为提高成品率改善光刻工艺的一些方法
作者：伍强 詹思诚 华虹 NEC 电子有限公司
引言 当最小线宽 (Critical Dimension, CD) 和对准精度的变化大到一定程度，成品率将受到影响。在前道(Front-End-of-the-Line, FEOL)，诸如绝缘层和门电路层，最小线宽的变化会影响到晶体管的电学特征，如关闭电流 Ioff 和漏极饱和电流 Idsat。 对0.13微米及以下，由于短通道效应 (Short Channel Effect) 变得明显，阈值电压 Vt也会随线宽的变化而波动。如果门电路层的线宽偏小，关闭电流会明显变大，使芯片功耗大幅度增加，甚至出故障。对准精度的不高会让漏电流显著增加。在后道 (Back-End-of-the-Line, BEOL)，不完美的最小线宽和对准精度的控制会导致接触电阻的升高或者其他可能的工艺问题，如金属线的腐蚀。所以，对如何针对日益缩小的制造线宽在成本允许下提升光刻工艺对最小线宽和对准精度的控制是至关重要的。 从180 纳米产品开始，光学近距效应变得显著，其表现在明显的二维效应，如，线端缩短(Line End Shortening)和方角钝化 (Corner Rounding)。 除了二维的效应之外， 在一维，线宽随空间周期的变化会变得对部分相干性 (Partial Coherence) 敏感。尽管在 0.18 微米，基于一些简单规则的光学近距修正和一些曝光条件的优化已经可以满足对线宽的控制要求，在0.13 微米，更加复杂的基于模型的光学近距修正变的不可缺少。
除了对线宽的控制以外，很多0.18 微米及以下的芯片设计对对准精度的要求也越来越严。不超过60 纳米的对准精度对绝大多数光刻机来讲是轻而易举的。但是40 到50 纳米的对准精度就显得困难许多， 而且还有可能受某些工艺， 如化学机械抛光 (Chemical-Mechanical Polishing, CMP) 的影响。 20 到30 纳米的对准精度将是几乎所有光刻机能达到的极限。 在这样紧的规格下，成功的对准将依赖于对准记号的质量.
先进光刻工艺中对线宽的控制 化学增幅光刻胶 (Chemically Amplified Resist, CAR) 的使用改变了光刻学。化学增幅，或利用光致酸进行催化反应的引入不仅实现了更好的成像形貌和反应对比度，而且还提高了胶的灵敏度和机器产能 [1]。 但是尽管这样的扩散可以改善对焦深度 (Depth of Focus, DOF) 和图形边缘的粗糙程度， 实现这种催化反应所需要的在曝光后的烘烤 （俗称后烘）(Post Exposure Bake, PEB)过程中的酸的随机扩散会损伤成像对比度 [2]。 在 0.13 微米及以下工艺，传统上的黑白 (Binary)，或者铬-玻璃 (Chrome-on-Glass, COG) 掩膜板已经不能满足对门电路的线宽控制要求。 透射减幅的相移掩膜板 (Attenuated Phase Shifting Ma sk, Att-PSM) 成为 130 纳米和90 纳米工艺的标准配置。 在 65 纳米节点， 甚至透射减幅的相移掩膜板也不能给门电路产生足够的成像对比度。 在这种情况下，对160 纳米至200 纳米的空间周期，只有使用193 纳米浸没 (Immersion) 光刻技术或者交替相移掩膜板 (Alternating Phase Shifting Mask, Alt-PSM) 才能满足对门电路最小线宽控制的要求。 当然，各种相移掩膜板的使用将引入更多的掩膜板制造成本 [3]。 在这篇文章中，我们将讨论几个可能严重影响最小线宽的因素。
掩膜板误差因子 掩膜板误差因子 (Mask Error Factor, MEF) 定义为在硅片上印出的线宽对掩膜板线宽的偏导数 。 能够影响掩膜板误差因子的因素有曝光条件、光刻胶性能、光刻机透镜像差、后烘温度等。 最近五年来文献中曾经有许多对掩膜板误差因子的研究报告[2、4-7]。从这些研究我们看到：空间周期越小或者像对比度越小，掩膜板误差因子越大。对远大于曝光波长的图形，或者在人们常说的线性范围，掩膜板误差因子通常非常接近1。对接近或者小于波长的图形，掩膜板误差因子会显著增加。 不过，在以下特殊情况下，掩膜板误差因子会小于1： 使用交替相移掩膜板的线条光刻可以产生显著小于1的掩膜板误差因子[2、6]。 这是因为 在空间像场分布中的最小光强主要是由临近相位区所产生的180度相位突变产生的。改变相位突变地方的掩膜板上铬线的宽度对线宽影响不大。
掩膜板误差因子在光学近距修正中细小补偿结构附近会显著小于1。这是因为对主要图形的细小改变不能被由衍射而造成分辨率有限的成像系统所敏感识别。
通常对空间上有延伸的图形，诸如线或缝、和接触孔，掩膜板误差因子都等于或大于1。 因为掩膜板误差因子的重要性在于它和线宽及掩膜板成本的联系，将它限制在较小的范围变的十分重要。 例如，对门电路层，掩膜板误差因子通常被要求控制在1.5 以下。
直到最近，取得掩膜板误差因子的数据需要通过数值模拟或者实验测量。对数值模拟，如要达到一定的精确度需要依靠设定模拟参量的经验。 如果需要得到掩膜板误差因子在整个参量空间的分布信息，使用这类方法通常会比较慢。 其实，对密集线或缝的成像，掩膜板误差因子在理论上有解析的表达式。 在空间周期 p小于波长l 除以数值孔径NA（p< NA）而且线或缝的宽度相等的特殊条件下，这解析的表达式可以简化，写成如公式>
其中
CD 为硅片上印出的线宽，s 为部分相干参数 (0
其中 p<3pmin and pmin=l/(2NA), d 是掩膜板上线宽。 有了以上的公式，任何工程师可以轻松地得到任意给定的光刻机的性能极限。对孤立的图形，现在还没有到解析形式的公式，数值模拟将是必需的。 在插图1中显示在两种不同的后烘时间长度的掩膜板误差因子的数据。 此数据来源于波长为193 纳米和使用交替像移掩膜板的实验 [见引文2]。 数据用公式（3）进行了拟合，从而得到了等效扩散长度。 等效扩散长度在40和60 秒的后烘时间长度分别为27合33 纳米。 如果计入热板温度升高和各降低需要几十秒钟，等效后烘时间可以大致估计为70和90 秒，或者7：9。 这同等效扩散长度的比例7.4：9 几乎呈正比。 这个实验验证了扩散模型的正确性。 如果如图1所示的光刻胶用于65纳米门电路的光刻而且空间周期等于180 纳米，让掩膜板误差因子等于或小于1.5所需要光刻胶的等效扩散长度小于或者等于27 纳米。 类似结果也可以从使用透射减幅的相移掩膜板和黑白掩膜板的情况中得到。 通常为实现在门电路中掩膜板误差因子小于1.5， 我们要选用30纳米或者更精密的光刻胶。 这正如附图2所显示 [见引文8]：90纳米和130 纳米工艺中线和缝光刻中掩膜板误差因子随空间周期的变化
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光学近距效应修正问题
光学近距效应源于相临近的图形上散射的光之间的干涉。 有代表性的效应包括在中等空间周期 [又叫禁止周期， 见引文 9] 上线宽的减小、线端缩短 [10-11]、和方角钝化。 对0.18 微米及以上工艺，温和的光学近距修正包括密疏线宽平衡、线端稳定、和方角加装饰边(Serif) 已经足以满足对线宽均匀性的要求。 当然只要修正过程中仍然需要使用数学规则，就还会有出错的可能。 所以在修正以后需要做人工或者自动的光学规则检查 (ORC) 以查出可能出错或者疏漏的地方。 对0.18 微米及以下工艺，更加复杂的基于模型的光学近距效应修正就变的不可缺少因为它可以用定标过的光学模型对各种复杂的情况做修正。 不过，基于模型的光学近距效应修正还有一些问题，我们在下面分析。
基于模型的光学近距效应修正仍然使用规则来将在空间中有较大延伸的图形分割成小段， 目的是将一个复杂的，很难处理的图形分成一些简单小段的集合，以便于计算机分别处理。 但是这种处理方式会使得模型修正只针对局部的环境，而全然不顾更大范围的近距效应。 这种处理方式在使用亚衍射极限的辅助散射条 (Sub-Resolution Assist Features, SRAF)来增强对焦深度时会变得更加不确定。因为有一些地方会同时需要增加水平的和垂直的辅助散射条，因而造成冲突。 而且当工艺本身没有优化， 辅助散射条的缺失会造成断
线或缝不开。 一方面，粗的分割会造成细小的图形被漏掉，另一方面，太细的分割会产生一些过度的修正和修正错误，造成掩膜板检查困难。 所以，实现好的基于模型的光学近距效应修正的关键在于制定一套好的图形分割规则。 而好的图形分割规则又来源于工程师扎实的数学和编程功底和丰富的工作经验。
直到现在，基于模型的光学近距修正仍然没有解决修正解的稳定性问题。 当前一节讲到的掩膜板误差因子变得很大或者很小， 而且当模型又不是很准确， 修正解算可能不能收敛，会产生不稳定解。 不仅如此，当今的光学近距修正软件还没有检查工艺窗口的能力，主要是指掩膜板误差因子和焦深。 尽管有时模型能到稳定和准确的解，修正后的掩膜板也不一定有工艺窗口。 要让所有的解都具有好的工艺窗口还有赖于有经验的工程师制定完善的检查规则，以确保经过修正的图形符合工艺要求。
总之，光学近距修正不是用来修补未优化的工艺设计。一个好的工艺将拥有接近１的掩膜板误差因子、高的能量裕度 (Exposure Latitude, EL)、和足够的焦深。这个工艺还将有小的线宽随空间周期的变化范围尽管这种变化可以被修正。这是因为过多的随空间周期的线宽变化有时是未优化的曝光条件、不合格的光刻机、或者不合格的光刻胶的警告。 这些因素不仅会导致光学近距修正不能收敛，还会损害工艺窗口。
透镜像差
近年来业界有不少有关透镜像差的报道 [12-20]。 在所有像差中，球面像差 (球差，Spherical Aberration, SA)、彗形象差 (彗差, Coma)、 和像场弯曲 (场曲，Field Curvature) 是比较常见的。严重的球差会影响掩膜板误差因子和能量裕度。 我们曾经在实验上对线条和接触孔层仔细研究过球差对工艺窗口的损害 [21]。 在这项研究中， 我们比较了两台深紫外扫描式光刻机 (DUV Scanner) 并且第一次对球差造成的像的模糊以等效扩散长度来量化。 在这个实验中， 我们得到根均方(root-mean-square, rms) 波前相位误差 (wave front error, WFE) 0.064 个波长会造成41 纳米的像模糊程度， 而根均方波前相位误差0.043个波长将对应31 纳米的像模糊。 由于大多数光刻胶的等效扩散长度为20到60 纳米，光刻机的波前相位误差应该被控制在0.04 个波长以下，或者25 纳米的像模糊。 两台光刻机中比较好的那台的根均方波前相位误差是0.035个波长，其对应的像模糊经过计算大致为20 纳米。表1列举了两台光刻机实际测得的根均方波前相位误差。
彗差是由于斜入射光通过透镜不同区域聚焦不在同一点产生的。 线越是窄，光线经过的透镜区域越大，效应也越明显。彗差的存在不仅会造成图形跟设计位置有位移误差，还会
改变硅片上的线宽 [22]。 不仅如此，它还会影响成像质量，比如能量裕度、焦深、和掩膜板误差因子。 类似以上对像质的评价实验也可以对彗差做， 这里不再展开。
另外一种重要的像差是像场弯曲。由于这种像差主要影响焦深，这种像差对门电路和接触孔这类对焦深敏感的层有可能是致命的。在有一些扫描式光刻机中，场曲可以通过轻微调整照明激光的波长来消除。这是由于光刻机透镜通常有很大的散。在一般情况下，场曲需要被控制在峰峰值200纳米之内。
硅片平台水平控制
尽管水平控制最初设计成探测硅底版的最上水平面，在实际工作中我们发现，它会受图形的密度影响。硅片平台的水平位置探测是通过测量大入射角 (Grazing Incidence) 可见光的反射光点位置来实现的。理论上，如果入射角接近90度，几乎所有的能量将从第一个界面上反射回来，从而使得最上层表面被探测。实际上，绝大多数光刻机上的入射角在70到78度之间。 在这种情况下，有很多光将不从最上表面反射。在后道工艺中，光刻所遇到的底版的表面通常有很厚的透明介电层，从最上表面反射的光很少。 正如插图3所示，在空气-玻璃类（折射率为1.5）界面上的平均反射能量对70到78度的入射角分别只有17%和22%。 所以被水平控制系统所监控的平面不在最上表面，而在表面以下的某个平面。 对后
道工艺，在电介质下面有经过光刻的金属或者多晶硅等高度反光的界面。 因为穿透表面的光线会被这些结构反射，反射的多少将由图形的密度决定。所以，水平控制所定出的最终“表面”将是从最上表面往下的各反射面的加权平均。 实践显示，前道层和后道层的焦距值可以相差达0.2 到 0.3 微米， 而由于下层图形密度分布的对焦误差可以达到+/- 50 纳米或以上。 这样的误差对0.065 微米工艺来讲是灾难性的。对扫描型光刻机，在扫描方向上的水平控制会在扫描的过程中不断的调整以补偿任何表面形貌的变化。 但是在非扫描的方向上的形貌变化只能用一个平均值来补偿， 包括高度和倾斜角。 所以如果下一层图形密度在非扫描方向上有变化，硅片上会出现对焦向一边倾斜的现象。 要改变这些情况，版图上需要加上一些辅助图形， 以配平图形密度。
先进光刻中的对准控制
对准记号的完好性
40 纳米之内的对准精度的实现需要最佳的对准、对准精度的测量、和对准记号。 大多数现代的扫描型光刻机和对准测量机器有很高的重复性和精确度。 直接成像对准的光刻机通常有20-35 纳米的对准精度而扫描对准的光刻机的对准精度可达15纳米。 尽管对机器本身来说，实现40 纳米的对准精度并不难，在真正的产品上实现40纳米对准精度并不容易。这是因为对准记号的信号强度会随集成工艺的变化而变化，还会被工艺引起的问题所影响。对准记号的信号强度源于光强和相位对比度。 在前道，绝缘层和门电路层的对准信号是分别由浅槽绝缘层 (Shallow-Trench-Isolation, STI)的深度和多晶硅的厚度决定的。如果记号的形貌高低差等于1/2波长，对准信号将接近零。有代表性的信号强度为2%（直接成像型对准系统）[23] 或者1%（扫描型对准系统）[24]。 当信号强度比较小时，我们还可以用分段型（Segmented Mark）的对准记号来改善信号 [25]。 最佳的分段数由模拟决定。基于薄膜反射理论和远场衍射理论的数学模型已经被证明是很精确的 [24-25]。插图4显示了模拟的扫描型对准系统中5阶增强型对准记号的衍射光谱。插图5显示了直接成像型对准系
统的信号模拟结果，其中明显表明分段型对准记号比普通的单线对准记号有更强的信号：多出50%。
使用交替相移掩膜板中的对准问题
相位精度的控制对透射减幅的掩膜板可以相对宽松一些，可以达到+/-6度。 这是由于光刻工艺对其不敏感。 但是对交替相移掩膜板来讲，精度需要再严格一些， 因为相位误差会造成图形在离焦时的水平移动。 如果最大的移动需要被控制在10%的线宽之内，对最小的空间周期，相位误差需要被控制在+/-2度之内 [26]。 根据研究 [26]，相位误差 Df、空间周期 p、图形平移量 DCDs、和离焦量 Df 之间的几何关系可以表示成，
