掩膜版缺陷分析与消除

周文 束名扬 兰翔

摘 要 掩膜版在生产、使用和保存的过程中，均有可能产生缺陷。掩膜版上缺陷的存在，会直接影响到每一个芯片的性能，严重者可能会造成整批晶圆的报废。本文主要讨论掩膜版的缺陷类型与来源，并通过掩膜版修补技术消除硬缺陷，通过清洗技术消除软缺陷。

关键词 掩膜版;缺陷;RCA清洗;UV+O3

引言

掩膜版，也称光罩，是微电子制造领域中联系设计和制造的中间环节，是通过光刻工艺实现图形转移的膜版，通过曝光的方式，将掩膜版所承载的设计图形转移到晶圆上。光刻工艺中，每一层加工工序都需要对应的掩膜版，在大规模集成电路中，由于集成度越来越高，通常需要多层的设计图形进行叠加，才能实现相应的功能。掩膜版一旦产生缺陷，缺陷会重复传递到每一个芯片或者晶圆上，直接影响光刻工艺的良率，甚至造成整批产品的报废，因此掩膜版缺陷的消除对质量的提升有着重要的意义。

1掩膜版缺陷分类与来源

1.1 掩膜版缺陷分类

掩膜版缺陷有很多种，常见类型见图1，一般分为硬缺陷和软缺陷[1]。硬缺陷无法采用清洗的方式去除，它是图形的缺陷。常见的有遮光材料的缺失（例如针孔、裂口）、遮光材料的多余（例如小島、突起）、玻璃划伤等。

软缺陷，通常称为污染缺陷，它可以采用清洗的方式消除。常见的软缺陷有指纹、灰尘、水迹或化学污染斑迹等。在光刻工艺的曝光过程中，污染缺陷会改变光线的透射，造成需要曝光的地方曝光能量不足或者未曝光，从而影响光刻的良率。

1.2 掩膜版缺陷来源

掩膜版的硬缺陷主要来源于掩膜版生产环节或者光刻工艺中不恰当的使用环节。

（1）透光缺陷。主要是指掩膜版表面铬层的缺失。掩膜版生产过程中，基材铬层存在缺陷，或者光刻胶中含有杂质，均可能在成品掩膜版上形成透光缺陷。在晶圆厂使用过程中，特别是采用接触式曝光方式时，一旦晶圆表面存在硬颗粒时，掩膜版表面铬层在硬物作用下容易产生磨损，形成透光缺陷。

（2）不透光缺陷。主要是掩膜版表面铬层的多余。当掩膜版曝光过程中，若基材上存在颗粒，会造成此处光刻胶曝光能量不足，无法被显影液溶解，后续刻蚀工艺环节中此处铬无法被刻蚀掉形成铬残留。

（3）玻璃缺陷。掩膜版玻璃基材中可能存在气泡、颗粒、小坑、裂纹等缺陷，会直接影响掩膜版的透光率。常见玻璃基材有苏打玻璃、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优越，但价格昂贵。

掩膜版的软缺陷通常是在工艺中引进的：

（1）颗粒来源于工艺设备、环境、气体、化学试剂和去离子水，主要是一些聚合物、光刻胶残留等，颗粒吸附于掩膜版表面主要靠范德瓦尔斯吸引力，所以对颗粒的去除方法主要以物理或化学的方法对颗粒进行底切，减少颗粒与表面的接触面积，从而去除颗粒。

（2）有机物沾污通常来源于环境中的有机蒸汽、存储容器、光刻胶的残留和生产操作中引入的手印。有机杂质会生成疏水层，使掩膜版表面无法得到彻底的清洗。

（3）无机物沾污来源于化学试剂和刻蚀等工艺中，主要是金属离子污染。

2掩膜版硬缺陷的消除

2.1 激光修复技术

早期掩膜版修复主要采用激光修复的方式，但是受到激光束斑尺寸的限制，修复精度仅能达到微米级，而且修复的边缘不整齐。但是激光修复简单，效率高，修复成本低，因此在微米级的掩膜版制造中仍然有着广泛的应用。

2.2 聚焦离子束（FIB）技术

亚微米级掩膜版最常用的修复方法是聚焦离子束（FIB）。聚焦离子束（FIB）采用离子源发射的离子束，在电场和磁场的作用下，离子束经过加速聚焦后作为入射束，通过偏转系统控制离子束，使得高能量的离子在特定区域表面进行数字光栅扫描，从而实现亚微米甚至纳米量级的微细加工。

FIB技术在掩膜版修复方面主要有以下应用：

（1）通过高能离子束溅射来去除不需要的遮光材料

掩膜版遮光层一般为铬层，厚度为100nm左右，用离子束溅射去除铬层时需要严格控制剥离的深度。当离子束剥离了铬层后继续对玻璃进行溅射时，会造成玻璃损伤，形成新的缺陷，因此需配合“终点检测”技术，控制剥离的深度。

另一个问题就是镓离子污染，会降低石英玻璃的透光率。在离子溅射后，采用RIE（反应离子刻蚀）将注入有镓离子的表层玻璃刻蚀去除，使石英玻璃的透光率恢复到90%以上。

（2）结合气体注入系统（Gas Injection System，GIS），进行定位诱导化学气相沉积，生长金属材料，修补透光缺陷

通过气体注入系统（GIS）将气相反应前驱物喷射到需要修补的透光缺陷区域，同时聚焦离子束对设定的图形区域进行扫描，气相前驱物受到离子束的辐照而发生分解，从而在透光缺陷区域沉积一层金属。

3掩膜版软缺陷的消除

掩膜版软缺陷的消除主要依靠清洗，先进的掩膜版清洗技术可以最大程度的保证掩膜版的洁净程度，降低掩膜版雾状缺陷的生长速率。目前国际上主流的清洗技术分为传统的RCA清洗以及UV+O3这两种清洗方式。

3.1 RCA清洗技术

RCA掩膜清洗技术是在半导体晶圆清洗技术基础上发展的洗净技术[4]。掩膜版清洗选用RCA清洗中的SPM溶液和SC-1清洗液。其工作原理如下见图2：

SPM溶液：主要成分为H2SO4+H2O2，温度为100～130℃，主要用于去除表面的有机污染物。有机污染物的存在，会在表面形成一层疏水膜，降低后续清洗液的效率，因此清洗第一步需要将有机污染物去除。高温SPM溶液具有很高的氧化能力，能将有机物氧化生成CO2和H2O。经过SPM溶液后，掩膜版表面会残留有硫酸根离子。硫酸根离子的存在，结合空气中的水分子与铵盐易形成硫酸铵结晶，即掩膜版常见的雾状缺陷，这种缺陷在早期的掩膜版中经常发现。