Nanoschaal geïntegreerd circuit fabricageproces - (Fotolithografie)

Inleiding tot fotolithografietechnologie

Ontwikkelingsgeschiedenis van de fotolithografietechnologie

Sinds Jack S. Kilby op 12 september 1958 's werelds eerste geïntegreerde schakeling uitvond, hebben geïntegreerde schakelingen een snelle ontwikkeling doorgemaakt gedurende meer dan 50 jaar. De minimale lijnbreedte ligt nu tussen de 20 en 30 nm. tijd, en komt in het diepe submicronbereik. Fotolithografietechnologie, een van de belangrijkste technologieën, is ook geëvolueerd van het eerste gebruik van vergrotende lenzen, vergelijkbaar met die in fotografische apparatuur, tot de huidige immersie-type 1.35 hoge numerieke apertuur, die de mogelijkheid heeft om automatisch de beeldkwaliteit te regelen en aan te passen, met een diameter van meer dan een halve meter en een gewicht van een halve ton. gigantische lensset. De functie van fotolithografie is om halfgeleidercircuitpatronen laag voor laag op siliciumwafers te printen. Het idee komt van de al lang bestaande printtechnologie. Het verschil is dat printen informatie registreert door inkt te gebruiken om veranderingen in lichtreflectie op papier te produceren. , terwijl fotolithografie de fotochemische reactie van licht en lichtgevoelige stoffen gebruikt om veranderingen in contrast te bereiken.

De druktechnologie ontstond voor het eerst in de late Han-dynastie in China. Meer dan 800 jaar later voerde Bi Sheng van de Song-dynastie revolutionaire verbeteringen door en transformeerde hij het vaste blokdrukken in het drukken van losse letters, wat zich vervolgens snel ontwikkelde. Tegenwoordig is de laserfotozettechnologie ontwikkeld. "Fotolithografie" in de huidige betekenis begon met de pogingen van Alois Senefedler in 1798. Toen hij zijn boek in München, Duitsland, probeerde te publiceren, ontdekte hij dat als hij olieverfpotlood gebruikte om illustraties op poreus kalksteen te tekenen en de ongetekende gebieden met water bevochtigde, de inkt alleen lijm zou zijn waar je met potlood tekende. Deze techniek wordt lithografie genoemd, of tekenen op steen. Lithografie was de voorloper van moderne multiregistratie.

Basismethoden van fotolithografie

Hoewel er enkele overeenkomsten zijn, gebruikt fotolithografie in geïntegreerde schakelingen licht in plaats van inkt, en de gebieden met inkt en zonder inkt worden de gebieden met licht en zonder licht op het masker. In de industrie van de productie van geïntegreerde schakelingen wordt lithografie daarom ook wel fotolithografie of lithografie genoemd. Net zoals inkt op oliebasis selectief op kalksteen wordt afgezet, kan licht alleen door de transparante gebieden op het masker heen en wordt het geprojecteerde licht vastgelegd op een lichtgevoelig materiaal dat fotoresist wordt genoemd. Een eenvoudig schematisch diagram van het fotolithografieproces wordt weergegeven in Afbeelding 7.1.

Omdat de fotoresist een verandering in oplossnelheid ondergaat in de ontwikkelaar na blootstelling aan ultraviolet (UV) licht, wordt het patroon op het masker overgebracht naar de fotoresistlaag bovenop de siliciumwafer. De gebieden die bedekt zijn door de fotoresist kunnen verdere overdracht van het maskerpatroon bereiken door verdere verwerking (zoals etsen of ionenimplantatie) te voorkomen.

Sinds 1960 kan de fotolithografietechnologie worden onderverdeeld in de volgende drie typen: contactbelichting, nabijheidbelichting en projectiebelichting. De vroegste was contact- of nabijheidbelichting, wat de hoofdmoot van de productie was tot het midden van de 19e eeuw. Voor contactbelichting is de resolutie geen probleem, aangezien er theoretisch geen opening is tussen het masker en de bovenkant van de siliciumwafer. Omdat contact echter defecten zal veroorzaken door slijtage van het masker en de fotoresist, kozen mensen uiteindelijk voor nabijheidbelichting. Bij nabijheidbelichting worden defecten weliswaar vermeden, maar de resolutie van nabijheidbelichting is beperkt tot 3 μm of groter vanwege de aanwezigheid van openingen en lichtverstrooiing. De theoretische limiet van de resolutie van nabijheidbelichting is

Onder hen,

k vertegenwoordigt de parameters van de fotoresist, gewoonlijk tussen 1 en 2;

CD vertegenwoordigt de minimale grootte, dat wil zeggen de kritische dimensie, die gewoonlijk overeenkomt met de minimale oplosbare ruimtelijke periodelijnbreedte;

λ verwijst naar de belichtingsgolflengte;

g geeft de afstand weer van het masker tot de opening op het fotoresistoppervlak (g=0 komt overeen met contactbelichting)

Omdat g doorgaans groter is dan 10μm (beperkt door de oppervlaktevlakheid van het masker en de siliciumwafer), is de resolutie sterk beperkt, zoals 3μm voor een belichtingsgolflengte van 450 nm. Contactblootstelling kan 0,7μm bereiken.

Om de dubbele moeilijkheid van defecten en resolutie te overwinnen, werd een projectiebelichtingsschema voorgesteld, waarin het masker en de siliciumwafer meer dan enkele centimeters van elkaar verwijderd zijn. Optische lenzen worden gebruikt om de patroonlens op het masker op de siliciumwafer af te beelden. Omdat de markt vraagt ​​om grotere chipgroottes en strengere controle op de uniformiteit van de lijnbreedte, is projectiebelichting ook geleidelijk geëvolueerd van de oorspronkelijke

volledige blootstelling van siliciumwafers tot volledige blootstelling van siliciumwaferscans (zie figuur 7.2 (a))

stap-en-herhaalbelichting (zie figuur 7.2 (b))

stap-en-scanbelichting (zie figuur 7.2 (c))

De hele silicium wafer 1:1 belichtingsmethode heeft een eenvoudige structuur en vereist geen hoge monochromaticiteit van licht. Echter, naarmate de chipgrootte en silicium wafergrootte groter en groter worden, en de lijnbreedte fijner en fijner wordt, kan het optische systeem het patroon niet op de hele silicium wafer tegelijk projecteren zonder de beeldkwaliteit te beïnvloeden, en wordt blokbelichting onvermijdelijk.

Een van de blokbelichtingsmethoden is de hele siliciumwaferscanmethode, zoals weergegeven in Afbeelding 7.2 (a). Deze methode scant en belicht continu het patroon op het masker op de siliciumwafer via een boogvormig gezichtsveld. Het systeem gebruikt twee bolvormige spiegels met dezelfde optische as, en hun kromtestraal en installatieafstand worden bepaald door de vereiste van geen aberratie.

Omdat de chipgrootte en de grootte van de siliciumwafer echter steeds groter worden en de lijnbreedte steeds fijner wordt, wordt het bij 1x belichting steeds moeilijker om het masker te maken met een hoge nauwkeurigheid bij de patroonproductie en plaatsing.

Daarom ontstond eind jaren 70 een machine met gereduceerde vergroting en blokbelichting. Het chippatroon wordt één voor één aan de siliciumwafer blootgesteld, zoals weergegeven in Afbeelding 7.2 (b). Daarom wordt dit belichtingssysteem met gereduceerde vergroting een step-and-repeat-systeem of stepper genoemd.

Echter, naarmate de chipgrootte en de siliciumwafergrootte groter worden en de lijnbreedtecontrole strenger wordt, kunnen zelfs de technische mogelijkheden van de stepper niet aan de behoeften voldoen. Het oplossen van de tegenstelling tussen deze vraag en de huidige technologie leidde direct tot de geboorte van de step-and-scan-belichtingsmachine, zoals weergegeven in Afbeelding 7.2 (c). Dit apparaat is een hybride die de voordelen van de vroege full-wafer scanning-belichtingsmachine en de latere step-and-repeat-belichtingsmachine combineert: het masker wordt gescand en geprojecteerd in plaats van in één keer geprojecteerd, en de hele siliciumwafer wordt ook in blokken belicht. Dit apparaat draagt ​​de optische moeilijkheden over op hoge mechanische positionering en controle. Dit apparaat wordt tot op de dag van vandaag door de industrie gebruikt, met name bij de productie van halfgeleiderchips op 65nm en lagere technologieknooppunten.

De belangrijkste fabrikanten van lithografiemachines ter wereld zijn ASML in Nederland, Nikon en Canon in Japan en andere fabrikanten van niet-volledige lithografiemachines, zoals Ultrastepper.

De productie van binnenlandse geavanceerde scanning lithografiemachines begon laat. Na 2002 werd het voornamelijk ontwikkeld door Shanghai Microelectronics Equipment Co., Ltd. (SMEE). Binnenlandse lithografiemachines hebben zich ontwikkeld van het repareren van tweedehands lithografiemachines tot het onafhankelijk ontwikkelen en produceren van lithografiemachines. De meest geavanceerde lithografiemachine die momenteel in ontwikkeling is, is de 193nm SSA600/20 (zie Afbeelding 7.3). Hoewel er nog steeds een grote kloof is met het geavanceerde niveau van de wereld, moet worden gezegd dat er bevredigende vooruitgang is geboekt. De numerieke apertuur is 0,75, het standaard belichtingsveld is 26×33mm, de resolutie is 90nm, de overlay-nauwkeurigheid is 20nm en de 300mm productiecapaciteit is 80 stuks per uur.

Andere methoden voor beeldoverdracht

Het is bekend dat een richting voor de verdere ontwikkeling van fotolithografie het reduceren van de golflengte is. Deze inspanning is echter belemmerd door factoren zoals de ontwikkeling van geschikte 157nm fotoresists, maskerbeschermende films (pellicles) en het productievolume van lensmaterialen zoals calciumfluoride (
). In de afgelopen 20 jaar hebben mensen echter veel onderzoek gedaan naar fotolithografie met extreme ultraviolette (EUV) golflengte. Deze technologie maakt gebruik van 13,5 nm extreem ultraviolet licht dat wordt uitgezonden door xenon of tinplasma dat wordt gegenereerd door sterke lasers of hoogspanningsontladingen. Hoewel de hoge resolutie die EUV-technologie biedt erg aantrekkelijk is, kent deze technologie ook veel technische problemen, zoals de spiegel die gemakkelijk wordt vervuild door het spatmateriaal dat wordt gegenereerd door de puls, het extreem ultraviolette licht wordt gemakkelijk geabsorbeerd (waardoor het systeem een ​​extreem hoog vacuüm en het minimale aantal reflecterende lenzen nodig heeft), de strenge eisen voor het masker (geen defecten en hoge reflectiviteit), de schittering die wordt veroorzaakt door de korte golflengte, de reactiesnelheid van de fotoresist en de resolutie, enz.

Naast het gebruik van traditioneel licht om het maskerpatroon over te brengen, is men ook op zoek naar andere microlithografiemethoden, zoals röntgenstraling, nano-imprint, multi-elektronenbundel direct schrijven, elektronenbundel- en ionenbundelprojectie, enzovoort.

Systeemparameters van fotolithografie

Golflengte, numerieke apertuur, beeldruimtemedium brekingsindex

Eerder werd vermeld dat de resolutie van nabijheidsbelichting snel verslechtert naarmate de afstand tussen het masker en de siliciumwafer toeneemt. In de projectiebelichtingsmethode wordt de optische resolutie bepaald door de volgende formule, namelijk:

Onder hen,
vertegenwoordigt een evenredigheidscoëfficiënt die de moeilijkheidsgraad van het fotolithografieproces kenmerkt. Over het algemeen gesproken,
ligt tussen {{0}}.25 en 1.0. Dit is eigenlijk de beroemde formule van Rayleigh. Volgens deze formule wordt de optische resolutie bepaald door de golflengte λ, de numerieke apertuur NA en de procesgerelateerde
. Als u een kleiner patroon moet afdrukken, kan de gebruikte methode zijn om tegelijkertijd de belichtingsgolflengte te verkleinen, het numerieke diafragma te vergroten, de
waarde, of verander een van de factoren. In deze sectie zullen we eerst de bestaande resultaten introduceren van het verbeteren van de resolutie door de golflengte te verkleinen en de numerieke apertuur te vergroten. Hoe de resolutie te verbeteren door de
De factor onder de aanname van een vaste golflengte en numerieke apertuur wordt later besproken.

Hoewel een korte golflengte een hoge resolutie kan bereiken, moeten ook verschillende andere belangrijke parameters met betrekking tot de lichtbron in overweging worden genomen, zoals lichtsterkte (helderheid), frequentiebandbreedte en coherentie (coherentie wordt later in detail beschreven). Na uitgebreide screening werd de hogedrukkwiklamp geselecteerd als een betrouwbare lichtbron vanwege de helderheid en vele scherpe spectrale lijnen. Verschillende belichtingsgolflengten kunnen worden geselecteerd door filters van verschillende golflengten te gebruiken. Het vermogen om één enkele golflengte van licht te selecteren is cruciaal voor fotolithografie, omdat een algemene stepper chromatische aberratie zal produceren voor niet-monochromatisch licht, wat resulteert in een afname van de beeldkwaliteit. De G-lijn, H-lijn en I-lijn die in de industrie worden gebruikt, verwijzen respectievelijk naar de 436 nm, 405 nm en 365 nm kwiklampspectra die door de belichtingsmachine worden gebruikt (zie Afbeelding 7.4).

Omdat de optische resolutie van de I-line stepper slechts 0.25μm kan bereiken, heeft de vraag naar een hogere resolutie de belichtingsgolflengte naar een kortere golflengte geduwd, zoals het Deep UltraViolet (DUV) spectrum van 150-300nm. De uitbreiding van hogedrukkwiklampen in het diepe ultraviolet is echter niet ideaal, niet alleen vanwege onvoldoende intensiteit, maar ook omdat de straling in de langegolflengteband hitte en vervorming zal produceren. Gewone ultravioletlasers zijn ook niet ideaal, zoals argonionlasers, omdat overmatige ruimtelijke coherentie spikkels zal veroorzaken en de uniformiteit van de verlichting zal beïnvloeden. Daarentegen zijn excimerlasers geselecteerd als ideale lichtbronnen voor diep ultraviolet vanwege hun volgende voordelen.

(1) Hun hoge vermogen maximaliseert de productiviteit van de lithografiemachine;

(2) Hun ruimtelijke incoherentie elimineert, in tegenstelling tot andere lasers, spikkels;

(3) Het hoge vermogen maakt het gemakkelijk om geschikte fotoresists te ontwikkelen;

(4) Optisch gezien maakt het vermogen om een ​​diepe ultraviolette output te produceren met een smalle frequentie (zo smal als een paar pm) het mogelijk om hoogwaardige lenzen voor volledig kwartslithografiemachines te ontwerpen.

Daarom zijn excimerlasers de gangbare lichtbron geworden voor geïntegreerde circuitproductielijnen van 0.5μm en lager, en het eerste rapport werd gepubliceerd door Jain et al. Met name de twee excimerlasers, kryptonfluoride (KrF) met een golflengte van 248 nm en argonfluoride (ArF) met een golflengte van 193 nm, hebben uitstekende prestaties laten zien in termen van belichtingsenergie, bandbreedte, bundelvorm, levensduur en betrouwbaarheid. Daarom worden ze veel gebruikt in geavanceerde step-and-scanlithografiemachines, zoals ASML's dual-platform Twinscan XT: 1000H (KrF), Twinscan XT: 1450G (ArF) en Nikon's NSR-S210D (KrF), NSR-310F (ArF).

Natuurlijk zijn mensen nog steeds op zoek naar lichtbronnen met een kortere golflengte, zoals de 157nm laser die wordt gegenereerd door fluormoleculen
Vanwege de moeilijkheid om geschikte fotoresists, maskerbeschermfolies (pellicles) te ontwikkelen en het productievolume van lensmateriaal calciumfluoride (
), kan de 157nm lithografietechnologie het halfgeleiderproces slechts met één knooppunt verlengen, dat wil zeggen van 65nm naar 45nm; terwijl de eerdere ontwikkeling van de 193nm lithografietechnologie de productieknooppunt uitbreidde van 130nm naar twee knooppunten: 90nm en 65nm, wat resulteerde in de uiteindelijke stopzetting van de inspanningen om de massaproductie van de 157nm lithografietechnologie te commercialiseren. De ontwikkeling van belichtingsgolflengte met procesknooppunten wordt weergegeven in Afbeelding 7.5.

Naast het verkorten van de belichtingsgolflengte kunt u de resolutie ook verbeteren door de numerieke apertuur (NA) van het projectie-/scanapparaat te vergroten.

Waarbij n de brekingsindex in de beeldruimte voorstelt en θ de maximale halve hoek van de objectieflens in de beeldruimte voorstelt, zoals weergegeven in Figuur 7.6.

Als het medium van de beeldruimte lucht of vacuüm is, ligt de brekingsindex dicht bij 1.0 of 1.0 en is de numerieke apertuur sinθ. Hoe groter de hoek van de objectieflens in de beeldruimte, hoe groter de resolutie van het optische systeem. Als de afstand tussen de lens en de siliciumwafer onveranderd blijft, geldt natuurlijk dat hoe groter de numerieke apertuur, hoe groter de diameter van de lens. Hoe groter de lensgrootte, hoe groter de productiemoeilijkheid en hoe complexer de structuur.

Meestal wordt de maximaal haalbare numerieke apertuur bepaald door de maakbaarheid en productiekosten van de lenstechnologie. Momenteel is de typische I-line scanning lithografiemachine (ASML's Twinscan XT: 450G) uitgerust met een lens met een maximale NA van 0.65, die dichte lijnen van 220nm en een ruimtelijke periode van 440nm kan onderscheiden. De hoogste numerieke apertuur van de golflengte van kryptonfluoride (KrF) is 0,93 (ASML's Twinscan XT: 1000H), die dichte lijnen van 80nm kan onderscheiden (ruimtelijke periode van 160nm). De meest geavanceerde ArF lithografiemachine heeft een numerieke apertuur van 0,93 (ASML's Twinscan XT: 1450G), die dichte lijnen van 65nm kan printen (ruimtelijke periode van 120nm).

Zoals eerder vermeld, kan de numerieke apertuur niet alleen worden vergroot door de openingshoek van de lens in de beeldruimte te vergroten, maar ook door de brekingsindex van de beeldruimte te vergroten. Als water in plaats van lucht wordt gebruikt om de beeldruimte te vullen, wordt de brekingsindex van de beeldruimte verhoogd tot 1,44 bij een golflengte van 193 nm. Dit komt overeen met het in één keer verhogen van de 0.93 NA in lucht tot 1,34 NA. De resolutie wordt met 30% tot 40% verbeterd. Daarom begon in 2001 een nieuw tijdperk van immersielithografie. De meest geavanceerde commerciële immersiescanlithografiemachines zijn ASML's Twinscan NXT: 1950i en Nikon's NSR-S610C, zoals weergegeven in figuur 7.7 (a) en 7.7 (b). De situatie van immersielithografie wordt later in detail beschreven.

Weergave van fotolithografische resolutie

Eerder werd vermeld dat de resolutie van de fotolithografie wordt bepaald door de numerieke apertuur en de golflengte van het systeem, en natuurlijk is deze gerelateerd aan de methode voor het verbeteren van de resolutie van de fotolithografie die verband houdt met de factor
. Deze sectie introduceert voornamelijk hoe de resolutie van het fotolithografieproces beoordeeld kan worden. We weten dat de resolutie van het optische systeem gegeven wordt door het beroemde Rayleigh-criterium. Wanneer twee puntlichtbronnen van dezelfde grootte dicht bij elkaar staan, is de afstand van hun middelpunt tot middelpunt gelijk aan de afstand van de maximumwaarde tot de eerste minimumwaarde van de lichtintensiteit van elke lichtbron die door het optische instrument wordt afgebeeld. Het optische systeem kan niet onderscheiden of het twee of één lichtbron is, zoals weergegeven in Afbeelding 7.8. Echter, zelfs als het voldoet aan het Rayleigh-criterium, is de lichtintensiteit in het gebied tussen de twee puntlichtbronnen nog steeds lager dan de piekwaarde, met een contrast van ongeveer 20%. Voor een lijnlichtbron, wanneer de breedte van de lichtbron oneindig klein is, voor een optisch systeem met een numerieke apertuur van NA en een golflengte van de verlichtingslichtbron van λ, is de lichtintensiteitsverdeling op het beeldvlak

Dat wil zeggen dat de lichtintensiteit het eerste minimumpunt bereikt ten opzichte van de centrale positie van de afbeelding (2NA). I0 vertegenwoordigt de lichtintensiteit in het midden van de afbeelding. Er kan worden aangenomen dat de minimale afstand die dit optische systeem kan oplossen λ/(2NA) is. Wanneer de golflengte bijvoorbeeld 193 nm is en de NA 1,35 (immersie), is de minimale resolutieafstand van het optische systeem 71,5 nm.

Betekent dit voor het fotolithografieproces dat een patroon met een ruimtelijke periode van 71,5 nm kan worden geprint? Het antwoord is nee. Er zijn twee redenen:

① Een proces vereist een bepaalde marge en procesindicatoren om massaal geproduceerd te kunnen worden;

② De commerciële productienauwkeurigheid van alle machines en apparatuur en de volledigheid van de machineprestaties, zodat de machine dichte lijnen kan printen op de resolutielimiet en geïsoleerde patronen, en moet ook de impact van resterende aberraties op het proces tot een minimum beperken.

Voor een 1,35 NA lithografiemachine belooft ASML dat de minimale ruimtelijke periode van het patroon dat kan worden geproduceerd 76 nm is, dat wil zeggen 38 nm dichte lijnen met gelijke tussenruimte. In het fotolithografieproces is de limietresolutie slechts een referentiewaarde. In het werkelijke werk praten we alleen over hoe groot het procesvenster is in een bepaalde ruimtelijke periode en een bepaalde lijnbreedte, en of het voldoende is voor massaproductie. De parameters die het procesvenster kenmerken, worden in detail besproken in sectie 7.4. Hier is een korte introductie. Meestal omvatten de parameters die het procesvenster kenmerken belichtingsenergiebreedtegraad (EL), scherptediepte of scherptediepte (DOF), maskerfoutfactor (MEF), overlaynauwkeurigheid, uniformiteit van de lijnbreedte, enz.

De belichtingsenergiebreedtegraad verwijst naar de maximaal toegestane afwijking van de belichtingsenergie binnen het toegestane bereik van lijnbreedtevariatie. Bijvoorbeeld, voor een lijn met een lijnbreedte van 90 nm, verandert de lijnbreedte met energie met 3 nm/mJ, en het toegestane bereik van lijnbreedtevariatie is ±9 nm, dan is het toegestane bereik van de belichtingsenergievariatie 9×2/3=6mJ. Als de belichtingsenergie 30 mJ is, is de energiebreedtegraad 20% ten opzichte van de belichtingsenergie.

De scherptediepte is over het algemeen gerelateerd aan de prestaties van de focusregeling van de lithografiemachine. Bijvoorbeeld, de focusregelingsnauwkeurigheid van een 193nm lithografiemachine, inclusief de stabiliteit van het brandvlak van de machine, de veldkromming van de lens, astigmatisme, nivelleringsnauwkeurigheid en de vlakheid van het siliciumwaferplatform, is 120nm. Dan moet de minimale scherptediepte van een proces dat massaal geproduceerd kan worden, boven de 120nm liggen. Als de invloed van andere processen, zoals chemisch-mechanische planarisatie, wordt toegevoegd, moet de minimale scherptediepte worden verbeterd, zoals 200nm. Zoals later zal worden besproken, kan de verbetering van de scherptediepte natuurlijk ten koste gaan van de energiemarge.

De maskerfoutfactor (MEF) wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de afwijking van de lijnbreedte van de siliciumwafer als gevolg van de afwijking van de lijnbreedte op het masker en de afwijking op het masker, zoals weergegeven in formule (7-5).

Normaal gesproken is MEF dichtbij of gelijk aan 1.0. Wanneer de ruimtelijke periode van het patroon echter de diffractielimiet nadert, zal MEF snel toenemen. Een te grote foutfactor zal ervoor zorgen dat de uniformiteit van de lijnbreedte op de siliciumwafer verslechtert. Of, overeenkomstig de gegeven vereiste voor uniformiteit van de lijnbreedte, is de uniformiteit van de maskerlijnbreedte te hoog.

Overlaynauwkeurigheid wordt over het algemeen bepaald door de stappen, de nauwkeurigheid van de scanningsynchronisatie, de temperatuurregeling, de lensafwijking en de aberratiestabiliteit van het bewegende platform op de lithografiemachine. Uiteraard is de overlaynauwkeurigheid ook afhankelijk van de herkennings- en leesnauwkeurigheid van het overlaymerk, de invloed van het proces op het overlaymerk, de vervorming van het proces op de siliciumwafer (zoals verschillende verwarmingsprocessen, gloeiprocessen), enz. Moderne lithografiemachinestappen kunnen de uniforme uitzetting van de siliciumwafer compenseren en kunnen ook de niet-uniforme vervorming van de siliciumwafer compenseren, zoals de "grid mapping" GridMapper-software die door ASML is gelanceerd. Het kan de vervorming van het niet-lineaire siliciumwaferbelichtingsraster corrigeren.

De uniformiteit van de lijnbreedte wordt onderverdeeld in twee categorieën: uniformiteit binnen het belichtingsgebied (intra-veld) en uniformiteit tussen belichtingsgebieden (inter-veld).

De uniformiteit van de lijnbreedte binnen het belichtingsgebied wordt hoofdzakelijk bepaald door de uniformiteit van de maskerlijnbreedte (doorgegeven via de maskerfoutfactor), de energiestabiliteit (tijdens het scannen), de uniformiteit van de belichting binnen de scanspleet, de uniformiteit van de focus/nivellering voor elk punt in het belichtingsgebied, lensafwijking (zoals coma, astigmatisme), de fout in de nauwkeurigheid van de scan-synchronisatie (bewegende standaarddeviatie, MSD), enz.

De uniformiteit van de lijnbreedte tussen de belichtingsgebieden wordt hoofdzakelijk bepaald door de stabiliteit van de belichtingsenergie, de uniformiteit van de dikteverdeling van de siliciumwafer-substraatfilm op het siliciumwaferoppervlak (voornamelijk vanwege de uniformiteit van de lijmlaag en de uniformiteit van de filmdikte die door andere processen wordt bereikt), de vlakheid van het siliciumwaferoppervlak, de uniformiteit van het bakken van de ontwikkelaar, de uniformiteit van het spuiten van de ontwikkelaar, enz.

Stroomschema van het fotolithografieproces

De basisstroom van het 8-staps fotolithografieproces wordt weergegeven in Figuur 7.9.

stap01-HMDS-oppervlaktebehandeling

stap02-Lijmen

stap03-Voorafgaand bakken

stap04-Uitlijning en belichting

stap05-Post-belichting bakken

stap06-Ontwikkeling

stap07-Post-ontwikkeling bakken

stap08-Meting

1. Gas-silicium wafer oppervlaktevoorbehandeling

Vóór fotolithografie ondergaat de siliciumwafer een natte reiniging en spoeling met gedemineraliseerd water om verontreinigingen te verwijderen. Na het reinigen moet het oppervlak van de siliciumwafer worden gehydrofobeerd om de hechting tussen het siliciumwaferoppervlak en de fotoresist te verbeteren (meestal hydrofoob). De hydrofobe behandeling maakt gebruik van een materiaal genaamd hexamethyldisilazaan, met een moleculaire formule van (CH₃)3SiNHSi(CH₃)₃,De damp van hexamethyldisilazaan (HMDS) wordt geproduceerd. Deze gasvoorbehandeling is vergelijkbaar met het gebruik van primerspray op hout en plastic vóór het schilderen. De rol van hexamethyldisilazaan is om de hydrofiele hydroxyl (OH) op het oppervlak van de siliciumwafer te vervangen door hydrofobe hydroxyl (OH) door middel van een chemische reactie.OSi(CH₃)₃.Om het doel van de voorbehandeling te bereiken

De temperatuur van de gasvoorbehandeling wordt geregeld op 200-250 graden en de tijd is over het algemeen 30s. Het gasvoorbehandelingsapparaat is verbonden met de wafertrack voor fotoresistverwerking en de basisstructuur ervan wordt weergegeven in Afbeelding 7.10.

2. Spin-coated fotoresist, antireflectielaag

Na gasvoorbehandeling moet fotoresist op het oppervlak van de siliciumwafer worden aangebracht. De meest gebruikte coatingmethode is de spincoatingmethode. De fotoresist (ongeveer een paar milliliter) wordt eerst via een pijpleiding naar het midden van de siliciumwafer getransporteerd en vervolgens wordt de siliciumwafer gedraaid en geleidelijk versneld totdat deze zich stabiliseert op een bepaalde snelheid (de snelheid bepaalt de dikte van de lijm en de dikte is omgekeerd evenredig met de vierkantswortel van de snelheid). Wanneer de siliciumwafer stopt, is het oppervlak in principe droog en is de dikte stabiel op een vooraf ingestelde grootte. De uniformiteit van de coatingdikte moet binnen ±20Å liggen ("Å, uitgesproken als "angstrom", is een lengte-eenheid in de deeltjesfysica. 1Å is gelijk aan
m, wat een tiende van een nanometer is) bij 45 nm of meer geavanceerde technologieknooppunten. Meestal zijn er drie hoofdcomponenten: fotoresist, organische hars, chemisch oplosmiddel en lichtgevoelige verbinding (PAC).

Gedetailleerde fotoresist wordt besproken in het hoofdstuk over fotoresist. Deze sectie bespreekt alleen basisvloeistofdynamica. Het coatingproces is verdeeld in drie stappen:

① Transport van fotoresist;
② Versnel de rotatie van de siliciumwafer tot de uiteindelijke snelheid;
③ Draai met een constante snelheid totdat de dikte zich stabiliseert op de vooraf ingestelde waarde;
De uiteindelijke dikte van de fotoresist is direct gerelateerd aan de viscositeit van de fotoresist en de uiteindelijke rotatiesnelheid. De viscositeit van de fotoresist kan worden aangepast door het chemische oplosmiddel te verhogen of te verlagen. Spincoatingvloeistofmechanica is zorgvuldig bestudeerd.

De hoge eisen voor de uniformiteit van de dikte van de fotoresist kunnen worden bereikt door volledige controle over de volgende parameters:

① Fotoresisttemperatuur;
② Omgevingstemperatuur;
③ Temperatuur van de siliciumwafer;
④ Uitlaatstroom en druk van de coatingmodule;

Hoe coating-gerelateerde defecten te verminderen is een andere uitdaging. De praktijk leert dat het gebruik van het volgende proces het voorkomen van defecten aanzienlijk kan verminderen.

(1) De fotoresist zelf moet schoon zijn en vrij van deeltjes. Voor het coaten moet het een filtratieproces worden gebruikt en de poriegrootte van het filter moet voldoen aan de vereisten van het technologieknooppunt.

(2) De fotoresist zelf mag geen gemengde lucht bevatten, omdat bellen beeldfouten veroorzaken. Bellen gedragen zich op dezelfde manier als deeltjes.

(3) Het ontwerp van de coatingkom moet structureel voorkomen dat de uitgeworpen fotoresist spat.

(4) Het pompsysteem voor het leveren van fotoresist moet zo zijn ontworpen dat het na elke levering van fotoresist kan terugzuigen. De functie van de terugzuiging is om de overtollige fotoresist uit het mondstuk terug in de pijpleiding te zuigen om te voorkomen dat overtollige fotoresist op de siliciumwafer druppelt of dat overtollige fotoresist opdroogt en korrelige defecten veroorzaakt tijdens de volgende levering. De terugzuigwerking moet instelbaar zijn om te voorkomen dat overtollige lucht de pijpleiding binnendringt.

(5) Waferrand losmaken (rand Het oplosmiddel dat wordt gebruikt in het Bead Removal (EBR)-proces moet goed worden gecontroleerd. Tijdens het spincoatingproces van siliciumwafers zal de fotoresist naar de rand van de siliciumwafer stromen en van de rand van de siliciumwafer naar de achterkant van de siliciumwafer vanwege de centrifugale kracht. Een cirkel van kraalvormige fotoresistresten zal zich vormen aan de rand van de siliciumwafer vanwege de oppervlaktespanning, zoals weergegeven in Afbeelding 7.11. Deze rest wordt randkraal genoemd. Als deze niet wordt verwijderd, zal deze cirkel van kraal zich afpellen en deeltjes vormen na het drogen, en op de siliciumwafer, het siliciumwafertransportgereedschap en de siliciumwaferverwerkingsapparatuur vallen, wat een toename van het defectpercentage veroorzaakt. Bovendien zal het fotoresistrest op de achterkant van de siliciumwafer blijven plakken aan het siliciumwaferplatform (waferklauw), wat een slechte adsorptie van de siliciumwafer veroorzaakt, wat leidt tot belichtingsdefocus en toenemende overlayfouten. Meestal wordt een randverwijderingsapparaat geïnstalleerd in de fotoresistcoating apparatuur. De functie van het verwijderen van de fotoresist op een bepaalde afstand van de rand van de siliciumwafer wordt bereikt door de siliciumwafer te roteren aan de rand van de siliciumwafer (één spuitmond aan de bovenkant en één aan de onderkant, en de positie van de spuitmond vanaf de rand van de siliciumwafer is instelbaar).

(6) Na zorgvuldige berekening werd vastgesteld dat ongeveer 90% tot 99% van de fotoresist van de siliciumwafer werd gesponnen en werd verspild. Mensen hebben geprobeerd de siliciumwafer voor te behandelen voordat de fotoresist op de siliciumwafer werd gesponnen met behulp van een chemisch oplosmiddel genaamd propyleenglycolmethyletheracetaat (moleculaire formule CH₃COOCH(CH₃)CH₃OCH₃), PGMEA). Deze methode wordt resist reduction coating (RRC) genoemd. Als deze methode echter verkeerd wordt gebruikt, zullen er defecten optreden. Defecten kunnen verband houden met chemische impact op de RRC-fotoresist-interface en verontreiniging van het RRC-oplosmiddel door ammoniak in de lucht.

(7) Handhaaf de uitlaatdruk van de ontwikkelaar of de ontwikkelmodule om te voorkomen dat er tijdens het ontwikkelingsproces kleine druppeltjes ontwikkelaar terugspatten wanneer de siliciumwafer wordt gedraaid.

Omdat de viscositeit van de fotoresist verandert met de temperatuur, kunnen verschillende diktes worden verkregen door opzettelijk de temperatuur van de siliciumwafer of fotoresist te veranderen. Als verschillende temperaturen worden ingesteld in verschillende gebieden van de siliciumwafer, kunnen verschillende fotoresistdiktes worden verkregen op een siliciumwafer. De optimale fotoresistdikte kan worden bepaald door de wet van lijnbreedte en fotoresistdikte (swingcurve) om siliciumwafers, machinetijd en materialen te besparen. De bespreking van swingcurves wordt in volgende hoofdstukken besproken. De methode en het principe van spincoating van antireflectielaag zijn hetzelfde.

3. Vooraf bakken
Nadat de fotoresist op het oppervlak van de siliciumwafer is gespincoat, moet deze worden gebakken. Het doel van bakken is om bijna alle oplosmiddelen te verdrijven. Dit bakken wordt "pre-exposure baking" of "pre-baking" genoemd omdat het vóór de belichting wordt uitgevoerd. Pre-baking verbetert de hechting van de fotoresist, verbetert de uniformiteit van de fotoresist en regelt de uniformiteit van de lijnbreedte tijdens het etsproces. In de chemisch versterkte fotoresist die in sectie 6.3 wordt genoemd, kan pre-baking ook worden gebruikt om de diffusielengte van het fotozuur tot op zekere hoogte te veranderen om de parameters van het procesvenster aan te passen. De typische pre-bakingtemperatuur en -tijd zijn 90-100 graden, ongeveer 30 seconden. Na het pre-bakken wordt de siliciumwafer van de hete plaat die wordt gebruikt voor het bakken naar een koude plaat verplaatst om deze terug te brengen naar kamertemperatuur ter voorbereiding op de belichtingsstap.

4. Uitlijning en belichting
De stappen na het voorbakken zijn uitlijning en belichting. Bij de projectiebelichtingsmethode wordt het masker verplaatst naar een vooraf bepaalde benaderende positie op de siliciumwafer, of naar een juiste positie ten opzichte van het bestaande patroon op de siliciumwafer, en vervolgens brengt de lens zijn patroon over naar de siliciumwafer via fotolithografie. Voor nabijheids- of contactbelichting wordt het patroon op het masker rechtstreeks blootgesteld aan de siliciumwafer door de ultraviolette lichtbron.

Voor de eerste laag patronen is er mogelijk nog geen patroon op de siliciumwafer en verplaatst de fotolithografiemachine het masker relatief ten opzichte van de vooraf gedefinieerde (chipdifferentiatiemethode) benaderende positie op de siliciumwafer (afhankelijk van de laterale plaatsingsnauwkeurigheid van de siliciumwafer op het platform van de fotolithografiemachine, over het algemeen ongeveer 10 tot 30 μm).

Voor de tweede laag en daaropvolgende patronen moet de fotolithografiemachine het uitlijningsmerkteken uitlijnen dat is achtergelaten door de belichting van de vorige laag om het masker van deze laag over het bestaande patroon van de vorige laag te drukken. Deze overlaynauwkeurigheid is meestal 25% tot 30% van de minimale patroongrootte. Bijvoorbeeld, in 90nm-technologie is de overlaynauwkeurigheid meestal 22 tot 28nm (3 keer de standaarddeviatie). Zodra de uitlijningsnauwkeurigheid aan de vereisten voldoet, begint de belichting. De lichtenergie activeert de lichtgevoelige componenten in de fotoresist en start de fotochemische reactie. De belangrijkste indicatoren voor het meten van de kwaliteit van fotolithografie zijn over het algemeen de resolutie en uniformiteit van de kritische dimensie (CD), overlaynauwkeurigheid en het aantal deeltjes en defecten.

De basisbetekenis van overlay-nauwkeurigheid verwijst naar de uitlijningsnauwkeurigheid (3σ) van de afbeeldingen tussen de twee fotolithografieprocessen. Als de uitlijningsafwijking te groot is, heeft dit direct invloed op de opbrengst van het product. Voor geavanceerde fotolithografiemachines bieden leveranciers van algemene apparatuur twee waarden voor overlay-nauwkeurigheid, één is de tweevoudige overlay-fout van een enkele machine zelf en de andere is de overlay-fout tussen twee apparaten (verschillende apparaten).

5. Nabelichting bakken
Nadat de belichting is voltooid, moet de fotoresist opnieuw worden gebakken. Omdat dit bakken na de belichting is, wordt het "post-exposure baking" genoemd, afgekort als post-exposure baking (PEB). Het doel van post-baking is om de fotochemische reactie volledig te voltooien door verhitting. De lichtgevoelige componenten die tijdens het belichtingsproces worden gegenereerd, zullen diffunderen onder invloed van verhitting en chemisch reageren met de fotoresist, waardoor het fotoresistmateriaal dat bijna onoplosbaar was in de ontwikkelvloeistof verandert in een materiaal dat oplosbaar is in de ontwikkelvloeistof, waardoor patronen worden gevormd die oplosbaar zijn in de ontwikkelvloeistof en onoplosbaar in de ontwikkelvloeistof in de fotoresistfilm.

Omdat deze patronen consistent zijn met de patronen op het masker, maar niet worden weergegeven, worden ze ook wel "latente beelden" genoemd. Voor chemisch versterkte fotoresists zullen overmatige baktemperaturen of overmatige baktijden leiden tot overmatige diffusie van fotozuren (katalysatoren van fotochemische reacties), waardoor het oorspronkelijke beeldcontrast wordt beschadigd en de uniformiteit van het procesvenster en de lijnbreedte wordt verminderd. Een gedetailleerde bespreking zal in volgende hoofdstukken worden uitgevoerd. Om het latente beeld echt weer te geven, is ontwikkeling vereist.

6. Ontwikkeling
Nadat het nabakken is voltooid, gaat de siliciumwafer de ontwikkelingsstap in. Omdat de fotoresist na de fotochemische reactie zuur is, wordt een sterke alkalische oplossing gebruikt als ontwikkelaar. Over het algemeen wordt een 2,38% tetramethylammoniumhydroxide waterige oplossing (TMAH) met een moleculaire formule van (CH₃)₄NOH gebruikt. Nadat de fotoresistfilm het ontwikkelingsproces heeft doorlopen, worden de belichte gebieden weggespoeld door de ontwikkelaar en wordt het patroon van het masker weergegeven op de fotoresistfilm op de siliciumwafer in de vorm van concave en convexe vormen met of zonder fotoresist. Het ontwikkelingsproces heeft over het algemeen de volgende stappen:

(1) Voorbesproeien (voorbevochtigen): spuit een beetje gedemineraliseerd water (DI-water) op het oppervlak van de siliciumwafer om de hechting van de ontwikkelaar op het oppervlak van de siliciumwafer te verbeteren.

(2) Ontwikkelaar afgeven (developer dispense): breng de ontwikkelaar aan op het oppervlak van de silicium wafer. Om alle delen van het silicium wafer oppervlak zoveel mogelijk in contact te laten komen met dezelfde hoeveelheid ontwikkelaar, heeft de developer dispense de volgende methoden ontwikkeld. Gebruik bijvoorbeeld E2 nozzles, LD nozzles, etc.

(3) Het blijven zitten van de ontwikkelaar op het oppervlak (plas): Nadat de ontwikkelaar is gespoten, moet deze gedurende een bepaalde tijd op het oppervlak van de siliciumwafer blijven, doorgaans van tientallen seconden tot een of twee minuten, zodat de ontwikkelaar volledig kan reageren met de fotoresist.

(4) Verwijderen en spoelen van de ontwikkelaar: Nadat de ontwikkelaar is gestopt, wordt deze weggegooid en wordt gedemineraliseerd water op het oppervlak van de siliciumwafer gespoten om de resterende ontwikkelaar en resterende fotoresistfragmenten te verwijderen.

(5) Spinnen: De siliciumwafer wordt tot een hoge snelheid gedraaid om het gedemineraliseerd water van het oppervlak te laten afspinnen.

7. Post-ontwikkelingsbakken, hard film bakken
Na de ontwikkeling zal de fotoresist, omdat de siliciumwafer aan water wordt blootgesteld, wat water absorberen, wat niet goed is voor daaropvolgende processen zoals nat etsen. Daarom is hard film bakken nodig om overtollig water uit de fotoresist te verwijderen. Omdat de meeste etsen nu plasma-etsen gebruiken, ook wel "droog etsen" genoemd, is hard film bakken in veel processen weggelaten.

8. Meting
Nadat de belichting is voltooid, moeten de kritische dimensie (Critical Dimension, kortweg CD) die door de lithografie is gevormd en de overlaynauwkeurigheid worden gemeten (metrologie). De kritische dimensie wordt meestal gemeten met een scanning elektronenmicroscoop, terwijl de overlaynauwkeurigheid wordt gemeten met een optische microscoop en een charge coupled array imaging detector (CCD). De reden voor het gebruik van een scanning elektronenmicroscoop is dat de lijnbreedte in het halfgeleiderproces over het algemeen kleiner is dan de golflengte van zichtbaar licht, zoals 400 tot 700 nm, en de elektronenequivalente golflengte van de elektronenmicroscoop wordt bepaald door de versnellende spanning van het elektron. Volgens de principes van de kwantummechanica is de De Broglie-golflengte van een elektron

Waar h (6,626×10^-³⁴Js) is de constante van Planck, m (9,1×10^-³¹kg) is de massa van het elektron in een vacuüm, en v is de snelheid van het elektron. Als de versnellingsspanning V is, kan de de Broglie-golflengte van het elektron worden geschreven als

Waar q (1,609×10^-19c) is de lading van het elektron. Door numerieke waarden te vervangen, kan vergelijking (7-7) bij benadering worden geschreven als

Als de versnellingsspanning 300V is, is de golflengte van het elektron 0,07 nm, wat voldoende is voor het meten van de lijnbreedte. In het echte werk wordt de resolutie van de elektronenmicroscoop bepaald door de meervoudige verstrooiing van de elektronenbundel in het materiaal en de aberratie van de elektronenlens. Meestal is de resolutie van de elektronenmicroscoop tientallen nanometers en is de fout bij het meten van de lijnafmeting ongeveer 1 tot 3 nm. Hoewel de overlaynauwkeurigheid het nanometerniveau heeft bereikt, kan een optische microscoop worden gebruikt om de overlaynauwkeurigheid te meten, aangezien de meting van overlay alleen het vermogen vereist om de centrale positie van de dikkere lijn te bepalen.

Figuur 7.12 (a) is een screenshot van de groottemeting die is uitgevoerd door een scanning elektronenmicroscoop. De witte dubbele lijnen en de relatieve pijlen in de afbeelding geven de doelgrootte weer. Het beeldcontrast van de scanning elektronenmicroscoop wordt gevormd door de emissie en verzameling van secundaire elektronen die worden gegenereerd door elektronenbombardement. Het is te zien dat er meer secundaire elektronen kunnen worden verzameld aan de rand van de lijn. In principe geldt: hoe meer elektronen er worden verzameld, hoe nauwkeuriger de meting. Omdat de impact van de elektronenbundel op de fotoresist echter niet kan worden genegeerd, zal de fotoresist krimpen na bestraling met een elektronenbundel, met name de 193nm fotoresist. Het wordt dus erg belangrijk om een ​​balans te vinden tussen meetbaarheid en minimale verstoring.

Figuur 7.12 (b) is een typisch schematisch diagram van overlaymeting, waarin de lijndikte over het algemeen 1 tot 3 μm is, de lengte van de buitenste framezijde over het algemeen 20 tot 30 μm is en de lengte van de binnenste framezijde over het algemeen 10 tot 20 μm is. In deze figuur zijn de verschillende kleuren of contrasten die worden weergegeven door de binnenste en buitenste frames te wijten aan de verschillen in de kleur en het contrast van het gereflecteerde licht, veroorzaakt door de verschillende diktes van de verschillende lagen dunne films. De meting van overlay wordt bereikt door het ruimtelijke verschil te bepalen tussen het middelpunt van het binnenste frame en het middelpunt van het buitenste frame. De praktijk heeft bewezen dat, zolang er voldoende signaalintensiteit wordt geboden, zelfs een optische microscoop een meetnauwkeurigheid van ongeveer 1 nm kan bereiken.

Lithografieprocesvenster en evaluatiemethode voor patroonintegriteit

Belichtingsenergiemarge, genormaliseerde beeldlogaritmische helling (NILS)

In Sectie 2 werd vermeld dat de blootstellingsenergiemarge (EL) verwijst naar de maximaal toegestane afwijking van de blootstellingsenergie binnen het toegestane bereik van lijnbreedtevariatie. Het is een basisparameter voor het meten van het lithografieproces.

Figuur 7.13 (a) toont de variatie van het lithografiepatroon met de belichtingsenergie en de brandpuntsafstand.

Figuur 7.13 (b) toont een tweedimensionaal distributietestpatroon met verschillende energieën en brandpuntsafstanden belicht op een siliciumwafer. Het is als een matrix en wordt ook wel de Focus-Exposure Matrix (FEM) genoemd.

Deze matrix wordt gebruikt om het procesvenster van het fotolithografieproces op een of meerdere patronen te meten, zoals energiemarge en focusdiepte. Als er speciale testpatronen op het masker worden toegevoegd, kan de Focus-Energy Matrix ook andere prestatieparameters meten die verband houden met het proces en de apparatuur, zoals verschillende aberraties van de lens van de lithografiemachine, strooilicht (flare), maskerfoutfactor, fotozuurdiffusielengte van de fotoresist, gevoeligheid van de fotoresist, productienauwkeurigheid van het masker, enz.

In Figuur 7.13 (a) geeft de grijze grafiek de dwarsdoorsnedemorfologie van de fotoresist (positieve fotoresist) weer na belichting en ontwikkeling. Naarmate de belichtingsenergie blijft toenemen, wordt de lijnbreedte steeds kleiner. Naarmate de brandpuntsafstand verandert, verandert ook de verticale morfologie van de fotoresist. Laten we eerst de verandering met energie bespreken. Als de brandpuntsafstand is geselecteerd als -0.1μm, dat wil zeggen dat het geprojecteerde brandvlak 0.1μm onder de bovenkant van de fotoresist ligt. Als de lijnbreedte wordt gemeten terwijl deze verandert met energie, kan een curve worden verkregen zoals weergegeven in Figuur 7.14.

Als we de totale CD-tolerantie van de lijnbreedte selecteren als ±10% van de lijnbreedte van 90 nm, dat wil zeggen 18 nm, en de helling van de lijnbreedte die verandert met de belichtingsenergie 6,5 nm/(mJ/cm²) is, en de optimale belichtingsenergie 20 (mJ/cm²) is, dan is de energiemarge EL 18/6,5/20=13,8%.

Is het genoeg? Deze vraag is gerelateerd aan factoren zoals de sterkte van de lithografiemachine, het vermogen van de procesproductiecontrole en de vereisten van het apparaat voor lijnbreedte. De energiemarge is ook gerelateerd aan het vermogen van de fotoresist om het ruimtelijke beeld te behouden. Over het algemeen is bij de 90nm, 65nm, 45nm en 32nm knooppunten de EL-vereiste voor gate-laaglithografie 15% tot 20% en de EL-vereiste voor metalen bedradingslaag is ongeveer 13% tot 15%.

De energiemarge is ook direct gerelateerd aan het beeldcontrast, maar het beeld hier is niet het ruimtelijke beeld van de lens, maar het "latente beeld" na de fotochemische reactie van de fotoresist. De absorptie van licht door fotoresist en het optreden van fotochemische reacties vereisen de diffusie van lichtgevoelige componenten in de fotoresistfilm. De diffusie die nodig is voor deze fotochemische reactie zal het contrast van het beeld verminderen. Contrast wordt gedefinieerd als

Daaronder is U de equivalente lichtintensiteit van het "latente beeld" (eigenlijk de dichtheid van het lichtgevoelige component).

Voor dichte lijnen moet, als de ruimtelijke periode P kleiner is dan λ /NA, de ruimtelijke beeldequivalente lichtintensiteit U(x) een sinusgolf zijn, zoals weergegeven in Figuur 7.15, die kan worden geschreven als

Volgens de definitie van EL, gecombineerd met formule (7-10), zoals weergegeven in Figuur 7.16, kan EL worden geschreven als de volgende uitdrukking, namelijk:

Voor gelijke lijn en spatie, CD=P/2. Er is een bondigere en intuïtievere uitdrukking, namelijk

Dat wil zeggen, als dCD de algemene 10% CD gebruikt, dan is het contrast ongeveer gelijk aan 3,2 keer de EL. De helling in formule (7-11) is

Het wordt ook wel image log slope (ILS) genoemd. Vanwege de directe relatie met beeldcontrast en EL, wordt het ook gebruikt als een belangrijke parameter om het lithografieprocesvenster te meten. Als het genormaliseerd is, dat wil zeggen vermenigvuldigd met de lijnbreedte, kan de genormaliseerde image log slope (NILS) worden verkregen, zoals gedefinieerd in formule (7-15), dat wil zeggen,

Over het algemeen verwijst U (x) naar het ruimtelijke beeld dat door de lens in de fotoresist wordt geprojecteerd, wat hier verwijst naar het "latente beeld" na de fotochemische reactie van de fotoresist. Voor dichte lijnen met gelijke afstand, CD=P/2, en de ruimtelijke periode P is kleiner dan λ/NA, kan NILS worden geschreven als

Voor een geheugenproces van 90nm is de lijnbreedte CD bijvoorbeeld gelijk aan 0.09μm. Als het contrast 50% is en de ruimtelijke periode 0,18μm, is de NILS 1,57.

Scherptediepte (nivelleringsmethode)

Scherptediepte (DOF) verwijst naar het maximale bereik van de variatie in de brandpuntsafstand binnen het toegestane bereik van de variatie in de lijnbreedte. Zoals weergegeven in Afbeelding 7.13, zal de fotoresist niet alleen veranderen in lijnbreedte, maar ook in morfologie naarmate de brandpuntsafstand verandert. Over het algemeen geldt dat voor fotoresists met een hoge transparantie, zoals 193 nm fotoresists en 248 nm fotoresists met een hoge resolutie, wanneer het brandpuntsvlak van de fotolithografiemachine een negatieve waarde heeft, het brandpuntsvlak zich dicht bij de bovenkant van de fotoresist bevindt; wanneer de aspectverhouding groter is dan 2.5-3, kan er vanwege de grote lijnbreedte aan de onderkant van de fotoresist zelfs "undercut" optreden, wat mechanische instabiliteit en kantelen kan veroorzaken. Wanneer het brandpuntsvlak een positieve waarde heeft, worden de vierkante hoeken aan de bovenkant afgerond (bovenste afronding) vanwege de grote lijnbreedte aan de bovenkant van de fotoresistgroef. Deze 'bovenafronding' kan na het etsen worden overgedragen op de morfologie van het materiaal. Daarom moeten zowel 'ondersnijding' als 'afronding' worden vermeden.

Als de lijnbreedtegegevens in Figuur 7.13 worden uitgezet, wordt een curve van de lijnbreedte versus de brandpuntsafstand bij verschillende belichtingsenergieën verkregen, zoals weergegeven in Figuur 7.17.

De variatie van de lijnbreedte met een brandpuntsafstand onder een belichtingsenergie van 16, 18, 20, 22, 24 wordt ook wel Poisson-diagram genoemd.

Als het toegestane variatiebereik van de lijnbreedte beperkt is tot ±9 nm, kan de maximaal toegestane variatie van de brandpuntsafstand bij de optimale belichtingsenergie worden gevonden in Afbeelding 7.17. Niet alleen dat, omdat in het werkelijke werk zowel de energie als de brandpuntsafstand tegelijkertijd veranderen, zoals de drift van de lithografiemachine, is het noodzakelijk om het maximaal toegestane variatiebereik van de brandpuntsafstand te verkrijgen onder de voorwaarde van energiedrift. Zoals weergegeven in Afbeelding 7.17, kan een bepaald toegestaan ​​variatiebereik van lijnbreedte EL, zoals ±5% als de standaard (EL=10%), worden gebruikt om het maximaal toegestane variatiebereik van de brandpuntsafstand te berekenen, dat tussen 19 en 21 mJ/cm2 ligt. De EL-gegevens kunnen worden uitgezet tegen het toegestane brandpuntsafstandbereik, zoals weergegeven in Afbeelding 7.18. Er kan worden vastgesteld dat in het 90 nm-proces, onder het variatiebereik van 10% EL, het maximale focusdieptebereik ongeveer 0,30 μm is.

Is het genoeg? Over het algemeen is de scherptediepte gerelateerd aan de fotolithografiemachine, zoals de nauwkeurigheid van de focusregeling, inclusief de stabiliteit van het brandvlak van de machine, de veldkromming van de lens, astigmatisme, nivelleringsnauwkeurigheid en de vlakheid van het siliciumwaferplatform. Natuurlijk is het ook gerelateerd aan de vlakheid van de siliciumwafer zelf en de mate van vlakheidsreductie veroorzaakt door het chemisch-mechanische afvlakkingsproces. Voor verschillende technologische knooppunten worden de typische scherptedieptevereisten vermeld in Tabel 7.1.

Omdat de scherptediepte zo belangrijk is, is nivelleren, een belangrijk onderdeel van de lithografiemachine, erg kritisch. De meest gebruikte nivelleermethode in de industrie is vandaag de dag om de verticale positie z van de siliciumwafer en de kantelhoeken R te bepalen._xen R_y
in horizontale richting door de positie te meten van de lichtvlek die door het schuin invallende licht op het oppervlak van de siliciumwafer wordt gereflecteerd, zoals weergegeven in Figuur 7.19.

Het echte systeem is veel ingewikkelder, inclusief hoe de onafhankelijke z, R te scheiden_x, en Ry. Aangezien deze drie onafhankelijke parameters gelijktijdig gemeten moeten worden, is één lichtbundel niet genoeg (er zijn slechts twee vrijheidsgraden voor laterale verplaatsing) en zijn er minstens twee lichtbundels nodig.

Bovendien, als het nodig is om z, R te detecteren_x, en R_yop verschillende punten op het belichtingsgebied of de spleet moet het aantal lichtvlekken worden verhoogd. Over het algemeen kunnen er voor een belichtingsgebied maximaal 8 tot 10 meetpunten zijn. Deze nivelleringsmethode heeft echter zijn beperkingen. Omdat schuin invallend licht wordt gebruikt, zoals een invalshoek van 15 tot 20 graden (of een invalshoek van 70 tot 75 graden ten opzichte van de verticale richting van het siliciumwaferoppervlak), wordt voor oppervlakken zoals fotoresist en siliciumdioxide met een brekingsindex van wit licht van ongeveer 1,5 slechts ongeveer 18% tot 25% van het licht teruggekaatst, zoals weergegeven in Afbeelding 7.20, en de overige ongeveer 75% tot 82% van het licht dat de detector binnenkomt, zal het transparante mediumoppervlak binnendringen. Dit deel van het doorgelaten licht zal zich blijven voortplanten totdat het een ondoorzichtig medium of een reflecterend medium tegenkomt, zoals silicium, polysilicium, metaal of een medium met een hoge brekingsindex, zoals siliciumnitride, en wordt vervolgens gereflecteerd.

Daarom zal het "oppervlak" dat daadwerkelijk door het nivelleringssysteem wordt gedetecteerd, zich ergens onder het bovenoppervlak van de fotoresist bevinden. Omdat de back-end-of-the-line (BEOL) voornamelijk een relatief dikke oxidelaag heeft, zoals verschillende siliciumdioxiden, zal er een bepaalde afwijking in de brandpuntsafstand zijn tussen de front-end-of-the-line (FEOL) en de back-end, over het algemeen tussen 0.05 en 0,20 μm, afhankelijk van de dikte van het transparante medium en de reflectiviteit van het ondoorzichtige medium. Daarom moet het ontwerppatroon van de chip in de back-end zo uniform mogelijk zijn; anders zal het, vanwege de ongelijkmatige verdeling van de patroondichtheid, nivelleringsfouten veroorzaken, die onjuiste kantelcompensatie en onscherpte veroorzaken.

Er zijn over het algemeen twee modi voor het nivelleren van fotolithografiemachines:

(1) Planaire modus: meet de hoogte van verschillende punten op het belichtingsgebied of de gehele siliciumwafer en vind vervolgens het vlak volgens de kleinste kwadratenmethode;

(2) Dynamische modus (exclusief voor scannende fotolithografiemachines): meet dynamisch de hoogte van verschillende punten in het gescande spleetgebied en compenseer vervolgens continu langs de scanrichting. Het is natuurlijk belangrijk om te weten dat de feedback van nivellering wordt bereikt door het siliciumwaferplatform omhoog en omlaag te bewegen en te kantelen langs de niet-scanrichting. De compensatie kan alleen macroscopisch zijn, over het algemeen op millimeterniveau. Bovendien kan het in de niet-scanrichting (X-richting) alleen worden verwerkt volgens de eerste-orde kanteling en kan elke niet-lineaire kromming (zoals lensveldkromming en kromtrekken van siliciumwafers) niet worden gecompenseerd, zoals weergegeven in Afbeelding 7.21.

In de dynamische modus kunnen sommige lithografiemachines ook de nivelleringsmeting stoppen voor onvolledige belichtingsgebieden (shots) of chipgebieden aan de rand van de siliciumwafer (een belichtingsgebied met maximaal
kan veel chipgebieden bevatten, die 'die' genoemd) en de belichtings- of chipgebied-nivelleringsgegevens eromheen gebruiken voor epitaxie om meetfouten te voorkomen die worden veroorzaakt door overmatige hoogteafwijking en onvolledige filmlaag aan de rand van de siliciumwafer. In ASML-lithografiemachines wordt deze functie 'Circuit Dependent Focus Edge Clearance' (CDFEC) genoemd.

Er zijn verschillende hoofdfactoren die de scherptediepte beïnvloeden: numerieke apertuur van het systeem, verlichtingsomstandigheden, lijnbreedte van het patroon, dichtheid van het patroon, baktemperatuur van de fotoresist, enz. Zoals weergegeven in Figuur 7.22, hebben volgens de golfoptica bij de beste brandpuntsafstand alle lichtstralen die naar de focus convergeren dezelfde fase;

Echter, in de onscherpe positie, reizen de lichtstralen die door de rand van de lens gaan en de lichtstralen die door het midden van de lens gaan verschillende optische paden, en hun verschil is (FF′-OF′). Wanneer de numerieke opening toeneemt, neemt het optische padverschil ook toe, en wordt de werkelijke focale lichtintensiteit op het onscherpe punt kleiner, of wordt de scherptediepte kleiner. Onder parallelle lichtbelichtingsomstandigheden wordt de scherptediepte (Rayleigh) over het algemeen gegeven door de volgende formule, dat wil zeggen,

Waarbij θ de maximale openingshoek van de lens is, overeenkomend met de numerieke apertuur NA. Wanneer NA relatief klein is, kan het bij benadering worden geschreven als

Het is duidelijk te zien dat naarmate de NA groter is, de scherptediepte kleiner is en dat de scherptediepte omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de numerieke apertuur.

Niet alleen het numerieke diafragma beïnvloedt de scherptediepte, maar ook de lichtomstandigheden. Bijvoorbeeld, voor dichte afbeeldingen en de ruimtelijke periode is kleiner dan λ /NA, zal off-axis verlichting de scherptediepte vergroten. Dit onderdeel zal opnieuw worden besproken in Sectie 7.1 van Sectie 7 met off-axis verlichting. Bovendien zal de lijnbreedte van de afbeeldingen ook de scherptediepte beïnvloeden. Bijvoorbeeld, de scherptediepte van kleine afbeeldingen is over het algemeen kleiner dan die van grove afbeeldingen. Dit komt omdat de diffractiegolfhoek van kleine afbeeldingen relatief groot is en de hoek tussen hun convergentie in het brandvlak relatief groot is. Zoals hierboven vermeld, zal de scherptediepte kleiner zijn. Bovendien zal de baktemperatuur van de fotoresist ook de scherptediepte in zekere mate beïnvloeden. Een hogere post-exposure bake (PEB) zal het gemiddelde van het ruimtelijke beeldcontrast in de verticale richting (Z) binnen de dikte van de fotoresist veroorzaken, wat resulteert in een grotere scherptediepte. Dit gaat echter ten koste van het verminderen van het maximale beeldcontrast.

Maskerfoutfactor

De Mask Error Factor (MEF) of Mask Error Enhancement Factor (MEEF) wordt gedefinieerd als de gedeeltelijke afgeleide van de lijnbreedte die op de siliciumwafer wordt belicht ten opzichte van de maskerlijnbreedte. De mask error factor wordt voornamelijk veroorzaakt door diffractie van het optische systeem en wordt groter vanwege de beperkte getrouwheid van de fotoresist aan het ruimtelijke beeld. Factoren die de mask error factor beïnvloeden, zijn onder meer lichtomstandigheden, fotoresisteigenschappen, lensafwijkingen van lithografiemachines, post-bake (PEB)-temperatuur, enz. In het afgelopen decennium zijn er veel rapporten over het onderzoek naar mask error factoren in de literatuur verschenen. Uit deze studies blijkt dat hoe kleiner de ruimtelijke periode of hoe kleiner het beeldcontrast, hoe groter de mask error factor. Voor patronen die veel groter zijn dan de belichtingsgolflengte, of in het zogenaamde lineaire bereik, ligt de mask error factor doorgaans heel dicht bij 1. Voor patronen die dicht bij of kleiner zijn dan de golflengte, zal de mask error factor aanzienlijk toenemen. Behalve in de volgende speciale gevallen is de mask error factor echter doorgaans niet kleiner dan 1:

(1) Lijnlithografie met behulp van een afwisselend faseverschuivingsmasker kan een maskerfoutfactor produceren die aanzienlijk kleiner is dan 1. Dit komt doordat de minimale lichtintensiteit in de ruimtelijke beeldveldverdeling voornamelijk wordt veroorzaakt door de 180 graden fasemutatie die wordt gegenereerd door de aangrenzende fasezone. Het veranderen van de breedte van de metalen lijn op het masker bij de fasemutatie heeft weinig effect op de lijnbreedte.

(2) De maskerfoutfactor zal aanzienlijk kleiner zijn dan 1 in de buurt van de kleine compensatiestructuur in de optische nabijheidseffectcorrectie. Dit komt doordat kleine veranderingen in het hoofdpatroon niet gevoelig kunnen worden geïdentificeerd door het beeldvormingssysteem met beperkte resolutie veroorzaakt door diffractie.

Meestal is de maskerfoutfactor voor ruimtelijk uitgebreide patronen zoals lijnen of groeven en contactgaten gelijk aan of groter dan 1. Omdat het belang van de maskerfoutfactor ligt in de relatie met de lijnbreedte en de maskerkosten, wordt het erg belangrijk om deze te beperken tot een klein bereik. Bijvoorbeeld, voor de gatelaag met extreem hoge eisen aan de uniformiteit van de lijnbreedte, moet de maskerfoutfactor meestal onder de 1,5 worden gehouden (voor processen van 90 nm en breder).

Tot voor kort vereiste het verkrijgen van gegevens over maskerfoutfactoren numerieke simulatie of experimentele meting. Voor numerieke simulatie vereist het bereiken van een zekere mate van nauwkeurigheid het vertrouwen op ervaring bij het instellen van simulatieparameters. Als informatie over de verdeling van maskerfoutfactoren in de gehele lithografieparameterruimte vereist is, zal het lang duren om dergelijke methoden te gebruiken. In feite heeft de maskerfoutfactor voor het afbeelden van dichte lijnen of groeven in theorie een analytische benaderende uitdrukking. Onder de speciale omstandigheden dat de ruimtelijke periode p kleiner is dan λ /NA en de breedte van de lijn gelijk is aan de breedte van de groef, kan de analytische uitdrukking onder ringvormige belichtingsomstandigheden worden vereenvoudigd en in de volgende vorm worden geschreven, namelijk:

+, - zijn respectievelijk van toepassing op groeven en lijnen. Hiervan is σ de gedeeltelijke coherentieparameter (0＜σ ＜1), de amplitudetransmissiefactor in het verzwakte faseverschuivingsmasker (bijv. voor een 6% verzwakt masker, is 0.25), n de brekingsindex van de fotoresist (meestal tussen 1,7 en 1,8) en a de equivalente diffusielengte van het fotozuur onder het drempelmodel (afhankelijk van de verschillende technologieknooppunten, meestal van 5 tot 10 nm voor knooppunten van 32 tot 45 nm tot 70 nm voor knooppunten van 0,18 tot 0,25 μm).

Voor het afwisselende faseverschuivingsmasker (Alt-PSM) heeft MEF een eenvoudigere uitdrukking, namelijk

Daaronder valt de ruimtelijke periode p<3λ / (2NA), CD refers to the line width on the silicon wafer, and δ refers to the line width on the mask. If we plot equation (7-21), we can get the result in Figure 7.23. It can be seen that MEF increases rapidly as the spatial period decreases, and increases as the photoacid diffusion length increases.

Als alle parameters behalve de diffusielengte van het fotozuur in formule (7-21) bekend zijn, kan de diffusielengte van het fotozuur worden verkregen door de experimentele gegevens te fitten. De resultaten tonen aan dat na 40 seconden na het bakken de diffusielengte van het fotozuur van een bepaald type 193 nm fotoresist 27 nm is; na 60 seconden na het bakken wordt de diffusielengte 33 nm. En vanwege de nauwkeurigheid van de gegevens is de meetnauwkeurigheid van de diffusielengte van het fotozuur ± 2 nm. Dit is een orde van grootte hoger dan de nauwkeurigheid van eerdere meetmethoden, zoals weergegeven in Afbeelding 7.24. De maskerfoutfactor kan ook worden gebruikt om de vereisten van de maskerlijnbreedte voor uniformiteit van de lijnbreedte te berekenen, evenals de instelling van de afstandsregels van tweedimensionale afbeeldingen bij de correctie van het optische nabijheidseffect. Voor een tweedimensionale grafiek met verkorte lijnuiteinden, zoals weergegeven in Figuur 7.25, kan door de berekening van een eenvoudige puntspreidingsfunctie en een zekere mate van benadering van de fotozuurdiffusie een bijna analytische formule voor het optische nabijheidseffect van de lijnuiteinden worden verkregen, dat wil zeggen,

Waar PSF de puntspreidingsfunctie is, het subscript "D" de diffusie van het fotozuur weergeeft, a de diffusielengte van het fotozuur weergeeft, n=1, 2 overeenkomt met coherente en incoherente belichtingsomstandigheden, en

Uniformiteit van de lijnbreedte

De uniformiteit van de lijnbreedte in halfgeleiderprocessen wordt over het algemeen onderverdeeld in: chipgebied, shotgebied, wafergebied, lotgebied en lot-tot-lotgebied. De factoren die de uniformiteit van de lijnbreedte en de algemene analyse van het impactbereik beïnvloeden, worden vermeld in Tabel 7.2. Uit Tabel 7.2 kunnen we het volgende afleiden:

1) Problemen veroorzaakt door lithografiemachines en procesvensters hebben over het algemeen een grote impact.

(2) Problemen die worden veroorzaakt door fouten bij de productie van maskers of door optische nabijheidseffecten blijven over het algemeen beperkt tot het blootstellingsgebied.

(3) Problemen veroorzaakt door de coating of het substraat blijven over het algemeen beperkt tot de siliciumwafer.

CMOS-apparaten vereisen over het algemeen een uniformiteit van de lijnbreedte van ongeveer ±10% van de lijnbreedte. Voor gates is de algemene regelnauwkeurigheid ±7%. Dit komt omdat er in processen onder de 0,18 μm-knoop over het algemeen een lijnbreedte-"trim"-etsingsproces is na lithografie en vóór etsen, wat de lithografielijnbreedte verder reduceert tot de lijnbreedte van het apparaat, of dicht bij de lijnbreedte van het apparaat, wat over het algemeen 70% van de lithografielijnbreedte is. Omdat de controle van de lijnbreedte van het apparaat ±10% is, wordt de lithografielijnbreedte ±7%.

Er zijn veel manieren om de uniformiteit van de lithografielijnbreedte te verbeteren, zoals het compenseren van de belichtingsenergieverdeling in de verlichtingsverdeling van de lithografiemachine op basis van de resultaten van de belichtingsuniformiteitsmeting in het belichtingsgebied. Deze compensatie kan op twee niveaus worden bereikt. Het kan worden gecompenseerd in de machineconstanten, die van toepassing zijn op alle lichtomstandigheden, of het kan worden gecompenseerd in de belichtingssubroutine (volgens een bepaald belichtingsprogramma). Op deze manier kan het nauwkeurig een bepaald niveau targeten met strikte uniformiteitsvereisten. Het kan ook worden verbeterd door de hoofdoorzaak van de ongelijkmatige lithografielijnbreedte te analyseren. Een typisch probleem is bijvoorbeeld de invloed van het hoogteverschil veroorzaakt door de processtructuur op het siliciumwafersubstraat op de uniformiteit van de gatelijnbreedte. Bijvoorbeeld, de lokale lijnbreedteuniformiteit (lokale CD-variatie, LCDV) van de gatelaag besproken in [6] zal verslechteren als gevolg van de hoogtefluctuatie van het substraat. Deze fluctuatie wordt weergegeven in Afbeelding 7.28.

De lijnbreedteveranderingen die worden veroorzaakt door het hoogteverschil worden weergegeven in Afbeelding 7.29 en Afbeelding 7.30. Het is te zien dat naarmate het hoogteverschil geleidelijk afneemt, de lijnbreedte geleidelijk afneemt tot een stabiele waarde.

1. Verbetering van de uniformiteit van de lijnbreedte in het chipgebied of in het grafische gebied
Omdat er veel factoren zijn die dit bereik beïnvloeden, worden hier slechts enkele belangrijke methoden besproken.

(1) Verbeter het procesvenster en optimaliseer het procesvenster.

Voor dichte afbeeldingen kan off-axis-belichting worden gebruikt om zowel het contrast als de scherptediepte te verbeteren, en faseverschuivingsmaskers kunnen worden gebruikt om het contrast te verbeteren;

Voor geïsoleerde afbeeldingen kunnen sub-diffractieverstrooiingsstrips (SRAF) worden gebruikt om de scherptediepte van geïsoleerde afbeeldingen te verbeteren;

Voor semi-geïsoleerde grafische afbeeldingen, dat wil zeggen dat de ruimtelijke periode kleiner is dan twee keer de minimale ruimtelijke periode en iets groter dan de minimale ruimtelijke periode, zal het procesvenster hier een bijna moeilijke staat bereiken, ook bekend als "verboden pitch", zoals weergegeven in Afbeelding 7.31

Zoals te zien is in Figuur 7.31, daalt de lijnbreedte ten opzichte van de minimale ruimtelijke periode van 310 nm van 130 nm tot ongeveer 90 nm nabij de periode van 500 nm. Dit (hier niet getoond) houdt ook een aanzienlijke daling in contrast en scherptediepte in. Het verbod op de ruimtelijke periode wordt veroorzaakt door de noodzaak om een ​​vaste minimale lijnbreedte te handhaven in de lithografie van logische circuits, wat resulteert in een ernstig gebrek aan contrast in niet-gelijke spacing-beeldvorming in verschillende ruimtelijke perioden of aangrenzende patronen. Het wordt voornamelijk veroorzaakt door Off-axis-verlichting legt beperkingen op aan semi-dichte graphics. Meestal heeft off-axis-verlichting alleen een sterke hulp voor de minimale ruimteperiode, maar heeft het een bepaalde negatieve impact op de zogenaamde "semi-dichte" graphics bij de minimale ruimteperiode en 2 keer de minimale ruimteperiode. Om het procesvenster te verbeteren tijdens de zogenaamde verboden periode, moet de off-axis-hoek van de off-axis-verlichting op passende wijze worden verkleind om een ​​gebalanceerde lijnbreedte-uniformiteitsprestatie te bereiken.

(2) Verbeter de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de correctie van het optische nabijheidseffect.

Het basisproces van optische nabijheidseffectcorrectie is: bij het vaststellen van het model ontwerpt u eerst enkele kalibratiegrafieken op het testmasker zoals weergegeven in Afbeelding 7.32. Vervolgens wordt de patroongrootte van de fotoresist op de siliciumwafer verkregen door de siliciumwafer bloot te stellen, en vervolgens wordt het model gekalibreerd (de relevante parameters van het model worden bepaald) en wordt tegelijkertijd de correctiehoeveelheid berekend. Vervolgens wordt het, op basis van de gelijkenis tussen de werkelijke grafiek en de kalibratiegrafiek, gecorrigeerd volgens het model.

De nauwkeurigheid van optische nabijheidseffectcorrectie is afhankelijk van de volgende factoren: nauwkeurigheid van de meting van de lijnbreedtegegevens van de siliciumwafer, nauwkeurigheid van de modelaanpassing en de rationaliteit en betrouwbaarheid van het algoritme voor de correctie van het circuitpatroon van het model, zoals de bemonsteringsmethode (fragmentatie), de selectie van de bemonsteringspuntdichtheid, de juiste stapgrootte, enz. Voor fotoresistmodellen zijn er over het algemeen eenvoudige drempelmodellen, waaronder Gaussische diffusie (drempelmodel met Gaussische diffusie) en resistmodellen met variabele drempel. De eerste gaat ervan uit dat de fotoresist een lichtschakelaar is. Wanneer de lichtintensiteit een bepaalde drempel bereikt, verandert de oplossnelheid van de fotoresist in de ontwikkelaar plotseling. De laatste is te wijten aan de afwijking van de eerste van experimentele gegevens. De laatste gelooft dat fotoresist een complex systeem is en dat de reactiedrempel verband houdt met de maximale lichtintensiteit en de gradiënt van de maximale lichtintensiteit (die gerichte diffusie van het lichtgevoelige middel zal veroorzaken), en mogelijk een niet-lineaire relatie is. En de laatste kan ook enkele afwijkingen van de etslijnbreedte op dichte tot geïsoleerde patronen beschrijven. Natuurlijk kan dit soort model het fysieke beeld niet heel duidelijk weergeven. Over het algemeen is het fysieke beeld van het drempelmodel plus Gaussische diffusie heel duidelijk en gebruiken mensen het meer, vooral bij procesontwikkeling en procesoptimalisatie. Wat betreft optische nabijheidseffectcorrectie, aangezien het nodig is om in zeer korte tijd een model te bouwen dat nauwkeurig is tot op een paar nanometer, is het toevoegen van enkele extra parameters waarvan de fysieke betekenis niet duidelijk kan worden uitgelegd onvermijdelijk en is het ook een tijdelijke maatregel.

Natuurlijk zal het fotolithografie-proximity-effectcorrectiemodel zich blijven ontwikkelen naarmate het fotolithografieproces zich verder ontwikkelt en parameters met fysieke betekenissen zal absorberen. Om de nauwkeurigheid van het model te vergroten, kunt u de representativiteit van de meetgrafieken uitbreiden door het aantal meetpunten te verhogen (zoals 3 tot 5 keer), dat wil zeggen de kalibratie- (gauge) graphics te verbeteren, zoals weergegeven in Afbeelding 7.32. Dezelfde circuitontwerpgrafieken staan ​​in Correlaties en overeenkomsten in geometrische vormen. Probeer tijdens het modelfittingproces fysieke parameters te gebruiken en de fittingfouten terug te koppelen naar de lithografie-ingenieur voor analyse om mogelijke fouten te elimineren. Optische proximity-effectcorrectie wordt in een ander hoofdstuk uitgebreid besproken.

(3) Optimaliseer de dikte van de antireflectielaag.

Vanwege het verschil in brekingsindex (n- en k-waarden) tussen de fotoresist en het substraat, wordt een deel van het verlichtingslicht teruggekaatst van de interface tussen de fotoresist en het substraat, wat interferentie met het invallende beeldlicht veroorzaakt. Wanneer deze interferentie ernstig is, kan het zelfs een staand golfeffect veroorzaken, zoals weergegeven in Afbeelding 7.33 (c). Afbeelding 7.33 (c) toont de dwarsdoorsnede van de i-lijn 365 nm of 248 nm fotoresist. Omdat de afstand tussen de pieken in de staande golf een halve golflengte is en de brekingsindex n van de fotoresist over het algemeen rond de 1,6 tot 1,7 ligt, kan worden afgeleid dat de dikte van de fotoresist ongeveer 0,7 tot 1,2 μm is, afhankelijk van het aantal pieken (~10). De dikte van 193 nm fotoresist is meestal minder dan 300 nm. Om het gereflecteerde licht aan de onderkant van de fotoresist te elimineren, wordt over het algemeen een onderste antireflectiecoating (BARC) gebruikt, zoals weergegeven in Afbeelding 7.34 (a). In Afbeelding 7.34 (a) wordt een interface toegevoegd na het toevoegen van de onderste antireflectielaag. De fase van het gereflecteerde licht tussen de antireflectielaag en het substraat kan worden aangepast door de dikte van de antireflectielaag aan te passen om het gereflecteerde licht tussen de fotoresist en de antireflectielaag te compenseren, waardoor het gereflecteerde licht aan de onderkant van de fotoresist wordt geëlimineerd. Voor de antireflectielaag moet, als strikte antireflectie moet worden bereikt bij een dikte van ongeveer 1/4 golflengte, de brekingsindex n van de antireflectielaag nauwkeurig worden aangepast, zodat deze tussen n ligt_Substraaten n_Fotoresistvan het substraat, dat wil zeggen,

(4) Optimaliseer de dikte en de swingcurve van de fotoresist

Zelfs met de onderste antireflectielaag zal er nog steeds een bepaalde hoeveelheid restlicht worden gereflecteerd vanaf de onderkant van de fotoresist. Dit deel van het licht zal interfereren met het gereflecteerde licht van de bovenkant van de fotoresist, zoals weergegeven in Afbeelding 7.35 (a) en Afbeelding 7.35 (b). Naarmate de dikte van de fotoresist verandert, verandert de fase van "gereflecteerd licht 0" en "gereflecteerd licht 1" periodiek, waardoor interferentie ontstaat. De herverdeling van energie door interferentie zal ervoor zorgen dat de energie die de fotoresist binnenkomt periodiek verandert naarmate de dikte van de fotoresist verandert, dus de lijnbreedte zal periodiek veranderen naarmate de dikte van de fotoresist verandert, zoals weergegeven in Afbeelding 7.35 (b). Er zijn over het algemeen verschillende manieren om het probleem van lijnbreedte die fluctueert met de dikte van de fotoresist op te lossen:

Optimaliseer de dikte en de brekingsindex van de antireflectielaag (selecteer een geschikte antireflectielaag)
Selecteer twee antireflectielagen (meestal is een daarvan een anorganische antireflectielaag, zoals siliciumoxynitride SiON)
Voeg een antireflectiecoating (Top ARC, TARC) toe om het gereflecteerde licht op de bovenkant van de fotoresist te verwijderen
Het toevoegen van een antireflectielaag maakt het proces echter ingewikkelder en duurder. Wanneer het procesvenster nog acceptabel is, wordt over het algemeen de dikte met de kleinste lijnbreedte gekozen. Dit komt omdat wanneer de dikte van de fotoresist verschuift, de lijnbreedte groter wordt, niet kleiner, zodat het procesvenster scherp kleiner wordt.

2. Andere methoden om de uniformiteit van de lijnbreedte te verbeteren
Verbeter de uniformiteit van spleetverlichting, aberratie, brandpuntsafstand en nivelleringsregeling, platformsynchronisatienauwkeurigheid en temperatuurregelnauwkeurigheid van de lithografiemachine; verbeter de uniformiteit van de breedte van de maskerlijn; verbeter het substraat en verminder de invloed van het substraat op lithografie (inclusief het vergroten van de scherptediepte en het verbeteren van de antireflectielaag). Onder hen vermeldde Sectie 4.2 dat het vergroten van de uniformiteit van het ontwerppatroon bevorderlijk is voor het verbeteren van de nauwkeurigheid van nivellering en het daadwerkelijk vergroten van de scherptediepte. De ruwheid van de rand van het patroon wordt over het algemeen veroorzaakt door de volgende factoren:

(1) De inherente ruwheid van de fotoresist: deze is gerelateerd aan het molecuulgewicht van de fotoresist, de grootteverdeling van het molecuulgewicht en de concentratie van de fotozuurgenerator (PAG).

(2) Het contrast van de oplossnelheid van de fotoresistontwikkeling met de toename van de lichtintensiteit: hoe steiler de verandering van de oplossnelheid met de lichtintensiteit in de buurt van de drempelenergie, hoe kleiner de ruwheid die wordt veroorzaakt door gedeeltelijke ontwikkeling.

(3) Fotoresistgevoeligheid: Hoe minder de fotoresist afhankelijk is van post-exposure baking (PEB), hoe groter de ruwheid van de lijnbreedte waarschijnlijk zal zijn. Post-exposure baking kan een deel van de non-uniformiteit verwijderen.

(4) Contrast of energiemarge van het fotolithografische beeld: Hoe groter het contrast, hoe smaller het gebied waar de rand van het patroon is ontwikkeld, en hoe lager de ruwheid. Het wordt over het algemeen uitgedrukt door de relatie tussen lijnbreedteruwheid en beeldloghelling (ILS).

Voor chemisch versterkte fotoresists zal elk fotozuurmolecuul dat door de fotochemische reactie wordt gegenereerd een deprotectiekatalytische reactie ondergaan binnen een bereik van diffusielengte met het generatiepunt als het middelpunt van de cirkel en de straal als de straal. Over het algemeen ligt de diffusielengte voor 193 nm fotoresists in het bereik van 5 tot 30 nm. Hoe langer de diffusielengte, hoe beter de patroonruwheid wanneer het beeldcontrast onveranderd blijft. Echter, in de buurt van de resolutielimiet, zoals in de buurt van de 45 nm halve pitch, zal een toename van de diffusielengte leiden tot een afname van het ruimtelijke beeldcontrast, en een afname van het ruimtelijke beeldcontrast zal ook leiden tot een toename van de patroonruwheid.

De oplossnelheid van fotoresist verandert doorgaans van een zeer laag niveau naar een zeer hoog niveau op een stapsgewijze manier naarmate de lichtintensiteit verandert. Als deze stapsgewijze verandering steiler is, zal het zogenaamde "gedeeltelijke ontwikkelings"-gebied, dat wil zeggen het overgangsgebied in het midden van de stapsgewijze verandering, worden verkleind, waardoor de ruwheid van het patroon wordt verminderd. Uiteraard zal te veel oplossingscontrast ook de scherptediepte beïnvloeden. Voor sommige 248nm en 365nm fotoresists kan een iets kleiner ontwikkelingscontrast de scherptediepte tot op zekere hoogte vergroten, zoals weergegeven in Afbeelding 7.36.

Hoe hoger de gevoeligheid van de fotoresist, hoe korter de diffusielengte van het fotozuur (hoe hoger de getrouwheid van de luchtfoto en hoe hoger de resolutie), omdat dergelijke fotoresists over het algemeen minder afhankelijk zijn van nabelichtingsbakken, wat kan leiden tot een zekere mate van patroonruwheid. Als de concentratie van de fotozuurgenerator echter tegelijkertijd wordt verhoogd, kan deze situatie worden verbeterd. Het verbeteren van het contrast van de fotoresistafbeelding kan de patroonruwheid verminderen, zoals weergegeven in Afbeelding 7.37.

De rondheid van contactgaten en via's is vergelijkbaar met de ruwheid van het patroon. Het is ook gerelateerd aan de diffusie van fotozuur, de concentratie van fotozuur, het ruimtelijke beeldcontrast en het contrast van de ontwikkeling van fotoresist. We zullen ze hier niet één voor één bespreken.

Fotoresistmorfologie

Afwijkingen in de morfologie van de fotoresist zijn onder meer de kantelhoek van de zijwand, staande golf, dikteverlies, onderste fundering, onderste insnijding, T-top, bovenste afronding, ruwheid van de lijnbreedte, aspectverhouding/patroondumping, bodemresidu, enz. We zullen ze één voor één bespreken, zoals weergegeven in Afbeelding 7.38.

Zijwandhoek: Dit komt over het algemeen doordat het licht dat de onderkant van de fotoresist binnenkomt zwakker is dan het licht aan de bovenkant (door de absorptie van licht door de fotoresist). De oplossing is over het algemeen om de absorptie van licht door de fotoresist te verminderen en tegelijkertijd de gevoeligheid van de fotoresist voor licht te vergroten. Dit kan worden bereikt door de toevoeging van lichtgevoelige componenten te verhogen en het katalytische effect van fotozuren in de deprotectiereactie (diffusie-katalysereactie) te vergroten. De zijwandhoek heeft een bepaalde impact op het etsen en in ernstige gevallen wordt de zijwandhoek overgebracht op het geëtste substraatmateriaal.

Staande golf: Het staande golfeffect kan effectief worden opgelost door een antireflectielaag toe te voegen en de diffusie van de fotosensibilisator op de juiste manier te verhogen (bijvoorbeeld door de temperatuur of de nabaktijd te verhogen om de diffusie van fotozuren te vergroten).

Dikteverlies: Omdat de bovenkant van de fotoresist het sterkste licht ontvangt en de bovenkant het meest wordt blootgesteld aan ontwikkelaar, zal de dikte van de fotoresist in zekere mate verloren gaan nadat de ontwikkeling is voltooid.

Voet: De onderste voet wordt over het algemeen veroorzaakt door het zuur-base-onevenwicht tussen de fotoresist en het substraat (zoals de onderste antireflectielaag). Als het substraat relatief alkalisch of hydrofiel is, wordt het fotozuur geneutraliseerd of geabsorbeerd in het substraat, waardoor de deprotectiereactie aan de onderkant van de fotoresist in gevaar komt. De oplossing voor dit probleem is over het algemeen om de zuurgraad van het substraat te verhogen, de baktemperatuur vóór de belichting van de fotoresist en de antireflectielaag te verhogen, om zo de diffusie van het fotozuur in de fotoresist en in het substraat te beperken. Het beperken van de diffusie heeft echter ook invloed op andere eigenschappen, zoals de ruwheid van het patroon, de scherptediepte, enz.

Undercut: In tegenstelling tot de bottom footing, is undercutting te wijten aan de hogere zuurgraad aan de onderkant van de fotoresist, en de deprotectionreactie aan de onderkant is hoger dan die op andere plaatsen. De oplossing is precies het tegenovergestelde van het bovenstaande.

T-topping: T-topping wordt veroorzaakt door de alkalische (base) componenten in de lucht in de fabriek, zoals ammoniak, ammoniak (ammoniak) en organische amineverbindingen (amine), die in de bovenkant van de fotoresist doordringen en een deel van het fotozuur neutraliseren, wat resulteert in een grotere lokale lijnbreedte aan de bovenkant, en in ernstige gevallen zal het lijnhechting veroorzaken. De oplossing is om het alkaligehalte van de lucht in het fotolithografiegebied strikt te controleren, meestal minder dan 20 ppb (parts per billion), en te proberen de tijd van blootstelling tot post-exposure delay te verkorten.

Top rounding: Over het algemeen is de lichtintensiteit die op de bovenkant van de fotoresist wordt bestraald relatief groot. Wanneer het ontwikkelingscontrast van de fotoresist niet erg hoog is, zal dit deel van het toegenomen licht leiden tot een verhoogde oplossnelheid, waardoor de bovenkant rond wordt.

Ruwheid van de lijnbreedte: Ruwheid van de lijnbreedte is al eerder besproken.

Aspectverhouding/patrooninstorting: De aspectverhouding wordt besproken omdat tijdens het ontwikkelingsproces de ontwikkelaar, gedeïoniseerd water, enz. laterale spanning zal genereren die wordt gevormd door oppervlaktespanning in het fotoresistpatroon na ontwikkeling, zoals weergegeven in Afbeelding 7.39. Voor dichte patronen is het probleem niet zo groot, omdat de spanning aan beide kanten ongeveer hetzelfde is. Voor het patroon aan de rand van het dichte patroon zal het echter onderhevig zijn aan unilaterale spanning als de aspectverhouding groot is. In combinatie met de verstoring van rotatie met hoge snelheid tijdens het ontwikkelingsproces kan het patroon instorten. Experimenten tonen aan dat een hoogte-breedteverhouding boven 3:1 over het algemeen gevaarlijker is.

Scumming: De reden voor scumming is over het algemeen dat de onderste fotoresist niet genoeg licht absorbeert, wat resulteert in gedeeltelijke ontwikkeling. Om de resolutie van de fotoresist te verbeteren, moet de diffusielengte van het fotozuur worden geminimaliseerd en wordt de ruimtelijke ontwikkelingsuniformiteit veroorzaakt door de diffusie van het fotozuur verminderd. Op deze manier neemt de ruwheid van de ruimte toe. De onderste scumming kan over het algemeen worden verminderd door de lichtomstandigheden, maskerlijnbreedtebias en baktemperatuur en -tijd te optimaliseren om het ruimtelijke beeldcontrast te verbeteren en de belichting per oppervlakte-eenheid te verhogen.

Uitlijning en overlaynauwkeurigheid

Uitlijning verwijst naar de registratie tussen lagen. Over het algemeen moet de overlaynauwkeurigheid tussen lagen ongeveer 25%~30% van de kritische grootte (minimale grootte) van de siliciumwafer zijn. Hier bespreken we de volgende aspecten: overlayproces, overlayparameters en -vergelijkingen, overlaymarkeringen, apparatuur en technische problemen met betrekking tot overlay, en processen die de overlaynauwkeurigheid beïnvloeden.
Het overlayproces is verdeeld in de productie van de eerste laag (of voorste laag) uitlijningsmarkering, uitlijning, uitlijningsoplossing, compensatie van de fotolithografiemachine, belichting, meting van de overlaynauwkeurigheid na belichting en berekening van de volgende ronde van uitlijningscompensatie, zoals weergegeven in Afbeelding 7.40. Het doel van overlay is om de overlapping van de coördinaten op de siliciumwafer met het siliciumwaferplatform (dat wil zeggen de coördinaten van de fotolithografiemachine) te maximaliseren. Voor het lineaire deel zijn er vier parameters: vertaling (T_x, T_y), rond de verticale as (Z), rotatie (R) en vergroting (M). De volgende relatie kan worden vastgesteld tussen het siliciumwafercoördinatensysteem (X_w, Y_w) en het coördinatensysteem van de fotolithografiemachine (X_M, Y_M):

X_M=T_X+M[X_W-cos(R)-Y_{W zonde} (R)]