為提高成品率改善光刻工藝的一些方法資料

1、為提高成品率改善光刻工藝的一些方法作者：伍強(qiáng)詹思誠華虹NEC電子有限公司引言當(dāng)最小線寬(Critical Dime nsio n, CD)和對準(zhǔn)精度的變化大到一定程度，成品率將受到影響。在前道(Front-End-of-the-Line, FEOL)，諸如絕緣層和門電路層，最小線寬的變化會 影響到晶體管的電學(xué)特征，如關(guān)閉電流Ioff和漏極飽和電流Idsat。對0.13微米及以下，由于短通道效應(yīng)(Short Channel Effect)變得明顯，閾值電壓 Vt也會隨線寬的變化而波動。如果門電路層的線寬偏小，關(guān)閉電流會明顯變大，使芯片功耗大幅度增加，甚至出故障。對準(zhǔn)精度的不高會讓漏電流顯著增加。

2、在后道(Back-End-of-the-Line, BEOL)，不完美的最小線寬和對準(zhǔn)精度的控制會導(dǎo)致接觸電阻的升高或者其他可能的工藝問題，如金屬線的腐蝕。 所以，對如何針對日益縮小的制造線寬在成本允許下提升光刻工藝對最小線寬和對準(zhǔn)精度的 控制是至關(guān)重要的。從180納米產(chǎn)品開始，光學(xué)近距效應(yīng)變得顯著，其表現(xiàn)在明顯的二維效應(yīng)，女口，線端縮短(Line End Shortening)和方角鈍化 (Corner Rounding)。除了二維的效 應(yīng)之外，在一維，線寬隨空間周期的變化會變得對部分相干性(Partial Cohere nee)敏感。盡管在0.18微米，基于一些簡單規(guī)則的光學(xué)近距修正和一些

3、曝光條件的優(yōu)化已經(jīng)可以滿足 對線寬的控制要求，在0.13微米，更加復(fù)雜的基于模型的光學(xué)近距修正變的不可缺少。除了對線寬的控制以外， 很多0.18微米及以下的芯片設(shè)計(jì)對對準(zhǔn)精度的要求也越來越嚴(yán)。不超過60納米的對準(zhǔn)精度對絕大多數(shù)光刻機(jī)來講是輕而易舉的。但是40到50納米的對準(zhǔn)精度就顯得困難許多，而且還有可能受某些工藝，如化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical-Mechanical Polishing, CMP)的影響。20至U 30納米的對準(zhǔn)精度將是幾乎所有光刻機(jī)能達(dá)到的極限。在這樣緊的規(guī)格下，成功的對準(zhǔn)將依賴于對準(zhǔn)記號的質(zhì)量先進(jìn)光刻工藝中對線寬的控制化學(xué)增幅光刻膠 (Chemically Amplif

4、ied Resist, CAR)的使用改變了光刻學(xué)?；瘜W(xué)增幅，或利用光致酸進(jìn)行催化反應(yīng)的引入不僅實(shí)現(xiàn)了更好的成像形貌和反應(yīng)對比度，而且還提高了膠的靈敏度和機(jī)器產(chǎn)能1。但是盡管這樣的擴(kuò)散可以改善對焦深度(Depth ofFocus, DOF)和圖形邊緣的粗糙程度，實(shí)現(xiàn)這種催化反應(yīng)所需要的在曝光后的烘烤(俗稱后烘)(Post Exposure Bake, PEB)過程中的酸的隨機(jī)擴(kuò)散會損傷成像對比度2。在0.13微米及以下工藝，傳統(tǒng)上的黑白 (Binary)，或者鉻-玻璃(Chrome-on-Glass, COG) 掩 膜板已經(jīng)不能滿足對門電路的線寬控制要求。透射減幅的相移掩膜板(Atte nua

5、ted PhaseShifting Mask, Att-PSM)成為130納米和90納米工藝的標(biāo)準(zhǔn)配置。在65納米節(jié)點(diǎn)，甚至透射減幅的相移掩膜板也不能給門電路產(chǎn)生足夠的成像對比度。在這種情況下，對160納米至200納米的空間周期，只有使用193納米浸沒(Immersion)光刻技術(shù)或者交替相移掩膜板(Alternati ng Phase Shifti ng Mask, Alt-PSM)才能滿足對門電路最小線寬控制的3。在這篇文章中,要求。當(dāng)然，各種相移掩膜板的使用將引入更多的掩膜板制造成本 我們將討論幾個可能嚴(yán)重影響最小線寬的因素。掩膜板誤差因子掩膜板誤差因子 (Mask Error Fact

6、or, MEF)定義為在硅片上印出的線寬對掩膜板線寬的偏導(dǎo)數(shù)。能夠影響掩膜板誤差因子的因素有曝光條件、光刻膠性能、光刻機(jī)透鏡像差、 后烘溫度等。最近五年來文獻(xiàn)中曾經(jīng)有許多對掩膜板誤差因子的研究報告2、4-7。從這些研究我們看到：空間周期越小或者像對比度越小，掩膜板誤差因子越大。 對遠(yuǎn)大于曝光波長的圖形，或者在人們常說的線性范圍，掩膜板誤差因子通常非常接近1。對接近或者小于波長的圖形，掩膜板誤差因子會顯著增加。不過，在以下特殊情況下，掩膜板誤差因子會小于1 :使用交替相移掩膜板的線條光刻可以產(chǎn)生顯著小于1的掩膜板誤差因子2、6。這是因?yàn)樵诳臻g像場分布中的最小光強(qiáng)主要是由臨近相位區(qū)所產(chǎn)生的180度

7、相位突變產(chǎn)生的。改變相位突變地方的掩膜板上鉻線的寬度對線寬影響不大。掩膜板誤差因子在光學(xué)近距修正中細(xì)小補(bǔ)償結(jié)構(gòu)附近會顯著小于1。這是因?yàn)閷χ饕獔D形的細(xì)小改變不能被由衍射而造成分辨率有限的成像系統(tǒng)所敏感識別。通常對空間上有延伸的圖形，諸如線或縫、和接觸孔，掩膜板誤差因子都等于或大于1。因?yàn)檠谀ぐ逭`差因子的重要性在于它和線寬及掩膜板成本的聯(lián)系，將它限制在較小的范圍變的十分重要。例如，對門電路層，掩膜板誤差因子通常被要求控制在1.5 以下。直到最近，取得掩膜板誤差因子的數(shù)據(jù)需要通過數(shù)值模擬或者實(shí)驗(yàn)測量。對數(shù)值模擬， 如要達(dá)到一定的精確度需要依靠設(shè)定模擬參量的經(jīng)驗(yàn)。如果需要得到掩膜板誤差因子在整個參量

8、空間的分布信息，使用這類方法通常會比較慢。其實(shí)，對密集線或縫的成像，掩膜板誤差因子在理論上有解析的表達(dá)式。在空間周期 p小于波長I除以數(shù)值孔徑NA( p<NA )而且線或縫的寬度相等的特殊條件下，這解析的表達(dá)式可以簡化，寫成如公式>其中CD為硅片上印出的線寬，s為部分相干參數(shù) (0其中p<3pmin and pmin=l/(2NA), d是掩膜板上線寬。有了以上的公式，任何工程師可以輕松地得到任意給定的光刻機(jī)的性能極限。對孤立的圖形，現(xiàn)在還沒有找到解析形式的公式，數(shù)值模擬將是必需的。在插圖1中顯示在兩種不同的后烘時間長度的掩膜板誤差因子的數(shù)據(jù)。 此數(shù)據(jù)來源于波長為 193納米

9、和使用交替像移掩膜板的實(shí)驗(yàn)見引文2。數(shù)據(jù)用公式(3)進(jìn)行了擬合，從而得到了等效擴(kuò)散長度。等效擴(kuò)散長度在40和60秒的后烘時間長度分別為27合33納米。如果計(jì)入熱板溫度升高和各降低需要幾十秒鐘，等效后烘時間可以大致估計(jì)為 70和90秒，或者7 : 9。這同等效擴(kuò)散長度的比例 7.4 : 9幾乎呈正 比。這個實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了擴(kuò)散模型的正確性。如果如圖1所示的光刻膠用于 65納米門電路的光刻而且空間周期等于 180納米，讓掩膜板誤差因子等于或小于1.5所需要光刻膠的等效擴(kuò)散長度小于或者等于 27納米。類似結(jié)果也可以從使用透射減幅的相移掩膜板和黑白掩 膜板的情況中得到。通常為實(shí)現(xiàn)在門電路中掩膜板誤差因子小于

10、1.5，我們要選用30納米或者更精密的光刻膠。這正如附圖2所顯示見引文8: 90納米和130納米工藝中線和縫光刻中掩膜板誤差因子隨空間周期的變化圖2:90納米利 130納米線條的掩腥板誤差因于在各種等效擴(kuò)散長庫下隨空間闔期的變化厲丨自引文可。點(diǎn)擊看原圖根均萬波前栢位誤差（波枚）掃描型光刻機(jī)1掃描型光刻機(jī)2掃描型光刻機(jī)1掃描型光刻機(jī)2數(shù)值孑L徑國A0j6®0.6S0.620.62mmG.CS90.0490.05S0.03(55 mm0.0160.0330.012OitvnO.(MS0.0320.0230.0285 itoxi謳40.0570.0530.03110 mmUJ0540.04

11、7U.U430.034浜誡平均值0.0640.0430.02®等owgg米）>42-25>32-20表1 ：兩臺掃描型光刻機(jī)的根均方波前栢位謠差和它們造成的等效像模糊冃!自引文2i點(diǎn)擊看原圖光學(xué)近距效應(yīng)修正問題光學(xué)近距效應(yīng)源于相臨近的圖形上散射的光之間的干涉。有代表性的效應(yīng)包括在中等空間周期又叫禁止周期，見引文9上線寬的減小、線端縮短10-11、和方角鈍化。 對0.18微米及以上工藝，溫和的光學(xué)近距修正包括密疏線寬平衡、線端穩(wěn)定、和方角加裝飾 邊（Serif）已經(jīng)足以滿足對線寬均勻性的要求。當(dāng)然只要修正過程中仍然需要使用數(shù)學(xué)規(guī)則，就還會有出錯的可能。所以在修正以后需要做人

12、工或者自動的光學(xué)規(guī)則檢查（ORC）以查出可能出錯或者疏漏的地方。對0.18微米及以下工藝，更加復(fù)雜的基于模型的光學(xué)近距效應(yīng)修正就變的不可缺少因?yàn)樗梢杂枚?biāo)過的光學(xué)模型對各種復(fù)雜的情況做修正。不過，基于模型的光學(xué)近距效應(yīng)修正還有一些問題，我們在下面分析?；谀Ｐ偷墓鈱W(xué)近距效應(yīng)修正仍然使用規(guī)則來將在空間中有較大延伸的圖形分割成小 段，目的是將一個復(fù)雜的，很難處理的圖形分成一些簡單小段的集合，以便于計(jì)算機(jī)分別 處理。 但是這種處理方式會使得模型修正只針對局部的環(huán)境，而全然不顧更大范圍的近距 效應(yīng)。 這種處理方式在使用亞衍射極限的輔助散射條（Sub-Resolution Assist Feature

13、s,SRAF）來增強(qiáng)對焦深度時會變得更加不確定。因?yàn)橛幸恍┑胤綍瑫r需要增加水平的和垂直的輔助散射條，因而造成沖突。而且當(dāng)工藝本身沒有優(yōu)化，輔助散射條的缺失會造成斷線或縫不開。一方面，粗的分割會造成細(xì)小的圖形被漏掉，另一方面，太細(xì)的分割會產(chǎn)生一些過度的修正和修正錯誤，造成掩膜板檢查困難。所以，實(shí)現(xiàn)好的基于模型的光學(xué)近距效應(yīng)修正的關(guān)鍵在于制定一套好的圖形分割規(guī)則。而好的圖形分割規(guī)則又來源于工程師扎實(shí)的數(shù)學(xué)和編程功底和豐富的工作經(jīng)驗(yàn)。直到現(xiàn)在，基于模型的光學(xué)近距修正仍然沒有解決修正解的穩(wěn)定性問題。當(dāng)前一節(jié)講到的掩膜板誤差因子變得很大或者很小，而且當(dāng)模型又不是很準(zhǔn)確，修正解算可能不能收斂，會產(chǎn)生不穩(wěn)

14、定解。不僅如此，當(dāng)今的光學(xué)近距修正軟件還沒有檢查工藝窗口的能力，主要是指掩膜板誤差因子和焦深。盡管有時模型能找到穩(wěn)定和準(zhǔn)確的解，修正后的掩膜板也不一定有工藝窗口。要讓所有的解都具有好的工藝窗口還有賴于有經(jīng)驗(yàn)的工程師制定完善的檢查規(guī)則，以確保經(jīng)過修正的圖形符合工藝要求。總之，光學(xué)近距修正不是用來修補(bǔ)未優(yōu)化的工藝設(shè)計(jì)。一個好的工藝將擁有接近1的掩膜板誤差因子、高的能量裕度(Exposure Latitude, EL)、和足夠的焦深。這個工藝還將有小 的線寬隨空間周期的變化范圍盡管這種變化可以被修正。這是因?yàn)檫^多的隨空間周期的線寬變化有時是未優(yōu)化的曝光條件、不合格的光刻機(jī)、或者不合格的光刻膠的警告。

15、這些因素不僅會導(dǎo)致光學(xué)近距修正不能收斂，還會損害工藝窗口。透鏡像差近年來業(yè)界有不少有關(guān)透鏡像差的報道12-20。在所有像差中，球面像差(球差，Spherical Aberratio n, SA)、彗形象差 (彗差，Coma)、和像場彎曲(場曲，F(xiàn)ield Curvature)是比較常見的。嚴(yán)重的球差會影響掩膜板誤差因子和能量裕度。我們曾經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上對線條和接觸孔層仔細(xì)研究過球差對工藝窗口的損害21。在這項(xiàng)研究中，我們比較了兩臺深紫外掃描式光刻機(jī)(DUV Sca nner)并且第一次對球差造成的像的模糊以等效擴(kuò)散長度來量化。在這個實(shí)驗(yàn)中，我們得到根均方(root-mean-square, rms)

16、波前相位誤差 (wavefront error, WFE) 0.064個波長會造成41納米的像模糊程度，而根均方波前相位誤差0.043個波長將對應(yīng)31納米的像模糊。由于大多數(shù)光刻膠的等效擴(kuò)散長度為20到60納米，光刻機(jī)的波前相位誤差應(yīng)該被控制在0.04個波長以下，或者25納米的像模糊。 兩臺光刻機(jī)中比較好的那臺的根均方波前相位誤差是0.035個波長，其對應(yīng)的像模糊經(jīng)過計(jì)算大致為20納米。表1列舉了兩臺光刻機(jī)實(shí)際測得的根均方波前相位誤差。圖 3 ；橫向電分童(Transverse Electxic, TE)和橫向磁分童(T ransverse M agnetic,TM)的偏振光波及非偏撮光波在相

17、對折射率為1；的界面上的反射率隨入射角 的變化，彗差是由于斜入射光通過透鏡不同區(qū)域聚焦不在同一點(diǎn)產(chǎn)生的。線越是窄，光線經(jīng)過的透鏡區(qū)域越大，效應(yīng)也越明顯。彗差的存在不僅會造成圖形跟設(shè)計(jì)位置有位移誤差，還會改變硅片上的線寬 22。不僅如此，它還會影響成像質(zhì)量，比如能量裕度、焦深、和掩膜 板誤差因子。類似以上對像質(zhì)的評價實(shí)驗(yàn)也可以對彗差做，這里不再展開。另外一種重要的像差是像場彎曲。由于這種像差主要影響焦深，這種像差對門電路和接觸孔這類對焦深敏感的層有可能是致命的。在有一些掃描式光刻機(jī)中，場曲可以通過輕微調(diào)整照明激光的波長來消除。這是由于光刻機(jī)透鏡通常有很大的色散。在一般情況下，場曲需要被控制在峰峰

18、值 200納米之內(nèi)。硅片平臺水平控制盡管水平控制最初設(shè)計(jì)成探測硅底版的最上水平面，在實(shí)際工作中我們發(fā)現(xiàn)，它會受圖形的密度影響。硅片平臺的水平位置探測是通過測量大入射角(Grazi ng In cide nee)可見光的反射光點(diǎn)位置來實(shí)現(xiàn)的。理論上，如果入射角接近90度，幾乎所有的能量將從第一個界面上反射回來，從而使得最上層表面被探測。實(shí)際上，絕大多數(shù)光刻機(jī)上的入射角在70到78度之間。 在這種情況下，有很多光將不從最上表面反射。在后道工藝中，光刻所遇到的 底版的表面通常有很厚的透明介電層，從最上表面反射的光很少。正如插圖3所示，在空氣-玻璃類(折射率為1.5)界面上的平均反射能量對70到78度

19、的入射角分別只有17%和22%。所以被水平控制系統(tǒng)所監(jiān)控的平面不在最上表面，而在表面以下的某個平面。對后道工藝，在電介質(zhì)下面有經(jīng)過光刻的金屬或者多晶硅等高度反光的界面。因?yàn)榇┩副砻娴墓饩€會被這些結(jié)構(gòu)反射，反射的多少將由圖形的密度決定。所以，水平控制所定出的最終表 面”將是從最上表面往下的各反射面的加權(quán)平均。實(shí)踐顯示，前道層和后道層的焦距值可以相差達(dá)0.2到0.3微米，而由于下層圖形密度分布的對焦誤差可以達(dá)到+/- 50納米或以上。這樣的誤差對0.065微米工藝來講是災(zāi)難性的。對掃描型光刻機(jī)，在掃描方向上的水平控制會在掃描的過程中不斷的調(diào)整以補(bǔ)償任何表面形貌的變化。 上的形貌變化只能用一個平均值

20、來補(bǔ)償，包括高度和傾斜角。在非掃描方向上有變化，硅片上會出現(xiàn)對焦向一邊傾斜的現(xiàn)象。 需要加上一些輔助圖形，以配平圖形密度。但是在非掃描的方向所以如果下一層圖形密度要改變這些情況，版圖上Diffraction Orders圖4：對一套衍射探測的對準(zhǔn)系統(tǒng)中于階增強(qiáng)型對淮記號的模擬衍 射光譜引自引文24c先進(jìn)光刻中的對準(zhǔn)控制對準(zhǔn)記號的完好性40納米之內(nèi)的對準(zhǔn)精度的實(shí)現(xiàn)需要最佳的對準(zhǔn)、對準(zhǔn)精度的測量、和對準(zhǔn)記號。大多數(shù)現(xiàn)代的掃描型光刻機(jī)和對準(zhǔn)測量機(jī)器有很高的重復(fù)性和精確度。直接成像對準(zhǔn)的光刻機(jī)通常有20-35納米的對準(zhǔn)精度而掃描對準(zhǔn)的光刻機(jī)的對準(zhǔn)精度可達(dá)15納米。盡管對機(jī)器本身來說，實(shí)現(xiàn) 40納米的對

21、準(zhǔn)精度并不難，在真正的產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)40納米對準(zhǔn)精度并不容易。這是因?yàn)閷?zhǔn)記號的信號強(qiáng)度會隨集成工藝的變化而變化，還會被工藝引起的問題所影響。對準(zhǔn)記號的信號強(qiáng)度源于光強(qiáng)和相位對比度。在前道，絕緣層和門電路層的對準(zhǔn)信號是分別由淺槽絕緣層(Shallow-Tre nch-lsolatio n, STI)的深度和多晶硅的厚度決定的。如果記號的形貌高低差等于1/2波長，對準(zhǔn)信號將接近零。有代表性的信號強(qiáng)度為2% (直接成像型對準(zhǔn)系統(tǒng))23或者1% (掃描型對準(zhǔn)系統(tǒng))24。當(dāng)信號強(qiáng)度比較小時，我們還可以用分段型(Segmented Mark )的對準(zhǔn)記號來改善信號25。最佳的分段數(shù)由模擬決定?；诒∧し瓷淅?/p>

22、論和遠(yuǎn)場衍射理論的數(shù)學(xué)模型已經(jīng)被證明是很精確的24-25。插圖4顯示了模擬的掃描型對準(zhǔn)系統(tǒng)中5階增強(qiáng)型對準(zhǔn)記號的衍射光譜。插圖5顯示了直接成像型對準(zhǔn)系統(tǒng)的信號模擬結(jié)果，其中明顯表明分段型對準(zhǔn)記號比普通的單線對準(zhǔn)記號有更強(qiáng)的信號：多出50% 。5A-53525t sD .t口-3口 20-JIQ.m DODDAlwtKlE uopoejg七aHA 27Diffraction Orders圖4：對一套衍射探測的對準(zhǔn)系統(tǒng)中于階增強(qiáng)型對淮記號的模擬衍 射光譜引自引文24cI .IDD.1SD.ZDD.Z£hr Thickness (u rn)triple (jQd 電 -/ingle圖久模擬

23、的單根、兩根、和三根線對淮記號的信號對比度隨多晶 硅層厚度的變化引自引文25.使用交替相移掩膜板中的對準(zhǔn)問題相位精度的控制對透射減幅的掩膜板可以相對寬松一些，可以達(dá)到+/-6度。這是由于光刻工藝對其不敏感。 但是對交替相移掩膜板來講，精度需要再嚴(yán)格一些， 因?yàn)橄辔徽`差 會造成圖形在離焦時的水平移動。如果最大的移動需要被控制在 10%的線寬之內(nèi)，對最小的空間周期，相位誤差需要被控制在 +/-2度之內(nèi)26。根據(jù)研究26，相位誤差 Df、空 間周期p、圖形平移量 DCDs、和離焦量 Df之間的幾何關(guān)系可以表示成，以上公式在相位區(qū)的寬度小于波長時是精確的。當(dāng)相位區(qū)的寬度約等于空間周期的一半時，對193

24、納米光刻，公式(4)可以使用的最寬空間周期為 386納米。對更寬的幾何 形狀， 公式(4)的幾何關(guān)系仍然成立，僅僅正比系數(shù)有所改變。對完全孤立的線，公式 可以寫成，0C2 = 4 空0P剤1邊是孤立的垠，類似公式將變?yōu)?，I p點(diǎn)擊看原圖不過，這個簡單的理論，盡管在物理和幾何上十分清楚，僅代表當(dāng)空間圖像沒有被等效擴(kuò)散長度顯著影響的情況。結(jié)論我們對提高線寬和對準(zhǔn)精度的工藝控制水平提了一些基本方法。針對線寬的均勻性提高，我們指出了可以改進(jìn)的四個方面：掩膜板誤差因子，光學(xué)近距修正，透鏡像差，和硅片 平臺水平控制。同時我們又論述了對準(zhǔn)記號的完好性對實(shí)現(xiàn)高對準(zhǔn)精度，尤其是在當(dāng)今的 工藝線寬下的重要性。感謝

25、我們在這里對華虹NEC的生產(chǎn)技術(shù)部、技術(shù)開發(fā)部的同事和領(lǐng)導(dǎo)對此項(xiàng)工作給予的大力支持表示衷心的感謝。參考文獻(xiàn)一覽,Proc. SPIE1W. Hinsberg, F. Houle, M. Sanchez, J. Hoffnagle, G. Wallraff, D. Medeiros, G. Gallat in, and J.Cobb, “ Exte ndibility of Chemically Amplified Resists: An other Brick Wall? 5039, 1 (2003).2. Q. Wu, S.D. Halle, and 乙 Zhao,“ Effect of t

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