掩膜版缺陷分析與消除

周文 束名揚 蘭翔

摘 要 掩膜版在生產、使用和保存的過程中，均有可能產生缺陷。掩膜版上缺陷的存在，會直接影響到每一個芯片的性能，嚴重者可能會造成整批晶圓的報廢。本文主要討論掩膜版的缺陷類型與來源，并通過掩膜版修補技術消除硬缺陷，通過清洗技術消除軟缺陷。

關鍵詞 掩膜版;缺陷;RCA清洗;UV+O3

引言

掩膜版，也稱光罩，是微電子制造領域中聯系設計和制造的中間環節，是通過光刻工藝實現圖形轉移的膜版，通過曝光的方式，將掩膜版所承載的設計圖形轉移到晶圓上。光刻工藝中，每一層加工工序都需要對應的掩膜版，在大規模集成電路中，由于集成度越來越高，通常需要多層的設計圖形進行疊加，才能實現相應的功能。掩膜版一旦產生缺陷，缺陷會重復傳遞到每一個芯片或者晶圓上，直接影響光刻工藝的良率，甚至造成整批產品的報廢，因此掩膜版缺陷的消除對質量的提升有著重要的意義。

1掩膜版缺陷分類與來源

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、水跡或化學污染斑跡等。在光刻工藝的曝光過程中，污染缺陷會改變光線的透射，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 掩膜版缺陷來源

掩膜版的硬缺陷主要來源于掩膜版生產環節或者光刻工藝中不恰當的使用環節。

（1）透光缺陷。主要是指掩膜版表面鉻層的缺失。掩膜版生產過程中，基材鉻層存在缺陷，或者光刻膠中含有雜質，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，一旦晶圓表面存在硬顆粒時，掩膜版表面鉻層在硬物作用下容易產生磨損，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。當掩膜版曝光過程中，若基材上存在顆粒，會造成此處光刻膠曝光能量不足，無法被顯影液溶解，后續刻蝕工藝環節中此處鉻無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越，但價格昂貴。

掩膜版的軟缺陷通常是在工藝中引進的：

（1）顆粒來源于工藝設備、環境、氣體、化學試劑和去離子水，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，所以對顆粒的去除方法主要以物理或化學的方法對顆粒進行底切，減少顆粒與表面的接觸面積，從而去除顆粒。

（2）有機物沾污通常來源于環境中的有機蒸汽、存儲容器、光刻膠的殘留和生產操作中引入的手印。有機雜質會生成疏水層，使掩膜版表面無法得到徹底的清洗。

（3）無機物沾污來源于化學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 激光修復技術

早期掩膜版修復主要采用激光修復的方式，但是受到激光束斑尺寸的限制，修復精度僅能達到微米級，而且修復的邊緣不整齊。但是激光修復簡單，效率高，修復成本低，因此在微米級的掩膜版制造中仍然有著廣泛的應用。

2.2 聚焦離子束（FIB）技術

亞微米級掩膜版最常用的修復方法是聚焦離子束（FIB）。聚焦離子束（FIB）采用離子源發射的離子束，在電場和磁場的作用下，離子束經過加速聚焦后作為入射束，通過偏轉系統控制離子束，使得高能量的離子在特定區域表面進行數字光柵掃描，從而實現亞微米甚至納米量級的微細加工。

FIB技術在掩膜版修復方面主要有以下應用：

（1）通過高能離子束濺射來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需要嚴格控制剝離的深度。當離子束剝離了鉻層后繼續對玻璃進行濺射時，會造成玻璃損傷，形成新的缺陷，因此需配合“終點檢測”技術，控制剝離的深度。

另一個問題就是鎵離子污染，會降低石英玻璃的透光率。在離子濺射后，采用RIE（反應離子刻蝕）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到90%以上。

（2）結合氣體注入系統（Gas Injection System，GIS），進行定位誘導化學氣相沉積，生長金屬材料，修補透光缺陷

通過氣體注入系統（GIS）將氣相反應前驅物噴射到需要修補的透光缺陷區域，同時聚焦離子束對設定的圖形區域進行掃描，氣相前驅物受到離子束的輻照而發生分解，從而在透光缺陷區域沉積一層金屬。

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，先進的掩膜版清洗技術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速率。目前國際上主流的清洗技術分為傳統的RCA清洗以及UV+O3這兩種清洗方式。

3.1 RCA清洗技術

RCA掩膜清洗技術是在半導體晶圓清洗技術基礎上發展的洗凈技術[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污染物。有機污染物的存在，會在表面形成一層疏水膜，降低后續清洗液的效率，因此清洗第一步需要將有機污染物去除。高溫SPM溶液具有很高的氧化能力，能將有機物氧化生成CO2和H2O。經過SPM溶液后，掩膜版表面會殘留有硫酸根離子。硫酸根離子的存在，結合空氣中的水分子與銨鹽易形成硫酸銨結晶，即掩膜版常見的霧狀缺陷，這種缺陷在早期的掩膜版中經常發現。