光子提供能源，推动硫酸铵形成。二氧化硫和氨的大气浓度，随区域和季节变化很大11，所以控制这些污染物的挑战，因晶圆厂和时间而异。硝酸铵是第二种大气中最常见的无机微粒，形成机制与硫酸铵相似。羧酸是大气中最常见的有机微小颗粒，而草酸是最常见的一种羧酸12。有机雾状缺陷是发生在掩膜版第一次曝光期间的常见小缺陷。缺陷密度刚开始很高，但随着额外曝光而下降。该缺陷尺寸通常小于光刻技术可印刷的尺寸，但是它会影响成品率。烟雾是有机雾状缺陷最好的相似物。空气中挥发性有机化合物，结合存在的紫外线（UV）辐射和臭氧，形成有机化合物，并沉淀形成大气颗粒物。对于光掩膜版，有机化合物的来源是薄膜和贮存盒材料，以及晶圆厂中与工艺有关的材料。样板的硫酸铵测试证实，掩膜版贮存在晶圆厂无曝光条件下，有机污染物水平有很大程度的升高。这些测试还显示了来自薄膜和掩膜包装的逸气材料。包装供应商减少了它们的数量，但是还需要进一步减少，特别是要改善光掩膜版存储货架和容器。在一个大的晶圆厂里管理雾状缺陷，是一个关键性问题。雾状缺陷检测通常发生在掩膜版检查期间，最糟的结果会导致成品率损失。因为，雾状缺陷是193nm自身的问题，有很多工厂都实施了一系列的遏制行动，例如基于时间或曝光的掩膜版检查13。可疑的掩膜版被返回到掩膜工厂清洗，这对于晶圆厂只是一个后勤问题。为了保持生产线运作，同一层常常使用多个掩膜版，这增加了成本和复杂性。传统的掩膜检查并不能充分表征掩膜版用户看到的雾状缺陷类型。通常情况下，掩膜版必须迅速清洗，并采用一层新薄膜保护，然后退还给晶圆厂。这就限制了分析缺陷、了解根源并且制定矫正措施的能力。因为每一种雾状缺陷有其独特的化学成份，需要使用一些技术确定缺陷类型（表3）。无论飞行时间（TOF）-SIMS和微拉曼光谱技术，在微米/近亚微米范围内提供空间分辨率，以帮助确定缺陷化学性。随着较小缺陷变得越来越重要，需要新技术来确定分子结构。先进掩膜清洗技术为了防止在ArF掩膜版上形成硫酸铵雾状缺陷，光掩膜行业开始从传统的Piranha化学液转移到无硫酸盐光刻胶剥离和最后清洗工艺，包括臭氧水（10-100pmm臭氧），氢化水（1-10百万分之一氢气，补充少量的NH4OH，以维持PH值），氧等离子体和172nm紫外线曝光。图5显示了硫基和无硫工艺的典型剥离和清洗流程14,15。最先进的掩膜版剥离/清洁系统采用单基板和旋喷结构，能够获得最高洁净度。这种转变带来了重大的技术挑战。臭氧水（O3:H2O）通过化学反应去除有机污染物，但是剥离速度比较缓慢。通常使用高温加速化学反应，简单地分解臭氧。因此，O3:H2O可以清除有机薄层，但不适合剥离大块的光刻胶，尤其是厚的光刻胶边缘球状物或通过干法刻蚀硬化的光刻胶。延长的O3:H2O曝光会损害铬层的顶部透层，必须优化臭氧浓度，以提供一个合理的光刻胶剥离速率，而不造成损害。为了拓宽操作窗口，光刻胶剥离工艺可能需要一个等离子体剥离过程，以消除大部分光刻胶，留下一个薄的光刻胶层由O3:H2O(可能需要172nmUV曝光帮助)去除。薄膜替换带来另外一个去除厚有机物的问题是，薄膜胶粘剂可以相当顽强，并可能要求溶剂或Piranha才能完全去除。当O3:H2O的有机物去除速率缓慢时，对于最后清洗，是一个很小的问题时，其他技术（例如，高温去离子水冲洗，烘培或172nm紫外线），可用来减少硫酸水平。热去离子水是最有效的替代方法，虽然比不上采用O3:H2O替代Piranha那么有效。当可容许的缺陷尺寸随着每一个工艺节点降低时，必须增加力度以去除最小缺陷。因为SRAF，尤其是散射条，大约和最大允许缺陷具有相同尺寸，避免SRAF破坏是很重要的，同时最大化PRE。兆声辅助清洗（主要是先进掩膜版清洗机的喷射），经常被用来增加PRE，兆声辅助会损害小尺寸线条。较高兆声频率（通常约为3MHz）比较低频率(~1MHz)搅动，产生更小的气蚀微粒和较小的崩溃力，但需要牺牲PRE。清洗设备供应商，拥有几个先进技术，以保持PRE，同时SRAF损害最小（双频率，背面兆声应用和倾斜喷雾角）。使用单基板自旋/喷雾清洗系统需要面对其它在槽式清洗机中没有出现的挑战。掩膜版的边缘可能聚集有机污染物，这些污染物由于化学曝光低而难以消除。解决办法之一就是在灰化过程中联合聚乙烯（PVG）和O3:H2O或等离子体，直接洗刷这些区域。当掩膜版背面没有暴露于清洗化学液时，系统将翻转掩膜版以清洗双面。同时，利用热去离子水冲洗背面也是可行的。共同的问题，共同的答案准备和维持一个无缺陷光掩膜版的挑战，是值得考虑的。交送的掩膜版表面化学性必须是足够干净的，以忽略表面对雾状缺陷形成的影响。除了掩膜版制造工具，晶圆厂必须拥有在掩膜版使用寿命期间保持它处于原始状态的设备和控制系统。这种系统在典型的晶圆厂还没有完全到位；事实上，克服其中一些挑战的商业解决方案也尚未得到开发。这里有许多因素和机制导致掩膜版上形成雾状缺陷。不仅要保护光掩膜版免受微粒影响，还要保护它不受自然发生的AMC影响。大多数光刻供应链共同负责制订并实施雾状缺陷减弱程序。除了掩膜和晶圆制造商，掩膜包装贮存和光刻设备的供应商，都可以帮助提出成功的解决方案，并从中受益。一些半导体制造商已经采取了一种全面的方法，通过和不同的供应商协作管理雾状缺陷，已经显著改善掩膜版寿命13。为了解决他们所面临的挑战，掩膜清洗设备供应商和掩膜版制造商也必须紧密合作。为了最大限度提高PRE，同时又尽量减少图形损伤，物理性质损失和残余分子污染，需要先进的洁净室及检查和分析设施，这些一般在清洗设备供应商是不适用的，而事实上也只存在于少数的主要光掩膜制造商。因此，成功的合作伙伴关系对于可持续的成功掩膜清洗解决方案是至关重要的。在掩膜版的整个寿命周期内，都必须控制它的周围环境，无论是在扫描镜头下还是晶圆厂光掩膜版存储货架。因此，光掩膜储存和运输所用的储存物和设备需要一个低出气环境。监测系统应确保，在发生掩膜污染之前检测AMC执行情况。令人欣慰的是，商业掩膜版存储和AMC控制产品也开始出现了16,17，包括低出气材料，增强的AMC过滤和净化性能，和实时监控仓库的大气环境，它保证将无机和有机污染减少到可以接受的水平。过去，扫描镜头的AMC过滤侧重于保护化学放大胶，但是ArF扫描镜头的引入已经表明掩膜版的环境必须严格控制。同样，过去的掩膜检查仪器也没有对掩膜版提供任何AMC保护。最近推出的257nm掩膜检测设备面临着雾状缺陷的问题，类似于KrF扫描镜头出现的问题，但是还有一个附加因素：检查设备的光子通量极高，在没有环境和束曝光控制的情况下，可以在很短的时间内沉淀雾状缺陷。将要使用亚200nm波长的新一代掩膜检查设备，需要加强环境控制，防止掩膜和光学系统退化。为了制造和维持一种清洁无缺陷的掩膜版，所有的供应链需要协同工作。这种做法比分离做法（无可避免地冗余）更具有成本效益。掩膜版寿命受到雾状缺陷的限制发布日期：2007-12-2122:08:00来源：半导体国际作者：21世纪新能源浏览次数：512半导体国际雾状缺陷（Hazedefect）是残留在掩膜版上的有机物或无机物，它们在曝光时有可能会生长变大。在光刻波长为248nm时，这类缺陷尚不会引起太大的问题，大约只影响到5％的掩膜版。然而到了193nm光刻，受其影响的掩膜版高达20％左右，雾状缺陷已成为光刻业界的一个严重问题。KLA-Tencor掩膜检查部门的高级技术市场经理KaustuveBhattacharyya解释说：“由于光刻波长变短，每个光子携带的能量更大，所以发生光化学反应的几率大为增加。”雾状缺陷对成品率的影响方式主要有两种。通常，雾状缺陷会生长到足够大小而成为一个点缺陷，然后被光刻印制到晶圆上。另一种比较少见的方式是，雾状缺陷会影响光透过掩膜版的传输，从而引起特征尺寸（CD）的变化。当掩膜版上的污染最终达到无法接受的程度时，就需要进行“保护膜再覆盖（repell）”工艺，即先去除原有的保护膜（pellicle），清洗掩膜版，再覆盖一层新的保护膜，然后将掩膜版送回生产线。这种工艺不但成本很高，清洗效果一般并会缩短其使用寿命。有经验的晶圆厂会跟踪记录用给定掩膜版进行曝光的晶圆数目，然后定期检查掩膜版上的雾状缺陷，以降低其影响。ToppanPhotomasks公司CTOFranklinKalk介绍说：“可能不管有没有发现雾状缺陷，他们都会进行repell工艺（取出、清洗、再覆盖保护膜）。更老练的晶圆厂会跟踪记录掩膜版的累积曝光剂量，如果达到设定的总剂量值或累积工作时间就取出掩膜版进行检查。”最经常出现的雾状缺陷共有三类。最早被发现且最常见的雾状缺陷是硫酸铵，它的来源是光刻胶剥离和清洗工艺之后残留的污染物，而且受到掩膜版的储藏条件和工作环境的影响。第二类雾状缺陷是羧酸和草酸铵等各种草酸。Kalk说：“这类缺陷一般只出现在少数几个晶圆厂内，原因尚不清楚。”第三类是有机物缺陷，它们往往很小，来源是保护膜、封装材料和储藏/曝光设备内的挥发性有机碳（VOC）。据Kalk所说，掩膜版的使用寿命会在很大的范围内变化（图1），介于1000到50,000个曝光晶圆计数之间。图1中那些寿命较短的掩膜版曾进行过repell工艺。以前的工艺使用含硫的Piranha溶液，所以必须设法去除其中的硫成分。办法是通过加入氢氧化铵来得到硫酸铵，然后将硫酸铵清洗干净。但即便这样做仍然无法去除二氧化硫，二氧化硫可能会与掩膜版发生化学结合，也可能会与铬或钼的硅化物发生物理结合。更好的清洗技术是使用氢化的水、含臭氧的水或热水，它们有助于降低残留物的浓度。另一个发展方向是无硫工艺。虽然无硫工艺存在的问题是对残留物的去除效果不如光刻胶等物质，但是它还算勉强可用。掩膜版上雾状缺陷的主要检查方法包括直接检查掩膜版和图像鉴定（检查晶圆上的光刻图形）。最近，KLA-Tencor和Toshiba一起研究了这两种方法的成本。比较结果表明，由于晶圆检查的早期预警效果不好，所以需要提高检查的频率（图2）。如果用直接检查掩膜版，每年就能节约很大的生产成本。