Bevezetés a fotolitográfiai technológiába
A fotolitográfiai technológia fejlődéstörténete
Amióta Jack S. Kilby 1958. szeptember 12-én feltalálta a világ első integrált áramkörét, az integrált áramkörök több mint 50 éve gyors fejlődésen mentek keresztül. A minimális vonalszélesség most 20 és 30 nm között van. idő, belépve a mély szubmikron tartományba. A fotolitográfiai technológia, az egyik kulcsfontosságú technológia, szintén a fényképészeti berendezésekhez hasonló nagyító objektívek kezdeti használatától a mai immerziós típusú, 1,35-ös nagy numerikus rekesznyílásig fejlődött, amely képes a képminőség automatikus szabályozására és beállítására, átmérőjével. több mint fél méter és fél tonna súlyú. óriás lencsekészlet. A fotolitográfia feladata, hogy rétegről rétegre félvezető áramköri mintákat nyomtatjon szilícium lapkákra. Ötlete a nagy múltú nyomtatási technológiából származik. A különbség az, hogy a nyomtatás az információkat rögzíti a tintával a papír fényvisszaverő képességének megváltoztatására. , míg a fotolitográfia fény- és fényérzékeny anyagok fotokémiai reakcióját alkalmazza a kontraszt változásának eléréséhez.
A nyomtatási technológia először a késői Han-dinasztia idején jelent meg Kínában. Több mint 800 évvel később a Song-dinasztia korából származó Bi Sheng forradalmi fejlesztéseket hajtott végre, és a rögzített blokknyomtatást mozgatható típusú nyomtatássá alakította át, amely aztán gyorsan fejlődött. Napjainkban kifejlesztették a lézeres fototípiás technológiát. A mai értelemben vett "fotolitografia" Alois Senefedler próbálkozásaival kezdődött 1798-ban. Amikor Münchenben (Németország) megpróbálta kiadni könyvét, rájött, hogy ha olajceruzával festett illusztrációkat porózus mészkőre, a megrajzolatlan területeket pedig vízzel nedvesíti. , a tinta csak Ragasztó lenne, ahol ceruzával rajzolt. Ezt a technikát litográfiának vagy kőre rajznak nevezik. A litográfia volt a modern többregiszter előfutára.
A fotolitográfia alapvető módszerei
Bár vannak hasonlóságok, az integrált áramkörök fotolitográfiája tinta helyett fényt használ, és a tintával és tinta nélkül lévő területek a maszkon fényes és fény nélküli területekké válnak. Az integrált áramkör-gyártó iparban a litográfiát ezért fotolitográfiának vagy litográfiának is nevezik. Ahogyan az olajalapú tinta szelektíven lerakódik a mészkőre, a fény csak a maszk átlátszó területein tud áthaladni, és a kivetített fényt egy fényérzékeny anyagon, az úgynevezett fotoreziszten rögzítik. A fotolitográfiai folyamat egyszerű sematikus diagramja a 7.1. ábrán látható.
Mivel a fotoreziszt az ultraibolya (UV) fény hatására megváltozik az előhívó oldódási sebességében, a maszk mintája átkerül a szilícium lapka tetején lévő fotoreziszt rétegre. A fotoreziszt által lefedett területek a további feldolgozás (például maratás vagy ionbeültetés) megakadályozásával a maszk mintázatának további átvitelét érhetik el.
1960 óta a fotolitográfiai technológia a következő három típusra osztható: kontakt expozíció, közelség expozíció és vetítési expozíció. A legkorábbi az érintkezés vagy közelség expozíció volt, amely a gyártás fő áramvonala volt a század közepéig. Az érintkezési expozíciónál, mivel elméletileg nincs rés a maszk és a szilíciumlapka teteje között, a felbontás nem jelent problémát. Mivel azonban az érintkezés hibákat okoz a maszk és a fotoreziszt kopása miatt, az emberek végül a közeli expozíciót választották. Természetesen a közeli expozíciónál, bár a hibákat elkerüljük, a közelségi expozíció felbontása 3 μm-re vagy nagyobbra korlátozódik a rések és a fényszórás jelenléte miatt. A közelségi expozíció felbontásának elméleti határa az
Köztük
k a fotoreziszt paramétereit jelöli, általában 1 és 2 között;
A CD a minimális méretet jelenti, vagyis a kritikus méretet, amely általában megfelel a minimális feloldható térbeli periódus vonalszélességének;
λ az expozíciós hullámhosszra utal;
g a maszk és a fotoreziszt felületén lévő rés közötti távolságot jelöli (g=0 az érintkezési expozíciónak felel meg)
Mivel g általában nagyobb, mint 10 μm (a maszk és a szilícium lapka felületének síksága korlátozza), a felbontás erősen korlátozott, például 3 μm 450 nm-es megvilágítási hullámhossz esetén. Az érintkezési kitettség elérheti a 0,7 μm-t.
A hibák és a felbontás kettős nehézségének leküzdésére egy vetítési expozíciós sémát javasoltak, amelyben a maszk és a szilícium lapka több mint néhány centiméterrel van elválasztva egymástól. Optikai lencséket használnak a maszkon lévő mintázat lencséjének a szilícium lapkára való leképezésére. Mivel a piac megköveteli a nagyobb chipméreteket és a szigorúbb vonalszélesség-egyenletesség-szabályozást, a vetítési expozíció is fokozatosan átalakult az eredetihez képest.
teljes szilícium ostya expozíció teljes szilícium lapka letapogatással (lásd 7.2. ábra (a))
lépéses és ismételt expozíció (lásd 7.2. ábra (b))
lépéses és pásztázó expozíció (lásd a 7.2 (c) ábrát)
Az egész szilícium ostya 1:1 expozíciós módszer egyszerű szerkezetű, és nem igényel magas monokromatikus fényt. Azonban ahogy a chip mérete és a szilícium lapka mérete egyre nagyobb, a vonal szélessége pedig egyre finomabb lesz, az optikai rendszer nem tudja egyszerre a mintát a teljes szilícium lapkára vetíteni anélkül, hogy ez ne befolyásolná a képminőséget, és elkerülhetetlenné válik a blokk expozíciója. .
Az egyik blokkos expozíciós módszer a teljes szilícium lapka letapogató módszer, amint az a 7.2 (a) ábrán látható. Ez a módszer egy ív alakú látómezőn keresztül folyamatosan letapogatja és a szilícium lapkára teszi a maszk mintáját. A rendszer két azonos optikai tengelyű gömbtükröt használ, amelyek görbületi sugarát és beépítési távolságát az aberrációmentesség követelménye határozza meg.
Azonban ahogy a chip mérete és a szilícium lapka mérete egyre nagyobb, a vonal szélessége pedig egyre finomabb lesz, az 1x expozíció egyre nehezebbé teszi a nagy mintakészítési és elhelyezési pontosságú maszk készítését.
Ezért az 1970-es évek végén egy csökkentett nagyítású, blokkos expozíciós gép jött létre. A forgácsmintát egyenként tesszük ki a szilícium lapkára, amint az a 7.2 (b) ábrán látható. Ezért ezt a csökkentett nagyítású expozíciós rendszert step-and-repeat rendszernek vagy léptetőnek nevezik.
A chip méretének és a szilícium lapka méretének növekedésével és a vonalszélesség szabályozásának szigorodásával azonban még a stepper technikai lehetőségei sem tudják kielégíteni az igényeket. Az igény és a jelenlegi technológia közötti ellentmondás feloldása közvetlenül vezetett a lépés- és pásztázó exponálógép megszületéséhez, amint azt a 7.2 (c) ábra mutatja. Ez a készülék egy hibrid, amely egyesíti a korai full-wafer scanning expozíciós gép és a későbbi step-and-repeat expozíciós gép előnyeit: a maszk szkennelése és kivetítése nem egyszerre történik, hanem a teljes szilícium lapka is exponálásra kerül. blokkok. Ez az eszköz átviszi az optikai nehézségeket a magas mechanikai pozicionálásra és vezérlésre. Ezt az eszközt a mai napig használja az ipar, különösen a 65 nm-es és az alatti technológiai csomópontokon lévő félvezető chipek gyártásában.
A világ fő litográfiai gépgyártói az ASML Hollandiában, a Nikon és a Canon Japánban, valamint más, nem teljes méretű litográfiai gépeket gyártók, mint például az Ultrastepper.
A hazai fejlett letapogató litográfiai gépek gyártása későn indult. 2002 után főként a Shanghai Microelectronics Equipment Co., Ltd. (SMEE) fejlesztette ki. A hazai litográfiai gépek a használt litográfiai gépek javításától az önálló fejlesztésű és gyártású litográfiai gépekig fejlődtek. A jelenleg fejlesztés alatt álló legfejlettebb litográfiai gép a 193 nm-es SSA600/20 (lásd 7.3. ábra). Bár még mindig nagy a szakadék a világ haladó szintjéhez képest, elmondható, hogy örvendetes előrelépés történt. Numerikus apertúrája 0,75, a standard expozíciós mező 26×33mm, felbontása 90nm, átfedési pontossága 20nm, a 300mm-es gyártási kapacitása 80 darab óránként.
Egyéb képátviteli módszerek
Köztudott, hogy a fotolitográfia folyamatos fejlesztésének egyik iránya a hullámhossz csökkentése. Ezt az erőfeszítést azonban hátráltatták olyan tényezők, mint a megfelelő 157 nm-es fotorezisztek, a maszkvédő fóliák (pellikulumok) kifejlesztése és a lencseanyagok, például a kalcium-fluorid gyártási mennyisége.
). Az elmúlt 20 évben azonban az emberek sok kutatást fektettek be az extrém ultraibolya (EUV) hullámhosszú fotolitográfiába. Ez a technológia erős lézerek vagy nagyfeszültségű kisülések által generált xenon vagy ónplazma által kibocsátott 13,5 nm-es extrém ultraibolya fényt használ. Bár az EUV technológia által hozott nagy felbontás nagyon vonzó, ennek a technológiának számos technikai nehézsége is van, például a tükröt könnyen szennyezi az impulzus által keltett fröccsenő anyag, az extrém ultraibolya fény könnyen elnyelődik (ezért a rendszernek rendkívüli mértékben kell rendelkeznie nagy vákuum és minimális számú fényvisszaverő lencse), a maszkra vonatkozó szigorú követelmények (nincs hiba és nagy fényvisszaverő képesség), a rövid hullámhossz okozta becsillanás, a fotoreziszt reakciósebessége és a felbontás stb.
A hagyományos fény használata mellett a maszkmintázat átvitelére más mikrolitográfiai módszereket is keresnek, mint például a röntgen, a nanoimprint, a többelektronsugaras direkt írás, az elektronsugaras, az ionsugár vetítés stb.
A fotolitográfia rendszerparaméterei
Hullámhossz, numerikus apertúra, képtér közepes törésmutató
Korábban már említettük, hogy a közeli expozíció felbontása gyorsan romlik, ahogy a maszk és a szilíciumlapka közötti távolság nő. A vetítési expozíciós módszernél az optikai felbontást a következő képlet határozza meg, azaz:
Köztük
arányos együtthatót jelent, amely a fotolitográfiai eljárás nehézségét jellemzi. Általánosságban elmondható,
{{0}}.25 és 1.0 között van. Ez valójában a híres Rayleigh-képlet. E képlet szerint az optikai felbontást a λ hullámhossz, az NA numerikus apertúra és a folyamatfüggő
. Ha kisebb mintát kell nyomtatnia, az alkalmazott módszer lehet az expozíciós hullámhossz egyidejű csökkentése, a numerikus rekesznyílás növelése, a
értékét, vagy módosítsa valamelyik tényezőt. Ebben a részben először a hullámhossz csökkentésével és a numerikus apertúra növelésével a felbontás javításának meglévő eredményeit mutatjuk be. Hogyan javítható a felbontás a
A fix hullámhossz és a numerikus apertúra előfeltétele szerinti tényezőt később tárgyaljuk.
Bár a rövid hullámhosszal nagy felbontás érhető el, a fényforráshoz kapcsolódóan számos más fontos paramétert is figyelembe kell venni, mint például a fényerősség (fényerő), a frekvencia sávszélessége és a koherencia (a koherenciát később részletesen ismertetjük). Átfogó átvilágítás után a nagynyomású higanylámpát választották megbízható fényforrásnak fényereje és sok éles spektrális vonala miatt. Különböző hullámhosszúságú expozíciós hullámhosszak választhatók ki különböző hullámhosszú szűrők használatával. A fény egyetlen hullámhosszának kiválasztásának képessége döntő fontosságú a fotolitográfiában, mivel az általános léptetőgép kromatikus aberrációt okoz a nem monokromatikus fénynél, ami a képminőség romlását eredményezi. Az iparban használt G vonal, H vonal és I vonal az expozíciós gép által használt 436 nm-es, 405 nm-es és 365 nm-es higanylámpa spektrumokra utal (lásd 7.4. ábra).
Mivel az I-vonalú léptető optikai felbontása csak a 0,25 μm-t érheti el, a nagyobb felbontás iránti igény az expozíciós hullámhosszt egy rövidebb hullámhosszra, például a {{3} Deep UltraViolet (DUV) spektrumára szorította. } nm. A nagynyomású higanylámpák kiterjesztése a mély ultraibolya tartományban azonban nem ideális, nemcsak az elégtelen intenzitás miatt, hanem azért is, mert a hosszú hullámhosszú sávban lévő sugárzás hőt és deformációt okoz. Az elterjedt ultraibolya lézerek sem ideálisak, mint például az argonion lézerek, mivel a túlzott térbeli koherencia foltokat okoz, és befolyásolja a megvilágítás egyenletességét. Ezzel szemben az excimer lézereket a következő előnyeik miatt választották ideális fényforrásként a mély ultraibolya sugárzáshoz.
(1) Nagy teljesítményük maximalizálja a litográfiai gép termelékenységét;
(2) Térbeli inkoherenciájuk, más lézerekkel ellentétben, megszünteti a foltokat;
(3) A nagy teljesítmény lehetővé teszi a megfelelő fotorezisztek előállítását;
(4) Optikailag a mély ultraibolya sugárzás szűk frekvenciájú (olyan szűk, mint néhány pm) előállításának képessége lehetővé teszi kiváló minőségű, teljes kvarc litográfiai gépek lencséinek tervezését.
Ezért az excimer lézerek váltak a fő megvilágítási fényforrássá a 0,5 μm-es és az alatti integrált áramköri gyártósorokon, és a legkorábbi jelentést Jain et al. A két excimer lézer, a 248 nm hullámhosszú kripton-fluorid (KrF) és a 193 nm hullámhosszú argon-fluorid (ArF) kiváló teljesítményt mutatott az expozíciós energia, a sávszélesség, a sugár alakja, az élettartam és a megbízhatóság tekintetében. Ezért széles körben használják azokat a fejlett léptető-pásztázó litográfiai gépekben, mint például az ASML kétplatformos Twinscan XT: 1000H (KrF), Twinscan XT: 1450G (ArF) és a Nikon NSR-S210D (KrF), NSR{11 }}F (ArF).
Természetesen az emberek még mindig keresnek rövidebb hullámhosszú fényforrásokat, például a fluormolekulák által generált 157 nm-es lézert.
Azonban a megfelelő fotorezisztek, maszk védőfóliák (pellikulumok) kifejlesztésének nehézségei és a kalcium-fluorid gyártási mennyisége miatt.
), a 157 nm-es litográfiai technológia csak egy csomóponttal tudja kiterjeszteni a félvezető folyamatot, azaz 65 nm-ről 45 nm-re; míg a 193 nm-es litográfiai technológia korábbi fejlesztése a gyártási csomópontot 130 nm-ről két csomópontra terjesztette ki: 90 nm-re és 65 nm-re, ami a 157 nm-es litográfiai technológia tömeggyártásának kereskedelmi forgalomba hozatalára irányuló törekvések végleges feladását eredményezte. Az expozíciós hullámhossz alakulását folyamatcsomópontokkal a 7.5. ábra mutatja.
Az expozíciós hullámhossz lerövidítése mellett a felbontás növelésének másik módja a vetítő/szkennelő eszköz numerikus apertúrájának (NA) növelése.
Ahol n jelenti a törésmutatót a képtérben, és θ az objektívlencse maximális felezési szögét a képtérben, amint az a 7.6. ábrán látható.
Ha a képtér közege levegő vagy vákuum, akkor a törésmutatója közel 1.0 vagy 1.0, a numerikus apertúra pedig sinθ. Minél nagyobb az objektívlencse szöge a képtérben, annál nagyobb az optikai rendszer felbontása. Természetesen, ha a lencse és a szilíciumlapka közötti távolság változatlan marad, minél nagyobb a numerikus rekesznyílás, annál nagyobb a lencse átmérője. Minél nagyobb a lencse mérete, annál nagyobb a gyártási nehézség és annál bonyolultabb a szerkezet.
Általában a maximálisan elérhető numerikus rekeszértéket az objektívtechnológia gyárthatósága és gyártási költsége határozza meg. Jelenleg a tipikus I-vonalú letapogató litográfiai gép (ASML Twinscan XT: 450G) 0,65 maximális NA-val rendelkező lencsével van felszerelve, amely képes megkülönböztetni a 22{ {11}} nm és 440 nm térbeli periódus. A kripton-fluorid (KrF) hullámhosszának legnagyobb numerikus apertúrája 0,93 (ASML Twinscan XT: 1000H), amely képes megkülönböztetni a 80 nm-es sűrű vonalakat (160 nm-es térbeli periódus). A legfejlettebb ArF litográfiai gép numerikus rekeszértéke 0,93 (ASML Twinscan XT: 1450G), amely 65 nm-es sűrű vonalakat (120 nm-es térbeli periódus) képes nyomtatni.
Ahogy korábban említettük, a numerikus rekeszérték nem csak a lencse rekeszszögének növelésével növelhető a képtérben, hanem a képtér törésmutatójának növelésével is. Ha levegő helyett vizet használnak a képtér kitöltésére, a képtér törésmutatója 1,44-re nő 193 nm hullámhosszon. Ez egyenértékű a 0.93 NA levegőben történő növelésével egyszerre 1,34 NA-ra. A felbontás 30%-ról 40%-ra javult. Ezért 2001-ben a merítési litográfia új korszaka kezdődött. A legfejlettebb kereskedelmi merülő-szkennelő litográfiai gépek az ASML Twinscan NXT: 1950i és a Nikon NSR-S610C, amint azt a 7.7 (a) és 7.7 (b) ábra mutatja. Az immerziós litográfia helyzetét a későbbiekben részletesen ismertetjük.
Fotolitográfiai felbontás ábrázolása
Korábban már szó volt róla, hogy a fotolitográfiai felbontást a rendszer numerikus apertúrája és hullámhossza határozza meg, és ez természetesen összefügg a faktorral kapcsolatos fotolitográfiai felbontás növelési módszerrel.
. Ez a rész elsősorban a fotolitográfiai folyamat felbontásának megítélését mutatja be. Tudjuk, hogy az optikai rendszer felbontását a híres Rayleigh-kritérium adja. Ha két azonos méretű pontszerű fényforrás közel van egymáshoz, a középpontjuktól a középpontig tartó távolság megegyezik az optikai műszerrel leképezett egyes fényforrások fényintenzitásának maximális értékétől az első minimális értékig mért távolsággal, az optikai rendszer nem tudja megkülönböztetni, hogy két vagy egy fényforrásról van szó, amint azt a 7.8. ábra mutatja. Azonban még ha teljesíti is a Rayleigh-kritériumot, a fényintenzitás a két pontszerű fényforrás közötti területen még mindig alacsonyabb, mint a csúcsérték, körülbelül 20%-os kontraszttal. Vonalfényforrás esetén, ha a fényforrás szélessége végtelenül kicsi, egy NA numerikus apertúrájú optikai rendszernél a megvilágító fényforrás hullámhossza λ, a fényintenzitás eloszlása a képsíkon
Vagyis a fény intenzitása eléri az első minimális pontot a kép központi helyzetéhez képest (2NA). Az I0 a kép közepén lévő fényintenzitást jelöli. Feltételezhető, hogy ez az optikai rendszer minimális távolsága λ/(2NA). Például, ha a hullámhossz 193 nm és az NA 1,35 (immerziós), az optikai rendszer minimális felbontási távolsága 71,5 nm.
Természetesen a fotolitográfiai eljárásnál ez azt jelenti, hogy 71,5 nm-es térperiódusú mintát lehet nyomtatni? A válasz nem. Ennek két oka van:
① Egy folyamathoz bizonyos ráhagyás és folyamatmutatók szükségesek a tömeggyártáshoz;
② Az összes gép és berendezés kereskedelmi gyártási pontossága és a gép teljesítményének átfogósága, hogy a gép a felbontási határnál sűrű vonalakat és elszigetelt mintákat tudjon nyomtatni, valamint minimálisra kell csökkentenie a maradék aberrációk hatását a folyamatra.
Egy 1,35 NA-s litográfiai gépnél az ASML azt ígéri, hogy az előállítható minta minimális térbeli periódusa 76 nm, azaz 38 nm-es sűrű vonalak egyenlő távolsággal. A fotolitográfiai eljárásban a határfelbontás csak referenciaérték. A tényleges munkában csak arról beszélünk, hogy egy adott térbeli periódusban és egy bizonyos vonalszélességben mekkora a folyamatablak, és elegendő-e a tömeggyártáshoz. A folyamatablakot jellemző paraméterekről a 7.4. fejezetben lesz részletesen szó. Íme egy rövid bemutatkozás. Általában a folyamatablakot jellemző paraméterek közé tartozik az expozíciós energia szélessége (EL), a fókuszmélység vagy a fókuszmélység (DOF), a maszk hibatényezője (MEF), az átfedés pontossága, a vonalszélesség egyenletessége stb.
Az expozíciós energia szélessége a megvilágítási energia legnagyobb megengedett eltérésére vonatkozik a vonalszélesség-változás megengedett tartományán belül. Például egy 90 nm vonalszélességű vonalnál a vonal szélessége 3 nm/mJ-el változik az energiával, és a megengedett vonalszélesség-változási tartomány ±9 nm, akkor az expozíciós energiaingadozás megengedett tartománya 9×2/{ {5}} mJ. Ha az expozíciós energia 30 mJ, az energiaszélesség 20%-a az expozíciós energiához képest.
A fókusz mélysége általában a litográfiai gép fókuszvezérlésének teljesítményétől függ. Például egy 193 nm-es litográfiai gép fókuszvezérlési pontossága, beleértve a gép fókuszsíkjának stabilitását, a lencse térgörbületét, az asztigmatizmust, a szintezési pontosságot és a szilícium lapka platform laposságát, 120 nm. Ekkor egy tömegesen gyártható folyamat minimális fókuszmélységének 120 nm felett kell lennie. Ha más folyamatok, például a kémiai-mechanikai planarizálás hatását is hozzáadjuk, a minimális fókuszmélységet javítani kell, például 200 nm-en. Természetesen, amint arról a későbbiekben szó lesz, a fókuszmélység javítása az energiamaradék rovására mehet.
A maszk hibatényezője (MEF) a szilícium lapka vonalszélességének a maszkon lévő vonalszélesség eltéréséből adódó eltérésének és a maszkon lévő eltérésnek az aránya, a (7-5) képlet szerint.
Normális esetben a MEF értéke közel 1, vagy egyenlő azzal.0. Amikor azonban a mintázat térbeli periódusa megközelíti a diffrakciós határt, a MEF gyorsan növekszik. A túl nagy hibatényező a vonalszélesség egyenletességének romlását okozza a szilícium lapkán. Vagy az adott vonalszélesség egyenletességi követelménynek megfelelően a maszk vonalszélesség egyenletessége túl magas.
Az átfedés pontosságát általában a léptetés, a szkennelés szinkronizálási pontossága, a hőmérséklet-szabályozás, a lencse aberrációja és a litográfiai gép mozgó platformjának aberráció-stabilitása határozza meg. Természetesen az átfedés pontossága függ a fedőjel felismerési és olvasási pontosságától, a folyamat hatásától a rátétjelre, a folyamat deformációjától a szilícium lapkán (például különböző hevítési eljárások, lágyítási eljárások) stb. A modern litográfiai gépi léptetés kompenzálhatja a szilícium lapka egyenletes tágulását, és kompenzálhatja a szilícium lapka nem egyenletes torzulását is, mint például az ASML által elindított "grid mapping" GridMapper szoftver. Kijavíthatja a nemlineáris szilícium lapka expozíciós rácsának torzulását.
A vonalszélesség egyenletessége két kategóriába sorolható: az expozíciós területen belüli egyenletesség (mezőn belüli) és az expozíciós területek közötti egyenletesség (mezőközi).
Az expozíciós területen belüli vonalszélesség egyenletességét főként a maszk vonalszélességének egyenletessége (a maszk hibatényezőjén keresztül), az energiastabilitás (a szkennelés során), a megvilágítás egyenletessége a szkennelési résben, a fókusz/szintezés egyenletessége az expozíciós terület minden pontjára, lencse határozza meg. aberráció (például kóma, asztigmatizmus), szkennelési szinkronizálási pontossági hiba (Moving Standard Deviation, MSD) stb.
Az expozíciós területek közötti vonalszélesség egyenletességét főként a megvilágítási energiastabilitás, a szilícium lapka szubsztrátum rétegvastagságának egyenletes eloszlása a szilícium lapka felületén (főleg a ragasztóbevonat egyenletessége és a filmvastagság más eljárások által okozott egyenletessége miatt), a szilícium lapka síksága határozza meg. felület, előhívóval kapcsolatos sütés egyenletessége, előhívópermetezés egyenletessége stb.
Fotolitográfiai folyamatfolyamat
A 8-lépcsős fotolitográfiai folyamat alapvető folyamatát a 7.9. ábra mutatja.
lépés01-HMDS felületkezelés
lépés02-Ragasztás
lépés03-Expozíció előtti sütés
lépés04-Igazítás és expozíció
lépés05-Expozíció utáni sütés
lépés06-Fejlesztés
lépés07-Fejlesztés utáni sütés
lépés08-Mérés
1. Gáz szilícium lapka felületi előkezelése
A fotolitográfia előtt a szilícium ostyát nedves tisztításnak és ionmentesített vízzel öblítik a szennyeződések eltávolítása érdekében. Tisztítás után a szilícium lapka felületét hidrofóbizálni kell, hogy fokozzuk a tapadást a szilícium lapka felülete és a fotoreziszt között (általában hidrofób). A hidrofób kezelésben hexametil-diszilazán nevű anyagot használnak, amelynek molekulaképlete (CH3)3SiNHSi(CH3)3.A hexametildiszilazán (HMDS) gőze keletkezik. Ez a gázos előkezelés hasonló a fára és műanyagra festés előtti alapozó spray használatához. A hexametil-diszilazán szerepe a szilícium lapka felületén lévő hidrofil hidroxil (OH) helyettesítése hidrofób hidroxillal (OH) kémiai reakcióval.OSi(CH3)3.Az előkezelés céljának elérése érdekében.
A gáz előkezelés hőmérsékletét 200-250 fokon szabályozzuk, és az időtartam általában 30 s. A gáz-előkezelő berendezés a fotoreziszt feldolgozáshoz csatlakozik az ostyapályához, alapfelépítését a 7.10. ábra mutatja.
2. Spin-bevonatú fotoreziszt, tükröződésmentes réteg
A gázos előkezelés után fotorezisztet kell bevonni a szilícium lapka felületére. A legszélesebb körben alkalmazott bevonási módszer a centrifugálási módszer. A (körülbelül néhány milliliteres) fotoreziszt először a szilícium ostya közepére kerül egy csővezetéken, majd a szilícium ostya forgatásával és fokozatos gyorsításával történik, amíg egy bizonyos sebességnél stabilizálódik (a sebesség határozza meg a ragasztó vastagságát, a vastagság pedig fordítottan arányos a sebesség négyzetgyökével). Amikor a szilícium ostya megáll, a felülete alapvetően száraz, a vastagsága pedig egy előre beállított méretnél stabil. A bevonat vastagságának egyenletességének ±20 Å tartományon belül kell lennie ("Å, angströmnek ejtve" a részecskefizikában a hosszúság mértékegysége. 1 Å egyenlő
m, ami a nanométer egytizede) 45 nm-es vagy annál fejlettebb technológiai csomópontokon. Általában három fő összetevője van a fotorezisztnek, a szerves gyantának, a kémiai oldószernek és a fényérzékeny vegyületnek (PAC).
A fotoreziszt részletes leírását a fotorezisztről szóló fejezetben tárgyaljuk. Ez a rész csak az alapvető folyadékdinamikát tárgyalja. A bevonat folyamata három lépésre oszlik:
① Fotoreziszt szállítása;
② Gyorsítsa fel a szilícium lapka forgását a végső sebességre;
③ Állandó sebességgel forgassa, amíg a vastagság az előre beállított értéken nem stabilizálódik;
A végső fotoreziszt vastagság közvetlenül összefügg a fotoreziszt viszkozitásával és a végső forgási sebességgel. A fotoreziszt viszkozitása a kémiai oldószer növelésével vagy csökkentésével állítható. A forgó bevonatfolyadék mechanikáját gondosan tanulmányozták.
A fotoreziszt vastagság egyenletességének magas követelményei a következő paraméterek teljes körű szabályozásával érhetők el:
① Fotoreziszt hőmérséklet;
② Környezeti hőmérséklet;
③ Szilícium lapka hőmérséklete;
④ Kipufogó áramlás és a bevonómodul nyomása;
Egy másik kihívás a bevonattal kapcsolatos hibák csökkentése. A gyakorlat azt mutatja, hogy a következő eljárás alkalmazásával jelentősen csökkenthető a hibák előfordulása.
(1) Magának a fotorezisztnek tisztának és részecskementesnek kell lennie. Bevonás előtt meg kell Szűrési eljárást alkalmaznak, és a szűrő pórusméretének meg kell felelnie a technológiai csomópont követelményeinek.
(2) Maga a fotoreziszt nem tartalmazhat kevert levegőt, mert a buborékok képhibákat okoznak. A buborékok hasonlóan viselkednek, mint a részecskék.
(3) A bevonótál kialakításának szerkezetileg meg kell akadályoznia a kilökött fotoreziszt kifröccsenését.
(4) A fotoreziszt adagolására szolgáló szivattyúrendszert úgy kell megtervezni, hogy a fotoreziszt minden adagolása után visszaszívódjon. A visszaszívás funkciója, hogy a fúvókából a felesleges fotorezisztet visszaszívja a csővezetékbe, így elkerülhető, hogy a felesleges fotoreziszt a szilícium lapkára csöpögjön, vagy a felesleges fotoreziszt kiszáradjon és szemcsés hibákat okozzon a következő szállítás során. A visszaszívásnak állíthatónak kell lennie, hogy megakadályozza a felesleges levegő bejutását a csővezetékbe.
(5) Az ostya élének leválasztása (él) A Bead Removal (EBR) eljárásban használt oldószert jól szabályozni kell. A szilíciumlapkák centrifugálási folyamata során a fotoreziszt a szilíciumlapka szélére és a szilíciumlapka szélére áramlik. a szilícium ostya a szilícium lapka hátulján a centrifugális erő hatására A szilícium ostya felületi feszültsége miatt kör alakú fotoreziszt maradvány képződik, amint az a 7.11. ábrán látható Ha nem távolítják el, ez a gyöngyszem leválik, és a száradás után részecskéket képez, és ráesik a szilíciumlapkára, a szilíciumlapka-szállító eszközre és a szilíciumlapka-feldolgozó berendezésre, ami növeli a hibaarányt. a szilíciumlapka hátoldalán lévő fotoreziszt-maradvány a szilíciumlapka-platformhoz (ostyatokmány) hozzátapad, ami a szilíciumlapka gyenge adszorpcióját, az expozíció defókuszát okozza, és növeli az átfedési hibákat bevonó berendezések. A fotorezisztnek a szilícium lapka szélétől bizonyos távolságban történő eltávolításának funkciója a szilícium lapka szélén lévő szilícium lapka forgatásával érhető el (egy fúvóka felül és egy alul, és a fúvóka helyzete a szilícium lapka széle állítható).
(6) Gondos számítás után azt találták, hogy a fotoreziszt körülbelül 90-99%-a leszakadt a szilícium lapkáról, és elpazarolt. Az emberek megpróbálták előkezelni a szilícium ostyát, mielőtt a fotorezisztet a szilícium ostyán felpörgették volna egy propilénglikol-metil-éter-acetát nevű kémiai oldószerrel (molekulaképlet CH3COOCH(CH3)CH3OCH3, PGMEA). Ezt a módszert Resist Reduction Coating-nak (RRC) nevezik. Ha azonban ezt a módszert helytelenül használják, hibák léphetnek fel. A hibák az RRC-fotoreziszt határfelületén bekövetkezett kémiai hatásokkal és az RRC oldószer levegő ammóniával való szennyeződésével kapcsolatosak.
(7) Tartsa fenn az előhívó vagy az előhívó modul kipufogógáz-nyomását, hogy megakadályozza az előhívó apró cseppecskéinek visszafröccsenését a fejlesztési folyamat során, amikor a szilícium lapka forog.
Mivel a fotoreziszt viszkozitása a hőmérséklettel változik, a szilíciumlapka vagy fotoreziszt hőmérsékletének szándékos változtatásával különböző vastagságok érhetők el. Ha a szilícium lapka különböző területein különböző hőmérsékleteket állítanak be, akkor a szilícium lapkán eltérő fotoreziszt vastagság érhető el. Az optimális fotoreziszt vastagság a vonalszélesség és a fotoreziszt vastagság (lengési görbe) törvénye alapján határozható meg a szilíciumlapkák, a gépi idő és az anyagok megtakarítása érdekében. A lengésgörbékről a következő fejezetekben lesz szó. A tükröződésgátló réteg spinbevonásának módja és elve megegyezik.
3. Expozíció előtti sütés
Miután a fotorezisztet a szilícium lapka felületére centrifugálással bevonták, meg kell sütni. A sütés célja, hogy szinte az összes oldószert elűzze. Ezt a sütést "expozíció előtti sütésnek" vagy "elősütésnek" nevezik, mivel expozíció előtt hajtják végre. Az elősütés javítja a fotoreziszt tapadását, javítja a fotoreziszt egyenletességét, és szabályozza a vonalszélesség egyenletességét a maratási folyamat során. A 6.3. pontban említett, kémiailag erősített fotorezisztben az elősütéssel a fotosav diffúziós hosszát is lehet bizonyos mértékig módosítani a folyamatablak paramétereinek beállításához. A jellemző elősütési hőmérséklet és idő 90-100 fok, körülbelül 30 s. Az elősütés után a szilícium ostya a sütéshez használt főzőlapról egy hideg tányérra kerül, hogy visszaállítsa szobahőmérsékletre, felkészülve az expozíciós lépésre.
4. Igazítás és expozíció
Az elősütés utáni lépések az igazítás és az expozíció. A vetítési expozíciós módszernél a maszkot a szilíciumlapkán egy előre meghatározott közelítő pozícióba, vagy a szilíciumlapkán meglévő mintához képest megfelelő pozícióba mozgatják, majd a lencse fotolitográfiával továbbítja a mintáját a szilíciumlapkára. Közelítés vagy érintkezés esetén a maszk mintáját az ultraibolya fényforrás közvetlenül a szilíciumlapkára teszi.
A minták első rétegénél előfordulhat, hogy nincs minta a szilícium ostyán, és a fotolitográfiai gép a maszkot a szilícium ostyán előre meghatározott (chip-differenciálási módszer) hozzávetőleges helyzetbe mozdítja (a szilícium lapka oldalirányú elhelyezési pontosságától függően). a fotolitográfiai gép platformján, általában 10-30 μm).
A második réteg és az azt követő minták esetében a fotolitográfiai gépnek be kell állítania az előző réteg expozíciója által hagyott igazítási jelet, hogy a réteg maszkját felülnyomhassa az előző réteg meglévő mintájára. Ez az átfedési pontosság általában a minimális mintaméret 25-30%-a. Például a 90 nm-es technológiában az átfedés pontossága általában 22-28 nm (a szórás háromszorosa). Amint az igazítási pontosság megfelel a követelményeknek, megkezdődik az expozíció. A fényenergia aktiválja a fényérzékeny komponenseket a fotorezisztben és elindítja a fotokémiai reakciót. A fotolitográfia minőségének mérésének fő mutatói általában a kritikus méret (CD) felbontása és egységessége, az átfedés pontossága, valamint a részecskék és hibák száma.
Az átfedési pontosság alapvető jelentése a grafika két fotolitográfiai folyamat közötti igazítási pontosságára (3σ) vonatkozik. Ha az igazítási eltérés túl nagy, az közvetlenül befolyásolja a termék hozamát. A csúcskategóriás fotolitográfiai gépek esetében az általános berendezések szállítói két értéket adnak meg az átfedési pontossághoz, az egyik az egyetlen gép kétszeres átfedési hibája, a másik pedig a két eszköz (különböző eszközök) közötti átfedési hiba.
5. Expozíció utáni sütés
Az expozíció befejezése után a fotorezisztet újra meg kell sütni. Mivel ez a sütés expozíció után történik, ezt "expozíció utáni sütésnek" nevezik, rövidítve: post-exposure baking (PEB). Az utósütés célja a fotokémiai reakció teljes befejezése hevítéssel. Az expozíciós folyamat során keletkező fényérzékeny komponensek hevítés hatására diffundálnak és kémiai reakcióba lépnek a fotoreziszttel, így az előhívófolyadékban szinte oldhatatlan fotoreziszt anyagot az előhívófolyadékban oldódó anyaggá változtatják, így oldható mintákat képeznek. az előhívó folyadékban és oldhatatlan az előhívó folyadékban a fotoreziszt filmben.
Mivel ezek a minták összhangban vannak a maszk mintáival, de nem jelennek meg, "látens képeknek" is nevezik őket. A kémiailag erősített fotorezisztek esetében a túl magas sütési hőmérséklet vagy a túlzott sütési idő a fotosavak (a fotokémiai reakciók katalizátorai) túlzott diffúziójához vezet, ami károsítja az eredeti kép kontrasztját, ezáltal csökkenti a folyamatablak egyenletességét és a vonalszélességet. Részletes megbeszélésre a következő fejezetekben kerül sor. A látens kép valódi megjelenítéséhez fejlesztésre van szükség.
6. Fejlesztés
Az utósütés befejezése után a szilícium ostya fejlesztési lépésbe lép. Mivel a fotoreziszt a fotokémiai reakció után savas, erős lúgos oldatot használnak előhívóként. Általában 2,38%-os tetrametil-ammónium-hidroxid vizes oldatot (TMAH) használnak, amelynek molekulaképlete (CH3)4NOH. Miután a fotoreziszt film átment az előhívási folyamaton, a megvilágított területeket az előhívó lemossa, és a maszk mintája megjelenik a szilícium ostyán lévő fotoreziszt filmen homorú és domború formák formájában fotoreziszttel vagy anélkül. A fejlesztési folyamat általában a következő lépésekből áll:
(1) Előpermetezés (előnedves): permetezzen kevés ioncserélt vizet (DI víz) a szilícium lapka felületére, hogy javítsa az előhívó tapadását a szilícium lapka felületére.
(2) Előhívó adagolás (előhívó adagolás): juttassa ki az előhívót a szilícium lapka felületére. Annak érdekében, hogy a szilícium lapka felületének minden része a lehető legnagyobb mértékben érintkezzen azonos mennyiségű előhívóval, az előhívó adagoló a következő módszereket fejlesztette ki. Például használjon E2 fúvókákat, LD fúvókákat stb.
(3) Az előhívó felületén maradás (tócsa): Az előhívó permetezése után a szilíciumlapka felületén kell maradnia egy ideig, általában tíz másodperctől egy-két percig, hogy az előhívó hogy teljes mértékben reagáljon a fotoreziszttel.
(4) Az előhívó eltávolítása és öblítése: Miután az előhívó leállt, az előhívót ki kell dobni, és ionmentes vizet permeteznek a szilícium lapka felületére, hogy eltávolítsák a maradék előhívót és a maradék fotoreziszt töredékeket.
(5) Centrifugálás száraz: A szilícium ostyát nagy sebességgel forgatják, hogy a felületről eltávolítsák az ionmentesített vizet.
7. Fejlesztés utáni sütés, keményfóliás sütés
A fejlesztés után, mivel a szilícium ostya víznek van kitéve, a fotoreziszt felvesz egy kis vizet, ami nem jó a későbbi folyamatokhoz, például a nedves maratáshoz. Ezért kemény filmes sütésre van szükség a felesleges víz eltávolításához a fotorezisztből. Mivel a legtöbb maratás ma már plazmamaratást, más néven "száraz maratást" alkalmaz, a keményfóliás sütés sok folyamatban kimaradt.
8. Mérés
Az expozíció befejezése után meg kell mérni a litográfia által alkotott kritikus dimenziót (Critical Dimension, röviden CD) és az átfedés pontosságát (metrológia). A kritikus dimenziót általában pásztázó elektronmikroszkóppal, míg az átfedés pontosságát optikai mikroszkóppal és töltéscsatolt képalkotó detektorral (CCD) mérik. A pásztázó elektronmikroszkóp használatának oka az, hogy a félvezető folyamat során a vonal szélessége általában kisebb, mint a látható fény hullámhossza, például 400-700 nm, és az elektronmikroszkóp elektron-ekvivalens hullámhosszát a gyorsító feszültség határozza meg. elektron. A kvantummechanika elvei szerint az elektron De Broglie hullámhossza
Ahol h (6,626×10-³⁴Js) Planck-állandó, m (9,1 × 10-³¹kg) az elektron tömege vákuumban, v pedig az elektron sebessége. Ha a gyorsító feszültség V, akkor az elektron de Broglie hullámhossza így írható fel
ahol q (1,609 × 10-19c) az elektron töltése. A számértékeket helyettesítve a (7-7) egyenlet megközelítőleg így írható fel
Ha a gyorsító feszültség 300V, akkor az elektron hullámhossza 0,07 nm, ami elegendő a vonalszélesség mérésére. A tényleges munkában az elektronmikroszkóp felbontását az anyagban lévő elektronsugár többszörös szóródása és az elektronlencse aberrációja határozza meg. Az elektronmikroszkóp felbontása általában több tíz nanométer, a vonalméret mérésének hibája pedig körülbelül 1-3 nm. Bár az átfedés pontossága elérte a nanométeres szintet, mivel az átfedés méréséhez csak a vastagabb vonal középső helyzetének meghatározására van szükség, optikai mikroszkóp segítségével az átfedés pontossága mérhető.
A 7.12 (a) ábra egy pásztázó elektronmikroszkóppal készített méretmérés képernyőképe. Az ábrán a fehér kettős vonalak és a relatív nyilak a célméretet jelzik. A pásztázó elektronmikroszkóp képkontrasztja az elektronbombázás által generált másodlagos elektronok kibocsátásával és összegyűjtésével jön létre. Látható, hogy több másodlagos elektron gyűjthető a vonal szélén. Elvileg minél több elektron gyűlik össze, annál pontosabb a mérés. Mivel azonban az elektronsugárnak a fotorezisztre gyakorolt hatását nem lehet figyelmen kívül hagyni, a fotoreziszt az elektronsugaras besugárzás után zsugorodni fog, különösen a 193 nm-es fotoreziszt. Ezért nagyon fontossá válik az egyensúly megteremtése a mérhetőség és a minimális zavar között.
A 7.12 (b) ábra az átfedés mérésének tipikus sematikus diagramja, amelyen a vonalvastagság általában 1–3 μm, a keret külső oldalának hossza általában 20–30 μm, és a keret belső oldalának hossza általában 10–20 μm . Ezen az ábrán a belső és a külső keretek által megjelenített eltérő színek vagy kontrasztok a visszavert fény színének és kontrasztjának különbségeiből adódnak, amelyet a vékonyrétegek különböző rétegeinek eltérő vastagsága okoz. Az átfedés mérése a belső keret középpontja és a külső keret középpontja közötti térbeli különbség meghatározásával történik. A gyakorlat bebizonyította, hogy amíg megfelelő jelintenzitást biztosítanak, egy optikai mikroszkóp is képes körülbelül 1 nm-es mérési pontosságot elérni.
Litográfiai folyamat ablak és minta integritásának értékelési módszere
Expozíciós energia margó, normalizált kép logaritmikus meredekség (NILS)
A 2. szakaszban megemlítettük, hogy az expozíciós energia határ (EL) a megvilágítási energia legnagyobb megengedett eltérésére vonatkozik a vonalszélesség-változás megengedett tartományán belül. A litográfiai folyamat mérésének alapvető paramétere.
A 7.13 (a) ábra a litográfiai mintázat változását mutatja az expozíciós energiával és a fókusztávolsággal.
A 7.13 (b) ábra egy kétdimenziós eloszlási tesztmintát mutat be, különböző energiákkal és gyújtótávolságokkal, szilícium lapkán exponálva. Olyan, mint egy mátrix, és fókusz-expozíciós mátrixnak (FEM) is nevezik.
Ez a mátrix a fotolitográfiai folyamat folyamatablakának mérésére szolgál egy vagy több mintán, mint például az energiarés és a fókuszmélység. Ha speciális tesztmintákat adnak hozzá a maszkhoz, a Focus-Energy Matrix más, a folyamathoz és a berendezéshez kapcsolódó teljesítményparamétereket is mérhet, mint például a litográfiai gép lencséjének különböző aberrációit, szórt fényt (felvillanást), maszk hibatényezőjét, fotosav diffúziót. a fotoreziszt hossza, a fotoreziszt érzékenysége, a maszk gyártási pontossága stb.
A 7.13 (a) ábrán a szürke grafikon a fotoreziszt (pozitív fotoreziszt) keresztmetszeti morfológiáját mutatja be expozíció és fejlesztés után. Ahogy az expozíciós energia folyamatosan növekszik, a vonal szélessége egyre kisebb lesz. A gyújtótávolság változásával a fotoreziszt függőleges morfológiája is változik. Először beszéljük meg a változást energiával. Ha a gyújtótávolság -0,1 μm, azaz a vetített fókuszsík 0,1 μm a fotoreziszt teteje alatt van. Ha a vonalszélességet az energia változásával mérjük, akkor a 7.14. ábrán látható görbe kapható.
Ha a vonalszélesség teljes CD-tűrését a 90 nm-es vonalszélesség ±10%-ának, azaz 18 nm-nek választjuk, és a vonalszélességnek az expozíciós energiával változó meredeksége 6,5 nm/(mJ/cm²), és az optimális expozíciós energia 20 (mJ/cm²), akkor az EL energiahatár 18/6,5/20=13,8%.
Elég? Ez a kérdés olyan tényezőkkel kapcsolatos, mint a litográfiai gép szilárdsága, a folyamat gyártásellenőrzési képessége és az eszköz vonalszélességre vonatkozó követelményei. Az energiarés összefügg a fotoreziszt azon képességével is, hogy képes megőrizni a térbeli képet. Általánosságban elmondható, hogy a 90 nm-es, 65 nm-es, 45 nm-es és 32 nm-es csomópontokon a kapuréteg litográfiájának EL követelménye 15% és 20%, a fém huzalozási réteg EL követelménye pedig körülbelül 13% és 15%.
Az energiamaradék is közvetlenül összefügg a kép kontrasztjával, de a kép itt nem a lencséből származó térbeli kép, hanem a fotoreziszt fotokémiai reakciója utáni "látens kép". A fotoreziszt általi fényelnyelés és a fotokémiai reakciók előfordulása megköveteli a fényérzékeny komponensek diffúzióját a fotoreziszt filmben. A fotokémiai reakcióhoz szükséges diffúzió csökkenti a kép kontrasztját. A kontrasztot a következőképpen határozzuk meg
Közülük U a "látens kép" ekvivalens fényintenzitása (valójában a fényérzékeny komponens sűrűsége).
Sűrű vonalak esetén, ha a P térbeli periódus kisebb, mint λ /NA, akkor a térbeli képi ekvivalens fényintenzitása U(x) szinuszhullám kell, hogy legyen, amint az a 7.15. ábrán látható, amely így írható fel.
Az EL definíciója szerint a (7-10) képlettel kombinálva, amint az a 7.16. ábrán látható, az EL a következő kifejezésként írható fel, azaz:
Az egyenlő sor és szóköz érdekében CD=P/2. Van egy tömörebb és intuitívabb kifejezés, nevezetesen
Vagyis ha a dCD az általános 10%-os CD-t használja, akkor a kontraszt körülbelül az EL 3,2-szeresével egyenlő. A (7-11) képlet meredeksége a következő
Képnapló lejtésének (ILS) is nevezik. A képkontraszttal és az EL-vel való közvetlen kapcsolata miatt fontos paraméterként használják a litográfiai folyamatablak mérésére is. Ha normalizáljuk, azaz megszorozzuk a vonalszélességgel, akkor megkaphatjuk a normalizált képnapló meredekségét (NILS) a (7-15) képlet szerint, azaz
Általában az U (x) a lencse által a fotorezisztbe vetített térbeli képet jelenti, ami itt a fotoreziszt fotokémiai reakciója utáni "látens képre" vonatkozik. Sűrű, azonos térközű vonalak esetén, CD=P/2, és a P térbeli periódus kisebb, mint λ/NA, a NILS a következőképpen írható fel
Például egy 90nm-es memóriafolyamatnál a CD vonalszélessége 0,09 μm, ha a kontraszt 50%, és a térbeli periódus 0,18 μm, akkor a NILS 1,57.
Fókusz mélysége (szintezési módszer)
A fókuszmélység (DOF) a gyújtótávolság-változás maximális tartományára vonatkozik a vonalszélesség-változás megengedett tartományán belül. Ahogy a 7.13. ábrán látható, a fotoreziszt nemcsak a vonal szélességében, hanem a morfológiájában is megváltozik a gyújtótávolság változásával. Általánosságban elmondható, hogy a nagy átlátszóságú fotorezisztek, például a 193 nm-es fotorezisztek és a 248 nm-es, nagy felbontású fotorezisztek, amikor a fotolitográfiai gép fókuszsíkja negatív értéken van, a fókuszsík közel van a fotoreziszt tetejéhez; ha a képarány nagyobb, mint 2.{5}}, a nagy vonalszélesség miatt a fotoreziszt alján akár "alulvágás" is előfordulhat, ami mechanikai instabilitást és billenést okozhat. Ha a fókuszsík pozitív értéken van, a fotoreziszt horony tetején lévő nagy vonalszélesség miatt a felső négyzetes sarkok lekerekednek (felső lekerekítés). Ez a "felső lekerekítés" a maratás után átkerülhet az anyag morfológiájába, ezért mind az "alulvágást", mind a "kerekítést" el kell kerülni.
Ha a 7.13. ábrán látható vonalszélesség-adatokat ábrázoljuk, a vonalszélesség és a fókusztávolság görbéjét kapjuk különböző expozíciós energiák mellett, amint az a 7.17. ábrán látható.
A vonalszélesség változását gyújtótávolság mellett 16, 18, 20, 22, 24 expozíciós energia mellett Poisson-diagramnak is nevezik.
Ha a vonalszélesség megengedett eltérési tartománya ±9 nm-re van korlátozva, akkor az optimális expozíciós energia melletti legnagyobb megengedett gyújtótávolság-változás a 7.17. ábrán látható. Nem csak azért, mert a tényleges munkavégzés során egyszerre változik az energia és a gyújtótávolság is, például a litográfiai gép sodródásában, ezért szükséges a gyújtótávolság maximális megengedhető változási tartományának elérése energiasodródás mellett. Amint a 7.17. ábrán látható, az EL vonalszélesség bizonyos megengedett eltérési tartománya, például ±5%, mint szabvány (EL=10%), felhasználható a maximálisan megengedhető gyújtótávolság-változási tartomány kiszámításához, amely 19 és 21 mJ/cm2. Az EL-adatok a megengedett gyújtótávolság-tartomány függvényében ábrázolhatók, amint az a 7.18. ábrán látható. Megállapítható, hogy a 90nm-es folyamatban a 10%-os EL variációs tartomány alatt a maximális fókuszmélység tartomány körülbelül 0,30 μm.
Elég? Általánosságban elmondható, hogy a fókusz mélysége a fotolitográfiai géphez kapcsolódik, például a fókuszvezérlés pontosságához, beleértve a gép fókuszsíkjának stabilitását, a lencse térgörbületét, az asztigmatizmust, a szintezési pontosságot és a szilícium lapka platform laposságát. . Ez természetesen összefügg magának a szilícium lapka laposságával és a kémiai-mechanikai lapítási folyamat által okozott laposságcsökkenés mértékével is. A különböző technológiai csomópontok esetében a tipikus fókuszmélységi követelményeket a 7.1. táblázat sorolja fel.
Mivel a fókusz mélysége nagyon fontos, a szintezés, amely a litográfiai gép fontos része, nagyon kritikus. Az iparban ma leggyakrabban alkalmazott szintezési módszer a szilícium lapka függőleges z helyzetének és az R dőlésszögeinek meghatározása.xés Ry
vízszintes irányban a ferde beeső fény által visszavert fényfolt helyzetének mérésével a szilíciumlapka felületén, a 7.19. ábra szerint.
A valós rendszer sokkal bonyolultabb, beleértve a független z, R elválasztását isxés Ry. Mivel ezt a három független paramétert egyidejűleg kell mérni, egy fénysugár nem elég (az oldalirányú elmozduláshoz csak két szabadságfok van), és legalább két fénysugár szükséges.
Sőt, ha szükséges z, R kimutatásax, és Ryaz expozíciós terület vagy rés különböző pontjain növelni kell a világos foltok számát. Általában egy expozíciós területen legfeljebb 8-10 mérési pont lehet. Ennek a szintezési módszernek azonban megvannak a maga korlátai. Mivel ferde beeső fényt használnak, például 15-20 fokos beesési szöget (vagy 70-75 fokos beesési szöget a szilíciumlapka felületének függőleges irányához képest), olyan felületeknél, mint a fotoreziszt és a szilícium-dioxid. a fehér fény törésmutatója körülbelül 1,5, a fénynek csak körülbelül 18-25%-a verődik vissza, amint az a 7.20. ábrán látható, és a detektorba belépő fény másik körülbelül 75-82%-a áthatol az átlátszó közeg felületén. . Az áteresztett fénynek ez a része tovább terjed, amíg átlátszatlan közeggel vagy visszaverő közeggel, például szilíciummal, poliszilíciummal, fémmel vagy nagy törésmutatójú közeggel, például szilícium-nitriddel nem találkozik, majd visszaverődik.
Ezért a szintezőrendszer által ténylegesen észlelt "felület" valahol a fotoreziszt felső felülete alatt lesz. Mivel a vonal hátulsó része (BEOL) főleg viszonylag vastag oxidréteget tartalmaz, például különféle szilícium-dioxidokat, bizonyos gyújtótávolság-eltérés lesz a sor front-end of the-line (FEOL) között. és a hátsó rész, általában 0.05 és 0,20 μm között van, az átlátszó közeg vastagságától és az átlátszatlan közeg visszaverő képességétől függően. Ezért a háttérben a chip tervezési mintájának a lehető legegységesebbnek kell lennie; ellenkező esetben a mintázat sűrűségének egyenetlen eloszlása miatt szintezési hibákat okoz, ami helytelen dőléskompenzációt és defókuszálást okoz.
A fotolitográfiai gépek szintezésére általában két mód létezik:
(1) Sík mód: mérje meg több pont magasságát az expozíciós területen vagy a teljes szilícium lapkán, majd keresse meg a síkot a legkisebb négyzetek módszerével;
(2) Dinamikus mód (kizárólag a szkennelő fotolitográfiai gépekre): dinamikusan mérje meg több pont magasságát a beolvasott résterületen, majd folyamatosan kompenzálja a szkennelési irány mentén. Természetesen fontos tudni, hogy a szintezés visszacsatolása a szilícium lapka platform fel-le mozgatásával és a nem szkennelési irány mentén történő billentéssel érhető el. Kompenzációja csak makroszkópos lehet, általában milliméteres szinten. Ráadásul a nem pásztázó irányban (X irányban) csak az elsőrendű dőlés szerint dolgozható fel, és a nemlineáris görbületek (például a lencse térgörbülete és a szilíciumlapka vetemedése) nem kompenzálhatók, amint az a 7.21. .
Dinamikus módban egyes litográfiai gépek a nem teljes expozíciós területek (lövések) vagy a szilíciumlapka szélén lévő forgácsterületek (maximum
sok forgácsterületet, úgynevezett die) tartalmazhat, és használja a körülötte lévő expozíciós vagy chip-terület szintezési adatokat epitaxiához, hogy elkerülje a túlzott magassági eltérés és a szilíciumlapka szélén lévő hiányos filmréteg által okozott mérési hibákat. Az ASML litográfiai gépekben ezt a funkciót "Circuit Dependent Focus Edge Clearance"-nek (CDFEC) hívják.
Számos fő tényező befolyásolja a fókusz mélységét: a rendszer numerikus apertúrája, megvilágítási állapot, a minta vonalszélessége, a minta sűrűsége, a fotoreziszt sütési hőmérséklete stb. A 7.22. ábrán látható, a hullámoptika szerint , a legjobb gyújtótávolságnál a fókuszhoz konvergált összes fénysugárnak ugyanaz a fázisa;
A defókuszált helyzetben azonban a lencse szélén áthaladó fénysugarak és a lencse közepén áthaladó fénysugarak eltérő optikai utakon haladnak, és ezek különbsége (FF′- OF′). A numerikus rekesznyílás növelésével az optikai útkülönbség is növekszik, és a defókuszpontban a tényleges fókuszfény intenzitása vagy a fókuszmélység csökken. Párhuzamos fényviszonyok mellett a fókuszmélységet (Rayleigh) általában a következő képlet adja meg:
Ahol θ a lencse maximális nyitási szöge, amely megfelel az NA numerikus rekesznek. Ha az NA viszonylag kicsi, akkor megközelítőleg így írható
Látható, hogy amikor az NA nagyobb, akkor a fókuszmélység kisebb, és a fókuszmélység fordítottan arányos a numerikus rekesznyílás négyzetével.
Nemcsak a numerikus rekesznyílás befolyásolja a fókusz mélységét, hanem a fényviszonyok is. Például sűrű grafika esetén, és a térbeli periódus kisebb, mint λ /NA, a tengelyen kívüli megvilágítás növeli a fókusz mélységét. Ezt a részt újra tárgyaljuk a 7. szakasz 7.1. szakaszában a tengelyen kívüli megvilágítással. Ezenkívül a grafika vonalszélessége is befolyásolja a fókusz mélységét. Például a kis grafikák fókuszmélysége általában kisebb, mint a durva grafikáké. Ennek az az oka, hogy a kis grafikák diffrakciós hullámszöge viszonylag nagy, és a fókuszsíkban való konvergenciájuk közötti szög viszonylag nagy. Mint fentebb említettük, a fókusz mélysége kisebb lesz. Ezenkívül a fotoreziszt sütési hőmérséklete bizonyos mértékig befolyásolja a fókusz mélységét. A magasabb expozíció utáni sütés (PEB) a térbeli kép kontrasztjának átlagát eredményezi függőleges irányban (Z) a fotoreziszt vastagságán belül, ami megnöveli a fókuszmélységet. Ez azonban a maximális képkontraszt csökkentése rovására megy.
Maszk hibatényező
A maszkhiba-tényező (MEF) vagy a maszkhiba-javítási tényező (MEEF) a szilícium lapkán látható vonalszélesség részleges deriváltja a maszk vonalszélességéhez képest. A maszk hibatényezőjét főként az optikai rendszer diffrakciója okozza, és nagyobb lesz a fotoreziszt térbeli képhez való korlátozott hűsége miatt. A maszk hibatényezőjét befolyásoló tényezők közé tartozik a fényviszonyok, a fotoreziszt tulajdonságok, a litográfiai gép lencséinek aberrációi, az utósütés (PEB) hőmérséklet stb. Az elmúlt évtizedben a szakirodalomban számos jelentés jelent meg a maszkhibatényezők kutatásáról. Ezekből a vizsgálatokból látható, hogy minél kisebb a térbeli periódus, vagy minél kisebb a kép kontrasztja, annál nagyobb a maszk hibatényezője. Az expozíciós hullámhossznál jóval nagyobb, vagy az úgynevezett lineáris tartományba eső minták esetében a maszk hibatényezője általában nagyon közel van 1-hez. A hullámhosszhoz közeli vagy annál kisebb minták esetében a maszk hibatényezője jelentősen megnő. . A következő speciális esetek kivételével azonban a maszk hibatényezője általában nem kisebb 1-nél:
(1) A váltakozó fáziseltolásos maszkot használó vonalas litográfia 1-nél lényegesen kisebb maszkhibatényezőt eredményezhet. Ennek az az oka, hogy a térbeli képmezőeloszlásban a minimális fényintenzitást főként a szomszédos fáziszóna által generált 180 fokos fázismutáció okozza. . A maszkon lévő fémvonal szélességének megváltoztatása a fázismutációnál csekély hatással van a vonal szélességére.
(2) A maszk hibatényezője lényegesen kisebb lesz, mint 1 a kis kompenzációs struktúra közelében az optikai közelséghatás korrekciójában. Ennek az az oka, hogy a diffrakció miatt korlátozott felbontású képalkotó rendszer nem tudja érzékenyen azonosítani a fő mintázat kis változásait.
Általában a térben kiterjesztett minták, például vonalak vagy barázdák és érintkezési lyukak esetében a maszk hibatényezője egyenlő vagy nagyobb, mint 1. Mivel a maszk hibatényezője a vonalszélességgel és a maszk költségével való kapcsolatában rejlik, nagyon nagy fontos egy kis tartományra korlátozni. Például a rendkívül magas vonalszélesség-egyenletességi követelményeket támasztó kapuréteg esetében a maszk hibatényezőjét általában 1,5 alá kell szabályozni (90 nm-es és szélesebb folyamatok esetén).
Egészen a közelmúltig a maszk hibatényezőire vonatkozó adatok megszerzése numerikus szimulációt vagy kísérleti mérést igényelt. A numerikus szimulációnál bizonyos fokú pontosság eléréséhez a szimulációs paraméterek beállításában szerzett tapasztalatra kell hagyatkozni. Ha információra van szükség a maszk hibatényezőinek eloszlásáról a teljes litográfiai paramétertérben, akkor az ilyen módszerek alkalmazása sokáig tart. Valójában a sűrű vonalak vagy barázdák leképezésekor a maszk hibatényezője elméletileg analitikusan közelítő kifejezéssel rendelkezik. Azon speciális feltételek mellett, hogy a p térbeli periódus kisebb, mint λ /NA, és a vonal szélessége megegyezik a horony szélességével, gyűrű alakú megvilágítási körülmények között az analitikus kifejezés egyszerűsíthető és a következő formában írható fel: ,
A +, - a hornyokra, illetve a vonalakra vonatkozik. Közülük σ a parciális koherencia paraméter (0＜σ ＜1), az amplitúdó áteresztési tényezője a csillapított fáziseltoló maszkban (pl. 6%-os csillapítású maszk esetén 0.25) ), n a fotoreziszt törésmutatója (általában 1,7 és 1,8 között), a pedig az egyenértékű fotosav diffúziós hossza a küszöbmodell alatt (a különböző technológiai csomópontoktól függően, általában 5 és 1 0 nm között 32-16 45 nm-es csomópontoktól 70 nm-ig 0,18-0,25 μm-es csomópontok esetén).
Az alternating phase shifting mask (Alt-PSM) esetében a MEF-nek van egy egyszerűbb kifejezése, nevezetesen
Közülük a téridőszak 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.
Ha a (7-21) képletben szereplő fotosav diffúziós hossz kivételével minden paraméter ismert, a fotosav diffúziós hosszát a kísérleti adatok illesztésével kaphatjuk meg. Az eredmények azt mutatják, hogy 40 másodperces utósütés után egy bizonyos típusú 193 nm-es fotoreziszt fotosav diffúziós hossza 27 nm; 60 másodperces utósütés után a diffúziós hossz 33 nm lesz. Az adatok pontossága miatt pedig a fotosav diffúziós hosszának mérési pontossága ±2nm. Ez egy nagyságrenddel nagyobb, mint a korábbi mérési módszerek pontossága, amint azt a 7.24. ábra mutatja. A maszk hibatényezője felhasználható a maszk vonalszélességének vonalszélesség egységességre vonatkozó követelményeinek kiszámítására, valamint a kétdimenziós grafika térközi szabályainak beállítására az optikai közelséghatás korrekciójában. A 7.25. ábrán látható, rövidített vonalvégekkel rendelkező kétdimenziós grafikához egy egyszerű pontszórási függvény kiszámításával és a fotosavdiffúzió bizonyos fokú közelítésével a vonalvégi optikai közelségi hatás közel analitikus képlete adható meg. kapott, azaz
Ahol a PSF a pontszórás függvény, a "D" alsó index a fotosav diffúzióját, a a fotosav diffúziós hosszát, n=1, 2 a koherens és inkoherens megvilágítási viszonyoknak felel meg, és
Vonalszélesség egységessége
A vonalszélesség egyenletessége a félvezető eljárásokban általában a következő részekre oszlik: chip terület, lövés terület, ostya terület, tétel terület és tétel-tétel terület. A vonalszélesség egyenletességét befolyásoló tényezőket és a hatástartomány általános elemzését a 7.2. táblázat tartalmazza. A 7.2 táblázatból a következőket láthatjuk:
1) Általánosságban elmondható, hogy a litográfiai gépek és a folyamatablakok által okozott problémák széles körben jelentkeznek.
(2) A maszk gyártási hibáiból vagy az optikai közelségi hatásokból eredő problémák általában az expozíciós területre korlátozódnak.
(3) A bevonat vagy hordozó által okozott problémák általában a szilícium lapkára korlátozódnak.
A CMOS-eszközök általában a vonalszélesség körülbelül ±10%-át teszik ki a vonalszélesség egyenletességének. A kapuknál az általános szabályozási pontosság ±7%. Ennek az az oka, hogy a 0,18 μm-es csomópont alatti folyamatokban a litográfia után és a maratás előtt általában egy vonalszélességű "trim" maratási folyamat történik, ami tovább csökkenti a litográfia vonalszélességét az eszköz vonalszélességéhez, vagy közel az eszköz vonalszélességéhez, ami általában a litográfiai vonal szélességének 70%-a. Mivel a készülék vonalszélességének szabályozása ±10%, a litográfiai vonalszélesség ±7%.
A litográfiai vonalszélesség egyenletességének javítására számos módszer létezik, például a litográfiai gép megvilágítási eloszlásában az expozíciós energiaeloszlás kompenzálása a megvilágítási területen elért expozíciós egyenletesség mérési eredményei alapján. Ez a kompenzáció két szinten érhető el. Kompenzálható a gépi állandókban, ami minden fényviszonyokra vonatkozik, vagy az expozíciós alprogramban (egy bizonyos expozíciós programot követve). Ily módon szigorú egységességi követelmények mellett tud pontosan megcélozni egy bizonyos szintet. Az egyenetlen litográfiai vonalszélesség kiváltó okának elemzésével is javítható. Például tipikus probléma a szilícium lapka szubsztrátumon a folyamat szerkezete által okozott magasságkülönbség hatása a kapuvonal szélességének egyenletességére. Például a [6]-ban tárgyalt kapuréteg lokális vonalszélesség-egységessége (Local CD Variation, LCDV) romlik a hordozó magassági ingadozása miatt. Ezt az ingadozást a 7.28. ábra mutatja.
A magasságkülönbség okozta vonalszélesség-változásokat a 7.29. ábra és a 7.30. ábra mutatja. Látható, hogy a magasságkülönbség fokozatos csökkenésével a vonalszélesség fokozatosan csökken egy stabil értékre.
1. A vonalszélesség egyenletességének javítása a chip területen vagy a grafikus területen
Mivel ezt a tartományt számos tényező befolyásolja, csak néhány fő módszert tárgyalunk.
(1) Javítsa a folyamatablakot és optimalizálja a folyamatablakot.
Sűrű grafikák esetén a tengelyen kívüli megvilágítás használható a kontraszt és a fókuszmélység javítására, a fáziseltolásos maszkok pedig a kontraszt javítására;
Izolált grafikák esetén szubdiffrakciós szórási csíkok (SRAF) használhatók az elszigetelt grafikák fókuszmélységének javítására;
Félig izolált grafikák esetében, azaz a térbeli periódus kisebb, mint a minimális térbeli periódus kétszerese, és valamivel nagyobb, mint a minimális térbeli periódus, a folyamatablak itt szinte nehéz állapotba kerül, amelyet "tilos hangmagasságnak" is neveznek, amint az ábrán látható. a 7.31
Amint a 7.31. ábrán látható, a 310 nm-es minimális térbeli periódushoz képest a vonal szélessége 130 nm-ről körülbelül 90 nm-re csökken az 500 nm-es periódus közelében. Ez (itt nem látható) a kontraszt és a fókuszmélység jelentős csökkenésével is jár. A térbeli periódus tilalmát az okozza, hogy a logikai áramkörök litográfiájában be kell tartani a rögzített minimális vonalszélességet, ami súlyos kontraszthiányt eredményez a különböző térbeli periódusokban vagy szomszédos mintákban nem egyenlő távolságú képalkotásnál. Főleg az okozza, hogy a tengelyen kívüli világítás korlátozza a félsűrű grafikát. A tengelyen kívüli világítás általában csak a minimális tértartamra nyújt erős segítséget, de bizonyos negatív hatást gyakorol az úgynevezett "félsűrű" grafikára a minimális tértartamnál és a 2-szeresnél. Az úgynevezett tiltott időszakban a folyamatablak javítása érdekében a tengelyen kívüli megvilágítás tengelyen kívüli szögét megfelelően csökkenteni kell, hogy a vonalszélesség egyenletessége kiegyensúlyozott legyen.
(2) Javítsa az optikai közelséghatás-korrekció pontosságát és megbízhatóságát.
Az optikai közelséghatás korrekciójának alapfolyamata a következő: a modell felállításakor először tervezzen kalibrációs grafikát a tesztmaszkra a 7.32. ábrán látható módon. Ezután a szilícium lapka megvilágításával megkapjuk a fotoreziszt mintázatát a szilícium lapkán, majd a modellt kalibráljuk (meghatározzuk a modell releváns paramétereit), és egyúttal kiszámítjuk a korrekció mértékét. Ezután a tényleges grafikon és a kalibrációs gráf hasonlósága alapján a modellnek megfelelően korrigáljuk.
Az optikai közelségi hatás korrekciójának pontossága a következő tényezőktől függ: a szilícium lapka vonalszélességének mérési pontosságától, a modell illesztési pontosságától, valamint a modell áramkörmintázat-korrekciós algoritmusának racionalitásától és megbízhatóságától, mint például mintavételi (fragmentálási) módszer, mintavételi pont sűrűsége Select, helyes lépésméret stb. A fotoreziszt modellekhez általában léteznek egyszerű küszöbmodellek, beleértve a Gauss-diffúziót (küszöbmodell Gauss-diffúzióval) és a változó küszöbérték-ellenállási modelleket. Az előbbi feltételezi, hogy a fotoreziszt egy fénykapcsoló. Amikor a fény intenzitása elér egy bizonyos küszöböt, a fotoreziszt oldódási sebessége az előhívóban hirtelen megváltozik. Ez utóbbi az előbbi kísérleti adatoktól való eltéréséből adódik. Utóbbi úgy véli, hogy a fotoreziszt egy összetett rendszer, és reakcióküszöbe összefügg a maximális fényintenzitással és a maximális fényintenzitás gradiensével (ami a fényérzékeny ágens irányított diffúzióját okozza), és nemlineáris összefüggés is lehet. És ez utóbbi néhány maratási vonalszélesség-eltérést is leírhat sűrű és elszigetelt mintákon. Természetesen ez a fajta modell fizikailag nem tudja nagyon tisztán megjeleníteni a fizikai képet. Általánosságban elmondható, hogy a küszöbmodell plusz Gauss-diffúzió fizikai képe nagyon világos, és az emberek többet használják, különösen a folyamatfejlesztési és folyamatoptimalizálási munkák során. Az optikai közelségi hatás korrekciója szempontjából, mivel nagyon rövid idő alatt néhány nanométeres pontosságú modellt kell felépíteni, néhány további paraméter hozzáadása, amelyek fizikai jelentése egyértelműen nem magyarázható, elkerülhetetlen és egyben ideiglenes intézkedés is.
Természetesen, ahogy a fotolitográfiai folyamat folyamatosan fejlődik, a fotolitográfiás közelségi hatás korrekciós modellje tovább fog fejlődni, és a fizikai jelentésű paramétereket elnyeli. A modell pontosságának növelése érdekében a mérési pontok számának növelésével (például 3-5-szörösére) bővíthető a mérési grafika reprezentativitása, vagyis a kalibrációs (mérő) grafika javítása, amint az ábra mutatja. 7.32. Ugyanaz az áramköri tervezési grafika található a geometriai alakzatok összefüggéseiben és hasonlóságaiban. A modellillesztési folyamat során próbáljon meg fizikai paramétereket használni, és az illesztési hibákat visszajelezze a litográfiai mérnöknek elemzés céljából, az esetleges hibák kiküszöbölése érdekében. Az optikai közelséghatás korrekciójával egy másik fejezetben részletesen foglalkozunk.
(3) Optimalizálja a tükröződésgátló réteg vastagságát.
A fotoreziszt és a hordozó közötti törésmutató (n és k értékek) különbsége miatt a megvilágító fény egy része visszaverődik a fotoreziszt és a hordozó közötti felületről, interferenciát okozva a beeső képalkotó fénnyel. Ha ez az interferencia komoly, akár állóhullám hatást is kiválthat, amint az a 7.33 (c) ábrán látható. A 7.33 (c) ábra az i-line 365 nm-es vagy 248 nm-es fotoreziszt keresztmetszetét mutatja. Mivel az állóhullám csúcsai közötti távolság fél hullámhossz, és a fotoreziszt n törésmutatója általában 1,6 és 1,7 között van, a csúcsok számától függően (~10), ebből következtethetünk. hogy a fotoreziszt vastagsága körülbelül 0,7–1,2 μm. A 193 nm-es fotoreziszt vastagsága általában kevesebb, mint 300 nm. A fotoreziszt alján visszavert fény kiküszöbölésére általában egy alsó tükröződésgátló bevonatot (BARC) használnak, amint az a 7.34 (a) ábrán látható. A 7.34 (a) ábrán az alsó tükröződésgátló réteg hozzáadása után egy interfész kerül hozzáadásra. A visszaverődő fény fázisa a tükröződésgátló réteg és a hordozó között beállítható a tükröződésgátló réteg vastagságának beállításával, hogy kiegyenlítse a visszavert fényt a fotoreziszt és a tükröződésgátló réteg között, ezáltal kiküszöbölve a visszavert fényt a fotoreziszt alja. A tükröződésgátló réteg esetében, ha szigorú antireflexiót kell elérni körülbelül 1/4 hullámhossznál, akkor a tükröződésgátló réteg n törésmutatóját pontosan be kell állítani úgy, hogy az n között legyen.Szubsztrátés nFotoreziszta szubsztrátumról, azaz
(4) Optimalizálja a fotoreziszt vastagságát és lengési görbéjét
Még az alsó tükröződésgátló réteg esetén is visszaverődik bizonyos mennyiségű maradék fény a fotoreziszt aljáról. A fénynek ez a része zavarja a fotoreziszt tetejéről visszavert fényt, amint az a 7.35 (a) és a 7.35 (b) ábrán látható. A fotoreziszt vastagságának változásával a "visszavert fény 0" és a "visszavert fény 1" fázisa periodikusan változik, ami interferenciát okoz. Az energia interferencia általi újraelosztása a fotorezisztbe belépő energia periodikus változását okozza a fotoreziszt vastagságának változásával, így a vonal szélessége periodikusan változik a fotoreziszt vastagságának változásával, amint az a 7.35 (b) ábrán látható. Általában többféle módon lehet megoldani a fotoreziszt vastagságtól ingadozó vonalszélesség problémáját:
Optimalizálja a tükröződésgátló réteg vastagságát és törésmutatóját (válasszon megfelelő tükröződésgátló réteget)
Válasszon ki két tükröződésgátló réteget (általában az egyik szervetlen tükröződésgátló réteg, például szilícium-oxinitrid SiON)
Tegyen fel egy felső tükröződésgátló bevonatot (Top ARC, TARC), hogy eltávolítsa a visszavert fényt a fotoreziszt tetejéről
A tükröződésgátló réteg hozzáadása azonban bonyolultabbá és költségesebbé teszi a folyamatot. Amikor a folyamatablak még elfogadható, általában a legkisebb vonalszélességű vastagságot választják. Ennek az az oka, hogy amikor a fotoreziszt vastagsága eltolódik, a vonal szélessége nagyobb lesz, nem pedig kisebb, így a folyamatablak élesen kisebb lesz.
2. Egyéb módszerek a vonalszélesség egyenletességének javítására
A litográfiai gép résmegvilágításának, aberrációnak, gyújtótávolság- és szintszabályozásnak, platformszinkronizálási pontosságának és hőmérsékletszabályozási pontosságának javítása; javítja a maszk vonalszélességének egyenletességét; javítja a szubsztrátot és csökkenti a hordozó litográfiára gyakorolt hatását (beleértve a fókuszmélység növelését és a tükröződésmentes réteg javítását). Közülük a 4.2. szakasz megemlítette, hogy a tervezési minta egységességének növelése elősegíti a szintezés pontosságának javítását és ténylegesen a fókuszmélység növelését. A minta élegyenetlenségét általában a következő tényezők okozzák:
(1) A fotoreziszt eredendő érdessége: Összefügg a fotoreziszt molekulatömegével, a molekulatömeg méreteloszlásával és a fotosavgenerátor (PAG) koncentrációjával.
(2) A fotoreziszt kifejlődési kioldódási sebességének kontrasztja a fényintenzitás növekedésével: Minél meredekebb az oldódási sebesség változása a küszöbenergia közelében lévő fényintenzitás mellett, annál kisebb a részleges kifejlődés okozta érdesség.
(3) Fotoreziszt érzékenység: Minél kevésbé támaszkodik a fotoreziszt az expozíció utáni sütésre (PEB), annál nagyobb a vonalszélesség egyenetlensége. Az expozíció utáni sütés eltávolíthat néhány egyenetlenséget.
(4) A fotolitográfiai kép kontrasztja vagy energiamargója: Minél nagyobb a kontraszt, annál szűkebb a terület, ahol a minta éle kialakul, és annál kisebb az érdesség. Ezt általában a vonalszélesség egyenetlensége és a képnapló meredeksége (ILS) közötti összefüggés fejezi ki.
A kémiailag amplifikált fotorezisztek esetében a fotokémiai reakció által generált minden fotosavmolekula védőcsoport-eltávolítási katalitikus reakción megy keresztül a diffúziós hossztartományon belül, ahol a keletkezési pont a kör középpontja, a sugár pedig a sugár. Általánosságban elmondható, hogy a 193 nm-es fotoreziszteknél a diffúziós hossz 5-30 nm. Minél hosszabb a diffúziós hossz, annál jobb a minta érdessége, ha a kép kontrasztja változatlan marad. A felbontási határ közelében, például a 45 nm-es felezési távolság közelében azonban a diffúziós hossz növekedése a térbeli képkontraszt csökkenéséhez, a térbeli képkontraszt csökkenése pedig a minta érdességének növekedéséhez vezet.
A fotoreziszt oldódási sebessége általában nagyon alacsony szintről nagyon magas szintre változik lépésszerűen a fényintenzitás változásával. Ha ez a lépésszerű változás meredekebb, akkor az úgynevezett "részfejlődési" terület, vagyis a lépésváltás közepén lévő átmeneti terület csökken, ezáltal csökken a minta érdessége. Természetesen a túl nagy oldódási kontraszt a fókusz mélységét is befolyásolja. Egyes 248 nm-es és 365 nm-es fotoreziszteknél a valamivel kisebb kifejlődési kontraszt bizonyos mértékig megnövelheti a fókuszmélységet, amint azt a 7.36. ábra mutatja.
Minél nagyobb a fotoreziszt érzékenysége, annál rövidebb a fotosav diffúziós hossza (annál nagyobb a légifelvétel hűsége és annál nagyobb a felbontás), mivel az ilyen fotorezisztek általában kevésbé függenek az expozíció utáni sütéstől, ami bizonyos fokig vezethet. minta érdessége. Azonban, ha a fotosavgenerátor koncentrációját egyidejűleg növeljük, ez a helyzet javítható. A fotoreziszt kép kontrasztjának javítása csökkentheti a minta érdességét, amint az a 7.37. ábrán látható.
Az érintkező furatok és átmenők kereksége hasonló a minta érdességéhez. Összefügg a fotosav diffúziójával, a fotosav koncentrációjával, a térbeli képkontraszttal és a fotoreziszt fejlődés kontrasztjával is. Ezeket itt nem egyenként tárgyaljuk.
Fotoreziszt morfológia
A fotoreziszt morfológiájában előforduló rendellenességek közé tartozik az oldalfal dőlésszöge, az állóhullám, a vastagságveszteség, az alsó lábazat, az alsó bemetszés, a T-felső, a felső lekerekítés, a vonalszélesség egyenetlensége, a képarány/mintázat dömping, az alsó maradvány stb. Ezeket egyenként tárgyaljuk. , amint azt a 7.38. ábra mutatja.
Oldalfal szöge: Ennek általában az az oka, hogy a fotoreziszt alján belépő fény gyengébb, mint a felső fény (a fotoreziszt általi fényelnyelés miatt). A megoldás általában az, hogy csökkentjük a fotoreziszt fényelnyelését, miközben növeljük a fotoreziszt fényérzékenységét. Ezt a fényérzékeny komponensek hozzáadásával és a fotosavak katalitikus hatásának növelésével érhetjük el a védőcsoport-eltávolítási reakcióban (diffúziós-katalízis reakció). Az oldalfal szöge bizonyos hatással lesz a maratásra, és súlyos esetekben az oldalfal szöge átkerül a maratott hordozóanyagra.
Állóhullám: Az állóhullám hatás hatékonyan megoldható egy tükröződésgátló réteg hozzáadásával és a fényérzékenyítő diffúziójának megfelelő növelésével (például az utósütés hőmérsékletének vagy idejének növelésével a fotosavak diffúziójának növelése érdekében).
Vastagságvesztés: Mivel a fotoreziszt teteje kapja a legerősebb fényt, a teteje pedig a legtöbb előhívónak van kitéve, a fotoreziszt vastagsága bizonyos mértékig elveszik az előhívás befejezése után.
Lábozás: Az alsó lábazatot általában a fotoreziszt és a hordozó (például az alsó tükröződésgátló réteg) közötti sav-bázis egyensúlyhiány okozza. Ha a szubsztrát viszonylag lúgos vagy hidrofil, a fotosav semlegesíti vagy felszívódik a szubsztrátumban, ami a fotoreziszt alján zajló védőcsoport eltávolítási reakciót veszélyezteti. Ennek a problémának a megoldása általában a hordozó savasságának növelése, a fotoreziszt és a tükröződésgátló réteg expozíció előtti sütési hőmérsékletének növelése, hogy korlátozzuk a fotosav diffúzióját a fotorezisztben és a hordozóban. A diffúzió korlátozása azonban más tulajdonságokat is befolyásol, például a minta érdességét, a fókusz mélységét stb.
Undercut: Az alsó alappal ellentétben az alámetszés a fotoreziszt alsó részének magasabb savtartalmának köszönhető, és a védőréteg eltávolítási reakció az alján magasabb, mint más helyeken. A megoldás pont az ellenkezője a fentieknek.
T-feltöltés: A T-feltöltést a gyári levegőben lévő lúgos (bázis) komponensek okozzák, mint például az ammónia, ammónia (ammónia) és amin szerves vegyületek (amin), amelyek behatolnak a fotoreziszt tetejébe és semlegesítik. része a fotosavnak, ami nagyobb helyi vonalszélességet eredményez a tetején, és súlyos esetekben vonaltapadást okoz. A megoldás az, hogy szigorúan ellenőrizzük a fotolitográfiás területen a levegő lúgtartalmát, általában kevesebb, mint 20 ppb (parts per milliárd), és megpróbáljuk lerövidíteni az expozíció és az expozíció utáni késleltetés közötti időt.
Felső lekerekítés: Általában a fotoreziszt tetején besugárzott fényintenzitás viszonylag nagy. Ha a fotoreziszt kifejlődési kontrasztja nem túl magas, a megnövekedett fénynek ez a része megnövekedett oldódási sebességhez vezet, így a teteje kerekedik.
Vonalszélesség érdesség: A vonalszélesség érdességéről korábban már volt szó.
A méretarány/minta összeomlása: A méretarányt azért tárgyaljuk, mert a fejlesztési folyamat során az előhívó, az ioncserélt víz stb. felületi feszültség által létrehozott oldalfeszültséget hoz létre a fotoreziszt mintában az előhívás után, ahogy az a 7.39. ábrán látható. Sűrű minták esetén, mivel a feszültség mindkét oldalon nagyjából azonos, a probléma nem túl nagy. A sűrű minta szélén lévő minta esetében azonban, ha a képarány nagy, az egyoldalú feszültségnek van kitéve. A fejlesztési folyamat során a nagy sebességű forgás zavarával párosulva a minta összeomolhat. A kísérletek azt mutatják, hogy a 3:1 feletti magasság-szélesség arány általában veszélyesebb.
Habarás: A habzás oka általában az, hogy az alsó fotoreziszt nem nyel el elegendő fényt, ami részleges fejlődést eredményez. A fotoreziszt felbontásának javítása érdekében a fotosav diffúziós hosszát minimalizálni kell, és csökkenteni kell a fotosav diffúziója okozta térbeli fejlődési egyenletességet. Ily módon nő a tér érdessége. Az alsó szennyeződés általában csökkenthető a fényviszonyok optimalizálásával, a maszk vonalszélességének torzításával, valamint a sütési hőmérséklettel és idővel a térbeli kép kontrasztjának javítása és az egységnyi területre jutó expozíció növelése érdekében.
Igazítás és átfedés pontossága
Az igazítás a rétegek közötti regisztrációra utal. Általánosságban elmondható, hogy a rétegek közötti átfedési pontosságnak a szilícium lapka kritikus méretének (minimális méretének) 25-30%-ának kell lennie. Itt a következő szempontokat tárgyaljuk: átfedési folyamat, átfedési paraméterek és egyenletek, átfedési jelek, az átfedéssel kapcsolatos berendezések és technikai kérdések, valamint az átfedés pontosságát befolyásoló folyamatok.
Az átfedési folyamat fel van osztva az első réteg (vagy elülső réteg) igazítási jel előállítására, igazításra, igazítási megoldásra, fotolitográfiás gépi kompenzációra, expozícióra, átfedési pontosságmérésre az expozíció után, és az igazítási kompenzáció következő körének kiszámítására, amint az a 7.40. ábrán látható. . Az átfedés célja, hogy maximalizálja a szilíciumlemezen lévő koordináták és a szilíciumlapka platform közötti átfedést (vagyis a fotolitográfiai gép koordinátáit). A lineáris részhez négy paraméter van: fordítás (Tx, Ty), a függőleges tengely (Z), az elforgatás (R) és a nagyítás (M) körül. A szilícium lapka koordinátarendszere között a következő összefüggés állapítható meg (Xw, Yw) és a fotolitográfiai gép koordinátarendszere (XM, YM):
XM=TX+M[XW cos(R)-YW sin (R)]
