Introduksjon til fotolitografiteknologi
Utviklingshistorie for fotolitografiteknologi
Siden Jack S. Kilby oppfant verdens første integrerte krets 12. september 1958, har integrerte kretser opplevd en rivende utvikling i mer enn 50 år. Minste linjebredde er nå mellom 20 og 30nm. tid, går inn i det dype submikronområdet. Fotolitografiteknologi, en av nøkkelteknologiene, har også utviklet seg fra den første bruken av forstørrelseslinser som ligner de i fotografisk utstyr til dagens fordypningstype 1,35 høy numerisk blenderåpning, som har muligheten til å automatisk kontrollere og justere bildekvaliteten, med en diameter på mer enn en halv meter og en vekt på et halvt tonn. gigantisk objektivsett. Funksjonen til fotolitografi er å skrive ut halvlederkretsmønstre på silisiumskiver lag for lag. Ideen kommer fra den mangeårige utskriftsteknologien. Forskjellen er at utskrift registrerer informasjon ved å bruke blekk for å produsere endringer i lysreflektiviteten på papir. , mens fotolitografi bruker den fotokjemiske reaksjonen av lys og lysfølsomme stoffer for å oppnå endringer i kontrast.
Utskriftsteknologi dukket først opp i slutten av Han-dynastiet i Kina. Mer enn 800 år senere gjorde Bi Sheng fra Song-dynastiet revolusjonerende forbedringer og forvandlet fast blokkutskrift til trykk med bevegelig type, som deretter utviklet seg raskt. I dag har laserfotosettingteknologi blitt utviklet. «Photolithography» i dagens forstand begynte med forsøkene til Alois Senefedler i 1798. Da han prøvde å publisere boken sin i München, Tyskland, oppdaget han at hvis han brukte oljeblyant til å tegne illustrasjoner på porøs kalkstein og fuktet de ubetegnede områdene med vann , blekket ville bare være Lim der du tegnet med blyant. Denne teknikken kalles litografi, eller tegning på stein. Litografi var forløperen til moderne multiregistrering.
Grunnleggende metoder for fotolitografi
Selv om det er noen likheter, bruker fotolitografi i integrerte kretser lys i stedet for blekk, og områdene med blekk og uten blekk blir områdene med lys og uten lys på masken. I den integrerte kretsproduksjonsindustrien kalles litografi derfor også fotolitografi, eller litografi. Akkurat som oljebasert blekk selektivt avsettes på kalkstein, kan lys bare passere gjennom de gjennomsiktige områdene på masken, og det projiserte lyset registreres på et lysfølsomt materiale kalt fotoresist. Et enkelt skjematisk diagram av fotolitografiprosessen er vist i figur 7.1.
Fordi fotoresisten gjennomgår en endring i oppløsningshastighet i fremkalleren etter eksponering for ultrafiolett (UV) lys, overføres mønsteret på masken til fotoresistlaget på toppen av silisiumplaten. Områdene som dekkes av fotoresisten kan oppnå ytterligere overføring av maskemønsteret ved å forhindre videre prosessering (som etsing eller ioneimplantasjon).
Siden 1960 kan fotolitografiteknologi deles inn i følgende tre typer: kontakteksponering, nærhetseksponering og projeksjonseksponering. Den tidligste var kontakt- eller nærhetseksponering, som var hovedstrømmen i produksjonen frem til midten av-20tallet. For kontakteksponering, siden det teoretisk ikke er noe gap mellom masken og toppen av silisiumplaten, er ikke oppløsning et problem. Men siden kontakt vil forårsake defekter på grunn av slitasje på masken og fotoresisten, valgte folk til slutt eksponering i nærheten. Selv om defekter unngås, er selvfølgelig oppløsningen av nærhetseksponering begrenset til 3μm eller større på grunn av tilstedeværelsen av hull og lysspredning. Den teoretiske grensen for oppløsning av nærhetseksponering er
Blant dem,
k representerer parametrene til fotoresisten, vanligvis mellom 1 og 2;
CD representerer minimumsstørrelsen, det vil si den kritiske dimensjonen, som vanligvis tilsvarer den minste oppløselige romlige periodelinjebredden;
λ refererer til eksponeringsbølgelengden;
g representerer avstanden fra masken til gapet på fotoresistoverflaten (g=0 tilsvarer kontakteksponering)
Siden g vanligvis er større enn 10μm (begrenset av flatheten til masken og silisiumplaten), er oppløsningen sterkt begrenset, for eksempel 3μm for en belysningsbølgelengde på 450 nm. Kontakteksponering kan nå 0,7μm.
For å overvinne de doble vanskelighetene med defekter og oppløsning, ble et projeksjonseksponeringsskjema foreslått, der masken og silisiumplaten er adskilt med mer enn flere centimeter. Optiske linser brukes til å avbilde mønsterlinsen på masken på silisiumplaten. Ettersom markedet krever større brikkestørrelser og strengere kontroll over linjebreddens enhetlighet, har projeksjonseksponeringen også gradvis utviklet seg fra den opprinnelige
full silisium wafer eksponering for full silisium wafer skanningseksponering (se figur 7.2 (a))
trinn-og-gjenta eksponering (se figur 7.2 (b))
trinn-og-skann eksponering (se figur 7.2 (c))
Hele silisiumwafer 1:1 eksponeringsmetoden har en enkel struktur og krever ikke høy monokromaticitet av lys. Men ettersom brikkestørrelsen og størrelsen på silisiumplaten blir større og større, og linjebredden blir finere og finere, kan det optiske systemet ikke projisere mønsteret på hele silisiumplaten på en gang uten å påvirke bildekvaliteten, og blokkeksponering blir uunngåelig. .
En av blokkeksponeringsmetodene er skannemetoden for hele silisiumskiver, som vist i figur 7.2 (a). Denne metoden skanner kontinuerlig og eksponerer mønsteret på masken for silisiumplaten gjennom et bueformet synsfelt. Systemet bruker to sfæriske speil med samme optiske akse, og deres krumningsradius og installasjonsavstand bestemmes av kravet om ingen aberrasjon.
Etter hvert som brikkestørrelsen og størrelsen på silisiumplaten blir større og større, og linjebredden blir finere og finere, gjør 1x eksponering det stadig vanskeligere å lage masken med høy mønsterproduksjonsnøyaktighet og plasseringsnøyaktighet.
På slutten av 1970-tallet kom derfor en maskin med redusert forstørrelse og blokkeksponering. Brikkemønsteret eksponeres for silisiumplaten én etter én, som vist i figur 7.2 (b). Derfor kalles dette eksponeringssystemet med redusert forstørrelse et step-and-repeat-system eller stepper.
Men ettersom brikkestørrelsen og størrelsen på silisiumplaten blir større og linjebreddekontrollen blir strengere, kan ikke selv de tekniske egenskapene til stepperen møte behovene. Å løse motsetningen mellom denne etterspørselen og dagens teknologi førte direkte til fødselen av trinn-og-skann-eksponeringsmaskinen, som vist i figur 7.2 (c). Denne enheten er en hybrid som kombinerer fordelene med den tidlige skanningsmaskinen med full wafer og den senere trinn-og-gjenta eksponeringsmaskinen: masken skannes og projiseres i stedet for projisert på en gang, og hele silisiumplaten eksponeres også i blokker. Denne enheten overfører de optiske vanskelighetene til høy mekanisk posisjonering og kontroll. Denne enheten har blitt brukt av industrien til i dag, spesielt i produksjonen av halvlederbrikker ved 65nm og under teknologinoder.
De viktigste produsentene av litografimaskiner i verden er ASML i Nederland, Nikon og Canon i Japan, og andre produsenter av litografimaskiner som ikke er i full størrelse, for eksempel Ultrastepper.
Produksjonen av innenlandske avanserte skanningslitografimaskiner startet sent. Etter 2002 ble den hovedsakelig utviklet av Shanghai Microelectronics Equipment Co., Ltd. (SMEE). Innenlandske litografimaskiner har utviklet seg fra å reparere brukte litografimaskiner til å selvstendig utvikle og produsere litografimaskiner. Den mest avanserte litografimaskinen som for tiden er under utvikling er 193nm SSA600/20 (se figur 7.3). Selv om det fortsatt er et stort gap med verdens avanserte nivå, skal det sies at det er gjort gledelige fremskritt. Dens numeriske blenderåpning er 0,75, standard eksponeringsfelt er 26×33 mm, oppløsningen er 90 nm, overleggsnøyaktigheten er 20 nm, og 300 mm produksjonskapasitet er 80 stykker per time.
Andre bildeoverføringsmetoder
Det er velkjent at en retning for fortsatt utvikling av fotolitografi er å redusere bølgelengden. Imidlertid har denne innsatsen blitt hemmet av faktorer som utviklingen av egnede 157nm fotoresister, maskebeskyttende filmer (pellikler) og produksjonsvolumet av linsematerialer som kalsiumfluorid (
). Imidlertid har folk de siste 20 årene investert mye forskning i fotolitografi med ekstrem ultrafiolett (EUV) bølgelengde. Denne teknologien bruker 13,5 nm ekstremt ultrafiolett lys som sendes ut av xenon eller tinnplasma generert av sterke lasere eller høyspenningsutladninger. Selv om den høye oppløsningen brakt av EUV-teknologi er veldig attraktiv, har denne teknologien også mange tekniske vanskeligheter, slik som at speilet lett blir forurenset av sprutmaterialet som genereres av pulsen, det ekstreme ultrafiolette lyset absorberes lett (krever at systemet har ekstremt høyt vakuum og minimum antall reflekterende linser), de strenge kravene til masken (ingen defekter og høy reflektivitet), fakkelen forårsaket av den korte bølgelengden, reaksjonshastigheten til fotoresisten og oppløsningen, etc.
I tillegg til å bruke tradisjonelt lys for å overføre maskemønsteret, leter folk også etter andre mikrolitografimetoder, som røntgen, nanoimprint, multi-elektronstråle direkteskriving, elektronstråle, ionestråleprojeksjon, etc.
Systemparametere for fotolitografi
Bølgelengde, numerisk blenderåpning, bilderom middels brytningsindeks
Det ble nevnt tidligere at oppløsningen av nærhetseksponering forringes raskt ettersom avstanden mellom masken og silisiumplaten øker. I projeksjonseksponeringsmetoden bestemmes den optiske oppløsningen av følgende formel, det vil si
Blant dem,
representerer en proporsjonal koeffisient som karakteriserer vanskeligheten ved fotolitografiprosessen. Generelt sett,
er mellom {{0}}.25 og 1.0. Dette er faktisk den berømte Rayleigh-formelen. I henhold til denne formelen bestemmes den optiske oppløsningen av bølgelengden λ, den numeriske blenderåpningen NA og den prosessrelaterte
. Hvis du trenger å skrive ut et mindre mønster, kan metoden som brukes være å redusere eksponeringsbølgelengden samtidig, øke den numeriske blenderåpningen, redusere
verdi, eller endre en av faktorene. I denne delen vil vi først introdusere de eksisterende resultatene for å forbedre oppløsningen ved å redusere bølgelengden og øke den numeriske blenderåpningen. Hvordan forbedre oppløsningen ved å redusere
faktor under premisset om fast bølgelengde og numerisk blenderåpning vil bli diskutert senere.
Selv om kort bølgelengde kan oppnå høy oppløsning, må flere andre viktige parametere knyttet til lyskilden også vurderes, slik som lysintensitet (lysstyrke), frekvensbåndbredde og koherens (koherens vil bli beskrevet i detalj senere). Etter omfattende screening ble høytrykkskvikksølvlampen valgt som en pålitelig lyskilde på grunn av lysstyrken og mange skarpe spektrallinjer. Ulike eksponeringsbølgelengder kan velges ved å bruke filtre med forskjellige bølgelengder. Evnen til å velge en enkelt bølgelengde av lys er avgjørende for fotolitografi, fordi en generell stepper vil produsere kromatisk aberrasjon for ikke-monokromatisk lys, noe som resulterer i en reduksjon i bildekvalitet. G-linjen, H-linjen og I-linjen som brukes i industrien, refererer til henholdsvis 436nm, 405nm og 365nm kvikksølvlampespektra som brukes av eksponeringsmaskinen (se figur 7.4).
Siden den optiske oppløsningen til I-line stepperen bare kan nå 0.25μm, har kravet om høyere oppløsning presset eksponeringsbølgelengden til en kortere bølgelengde, for eksempel Deep UltraViolet (DUV)-spekteret på {{3} }nm. Imidlertid er utvidelsen av høytrykks kvikksølvlamper i den dype ultrafiolette ikke ideell, ikke bare på grunn av utilstrekkelig intensitet, men også fordi strålingen i langbølgelengdebåndet vil produsere varme og deformasjon. Vanlige ultrafiolette lasere er heller ikke ideelle, for eksempel argonionlasere, fordi overdreven romlig koherens vil forårsake flekk og påvirke ensartetheten i belysningen. I motsetning til dette har excimer-lasere blitt valgt som ideelle lyskilder for dyp ultrafiolett på grunn av deres følgende fordeler.
(1) Deres høye utgangseffekt maksimerer produktiviteten til litografimaskinen;
(2) Deres romlige inkoherens, i motsetning til andre lasere, eliminerer flekker;
(3) Høy effekt gjør det enkelt å utvikle passende fotoresister;
(4) Optisk gjør evnen til å produsere dyp ultrafiolett utgang med en smal frekvens (så smal som noen få pm) det mulig å designe høykvalitets kvartslitografimaskinlinser.
Derfor har excimer-lasere blitt den vanlige lyskilden for belysning på produksjonslinjer for integrerte kretser på 0.5μm og lavere, og den tidligste rapporten ble publisert av Jain et al. Spesielt har de to excimer-laserne, kryptonfluorid (KrF) med en bølgelengde på 248nm og argonfluorid (ArF) med en bølgelengde på 193nm, vist utmerket ytelse når det gjelder eksponeringsenergi, båndbredde, stråleform, levetid og pålitelighet. Derfor er de mye brukt i avanserte step-and-scan litografimaskiner, som ASMLs dobbeltplattform Twinscan XT: 1000H (KrF), Twinscan XT: 1450G (ArF) og Nikons NSR-S210D (KrF), NSR{{11 }}F (ArF).
Selvfølgelig leter folk fortsatt etter lyskilder med kortere bølgelengde, for eksempel 157nm-laseren generert av fluormolekyler
På grunn av vanskeligheten med å utvikle egnede fotoresister, maskerer imidlertid beskyttende filmer (pellikler) og produksjonsvolumet av linsemateriale kalsiumfluorid (
), kan 157nm litografiteknologien bare utvide halvlederprosessen med én node, det vil si fra 65nm til 45nm; mens den forrige utviklingen av 193nm litografiteknologi utvidet produksjonsnoden fra 130nm til to noder: 90nm og 65nm, noe som resulterte i den endelige oppgivelsen av arbeidet med å kommersialisere masseproduksjon av 157nm litografiteknologi. Utviklingen av eksponeringsbølgelengde med prosessnoder er vist i figur 7.5.
I tillegg til å forkorte eksponeringsbølgelengden, er en annen måte å forbedre oppløsningen på å øke den numeriske blenderåpningen (NA) til projeksjons-/skanningsenheten.
Hvor n representerer brytningsindeksen i bilderommet, og θ representerer den maksimale halve vinkelen til objektivlinsen i bilderommet, som vist i figur 7.6.
Hvis mediet i bilderommet er luft eller vakuum, er brytningsindeksen nær 1.0 eller 1.0, og den numeriske blenderåpningen er sinθ. Jo større vinkel objektivlinsen har i bilderommet, desto større er oppløsningen til det optiske systemet. Selvfølgelig, hvis avstanden mellom linsen og silisiumplaten forblir uendret, jo større numerisk blenderåpning, desto større er diameteren på linsen. Jo større linsestørrelsen er, desto større er produksjonsvanskeligheten og desto mer kompleks er strukturen.
Vanligvis bestemmes den maksimalt oppnåelige numeriske blenderåpningen av produksjonsevnen og produksjonskostnadene til linseteknologien. For tiden er den typiske I-line skannelitografimaskinen (ASMLs Twinscan XT: 450G) utstyrt med en linse med en maksimal NA på 0.65, som kan skille tette linjer på 22{ {11}}nm og en romlig periode på 440nm. Den høyeste numeriske blenderåpningen til kryptonfluorid (KrF) bølgelengde er 0,93 (ASMLs Twinscan XT: 1000H), som kan skille tette linjer på 80nm (160nm romlig periode). Den mest avanserte ArF litografimaskinen har en numerisk blenderåpning på 0,93 (ASMLs Twinscan XT: 1450G), som kan skrive ut 65nm tette linjer (120nm romlig periode).
Som nevnt tidligere kan den numeriske blenderåpningen økes ikke bare ved å øke blenderåpningsvinkelen til linsen i bilderommet, men også ved å øke brytningsindeksen til bilderommet. Hvis vann i stedet for luft brukes til å fylle bilderommet, vil brytningsindeksen til bilderommet økes til 1,44 ved en bølgelengde på 193nm. Dette tilsvarer å øke 0.93 NA i luft til 1.34 NA på en gang. Oppløsningen er forbedret med 30 % til 40 %. Derfor begynte en ny æra med nedsenkingslitografi i 2001. De mest avanserte kommersielle maskinene for nedsenkingsskanning er ASMLs Twinscan NXT: 1950i og Nikons NSR-S610C, som vist i figur 7.7 (a) og 7.7 (b). Situasjonen for nedsenkingslitografi vil bli beskrevet i detalj senere.
Representasjon av fotolitografisk oppløsning
Det ble nevnt tidligere at fotolitografioppløsningen bestemmes av den numeriske blenderåpningen og bølgelengden til systemet, og selvfølgelig er det relatert til fotolitografioppløsningsforbedringsmetoden relatert til faktoren
. Denne delen introduserer hovedsakelig hvordan man bedømmer oppløsningen av fotolitografiprosessen. Vi vet at oppløsningen til det optiske systemet er gitt av det berømte Rayleigh-kriteriet. Når to punktlyskilder av samme størrelse er nær hverandre, er avstanden fra deres sentrum til sentrum lik avstanden fra maksimumsverdien til den første minimumsverdien av lysintensiteten til hver lyskilde avbildet av det optiske instrumentet, det optiske systemet kan ikke skille om det er to eller én lyskilde, som vist i figur 7.8. Men selv om den oppfyller Rayleigh-kriteriet, er lysintensiteten i området mellom de to punktlyskildene fortsatt lavere enn toppverdien, med en kontrast på ca. 20 %. For en linjelyskilde, når bredden på lyskilden er uendelig liten, for et optisk system med en numerisk blenderåpning på NA og en bølgelengde på belysningslyskilden på λ, er lysintensitetsfordelingen på bildeplanet
Det vil si at lysintensiteten når det første minimumspunktet i forhold til sentralposisjonen til bildet (2NA). I0 representerer lysintensiteten i midten av bildet. Det kan anses at minimumsavstanden som dette optiske systemet kan løse er λ/(2NA). For eksempel, når bølgelengden er 193nm og NA er 1,35 (nedsenking), er minimumsoppløsningsavstanden til det optiske systemet 71,5nm.
Selvfølgelig, for fotolitografiprosessen, betyr det at et mønster med en romlig periode på 71,5 nm kan skrives ut? Svaret er nei. Det er to grunner:
① En prosess krever en viss margin og prosessindikatorer for å bli masseprodusert;
② Den kommersielle produksjonsnøyaktigheten til alle maskiner og utstyr og omfattende maskinytelse, slik at maskinen kan skrive ut tette linjer ved oppløsningsgrensen og isolerte mønstre, og må også minimere innvirkningen av gjenværende aberrasjoner på prosessen.
For en 1,35 NA litografimaskin lover ASML at minste romlige periode for mønsteret som kan produseres er 76nm, det vil si 38nm tette linjer med lik avstand. I fotolitografiprosessen er grenseoppløsningen kun av referanseverdi. I faktisk arbeid snakker vi kun om hvor stort prosessvinduet er i en viss romlig periode og en viss linjebredde, og om det er tilstrekkelig for masseproduksjon. Parametrene som karakteriserer prosessvinduet vil bli diskutert i detalj i avsnitt 7.4. Her er en kort introduksjon. Vanligvis inkluderer parametrene som karakteriserer prosessvinduet eksponeringsenergibreddegrad (EL), fokusdybde eller fokusdybde (DOF), maskefeilfaktor (MEF), overleggsnøyaktighet, linjebreddeensartethet, etc.
Eksponeringsenergibreddegrad refererer til maksimalt tillatt avvik for eksponeringsenergi innenfor det tillatte området for linjebreddevariasjon. For eksempel, for en linje med en linjebredde på 90nm, endres linjebredden med energi med 3nm/mJ, og det tillatte området for linjebreddevariasjon er ±9nm, da er det tillatte området for eksponeringsenergivariasjon 9×2/{ {5}}mJ. Hvis eksponeringsenergien er 30mJ, er energibreddegraden 20% i forhold til eksponeringsenergien.
Fokusdybden er generelt relatert til ytelsen til fokuskontrollen til litografimaskinen. For eksempel er fokuskontrollnøyaktigheten til en 193nm litografimaskin, inkludert stabiliteten til maskinens fokalplan, feltkrumningen til linsen, astigmatisme, nivelleringsnøyaktighet og flatheten til silisiumwaferplattformen, 120nm. Da bør minimumsfokusdybden til en prosess som kan masseproduseres være over 120nm. Hvis påvirkningen fra andre prosesser, for eksempel kjemisk-mekanisk planarisering, legges til, må minimumsfokusdybden forbedres, for eksempel 200nm. Selvfølgelig, som vil bli diskutert senere, kan forbedringen av fokusdybden gå på bekostning av energimarginen.
Maskefeilfaktoren (MEF) er definert som forholdet mellom avviket til silisiumplatens linjebredde på grunn av linjebreddeavviket på masken og avviket på masken, som vist i formel (7-5).
Normalt er MEF nær eller lik 1.0. Men når den romlige perioden til mønsteret nærmer seg diffraksjonsgrensen, vil MEF øke raskt. For stor feilfaktor vil føre til at linjebredde-ensartetheten på silisiumplaten forringes. Eller, tilsvarende det gitte linjebredde-uniformitetskravet, er maskelinjebredde-uniformiteten for høy.
Overleggsnøyaktighet bestemmes vanligvis av trinn-, skannesynkroniseringsnøyaktighet, temperaturkontroll, linseaberrasjon og aberrasjonsstabilitet til den bevegelige plattformen på litografimaskinen. Overleggsnøyaktigheten avhenger selvfølgelig også av gjenkjennelses- og lesenøyaktigheten til overleggsmerket, prosessens innflytelse på overleggsmerket, deformasjonen av prosessen på silisiumplaten (som forskjellige oppvarmingsprosesser, utglødningsprosesser), etc. Moderne litografimaskinstepping kan kompensere for den jevne utvidelsen av silisiumplaten, og kan også kompensere for den uensartede forvrengningen av silisiumplaten, for eksempel "grid mapping"-programvaren GridMapper lansert av ASML. Det kan korrigere forvrengningen av det ikke-lineære silisiumwafer-eksponeringsnettet.
Linjebredde-uniformitet er delt inn i to kategorier: uniformitet innenfor eksponeringsområdet (intra-felt) og uniformitet mellom eksponeringsområder (inter-field).
Linjebreddeensartethet innenfor eksponeringsområdet bestemmes hovedsakelig av maskelinjebreddeensartethet (overført gjennom maskefeilfaktor), energistabilitet (under skanning), belysningsuniformitet innenfor skannespalten, fokus/utjevningsuniformitet for hvert punkt i eksponeringsområdet, linse aberrasjon (som koma, astigmatisme), feil ved skannesynkronisering (Moving Standard Deviation, MSD), etc.
Linjebreddeensartethet mellom eksponeringsområdene bestemmes hovedsakelig av belysningsenergistabilitet, jevnhet av silisiumwafersubstratets filmtykkelsefordeling på silisiumwaferoverflaten (hovedsakelig på grunn av ensartethet av limbelegg og ensartethet av filmtykkelse brakt av andre prosesser), flathet av silisiumwafer overflate, jevnhet av fremkallerrelatert baking, jevnhet av fremkallersprøyting, etc.
Fotolitografi prosessflyt
Den grunnleggende 8-trinns fotolitografiprosessflyten er vist i figur 7.9.
trinn01-HMDS overflatebehandling
trinn02-Liming
trinn03-Føreksponeringsbaking
trinn04-Justering og eksponering
trinn05-baking etter eksponering
trinn06-Utvikling
trinn07-baking etter utvikling
trinn08-Måling
1. Gass silisium wafer overflate forbehandling
Før fotolitografi vil silisiumplaten gjennomgå en våtrengjøring og avionisert vannskylling for å fjerne forurensninger. Etter rengjøring må overflaten av silisiumplaten hydrofobiseres for å forbedre adhesjonen mellom silisiumplatens overflate og fotoresisten (vanligvis hydrofob). Den hydrofobe behandlingen bruker et materiale kalt heksametyldisilazan, med en molekylformel på (CH3)3SiNHSi(CH3)3,dampen av heksametyldisilazan (HMDS) produseres. Denne gassforbehandlingen ligner på bruk av grunningsspray på tre og plast før maling. Rollen til heksametyldisilazan er å erstatte den hydrofile hydroksyl (OH) på overflaten av silisiumplaten med hydrofob hydroksyl (OH) gjennom kjemisk reaksjon.OSi(CH3)3.For å oppnå formålet med forbehandling
Temperaturen på gassforbehandlingen kontrolleres til 200-250 grad , og tiden er vanligvis 30 sekunder. Gassforbehandlingsanordningen er koblet til waferbanen for fotoresistbehandling, og dens grunnleggende struktur er vist i figur 7.10.
2. Spin-belagt fotoresist, anti-reflekterende lag
Etter gassforbehandling må fotoresist belegges på overflaten av silisiumplaten. Den mest brukte belegningsmetoden er spinnbelegningsmetoden. Fotoresisten (omtrent noen få milliliter) transporteres først til midten av silisiumplaten med en rørledning, og deretter vil silisiumplaten roteres og gradvis akselereres til den stabiliserer seg ved en viss hastighet (hastigheten bestemmer tykkelsen på limet, og tykkelsen er omvendt proporsjonal med kvadratroten av hastigheten). Når silisiumplaten stopper, er overflaten i utgangspunktet tørr og tykkelsen er stabil ved en forhåndsinnstilt størrelse. Ensartetheten til beleggtykkelsen bør være innenfor ±20Å ("Å, uttales "angstrøm", er en lengdeenhet i partikkelfysikk. 1Å er lik
m, som er en tiendedel av en nanometer) ved 45nm eller flere avanserte teknologinoder. Vanligvis er det tre hovedkomponenter av fotoresist, organisk harpiks, kjemisk løsningsmiddel og fotosensitiv forbindelse (PAC).
Detaljert fotoresist vil bli diskutert i kapittelet om fotoresist. Denne delen diskuterer bare grunnleggende væskedynamikk. Belegningsprosessen er delt inn i tre trinn:
① Transport av fotoresist;
② Akselerer rotasjonen av silisiumplaten til den endelige hastigheten;
③ Roter med konstant hastighet til tykkelsen stabiliserer seg på forhåndsinnstilt verdi;
Den endelige fotoresisttykkelsen er direkte relatert til fotoresistviskositeten og den endelige rotasjonshastigheten. Viskositeten til fotoresisten kan justeres ved å øke eller redusere det kjemiske løsningsmidlet. Væskemekanikk for spinnbelegg er nøye studert.
De høye kravene til ensartet fotoresisttykkelse kan oppnås ved å fullstendig kontrollere følgende parametere:
① Fotoresisttemperatur;
② omgivelsestemperatur;
③ Silisium wafer temperatur;
④ Eksosstrøm og trykk fra beleggmodulen;
Hvordan redusere beleggsrelaterte defekter er en annen utfordring. Praksis viser at bruken av følgende prosess kan redusere forekomsten av defekter betydelig.
(1) Selve fotoresisten må være ren og fri for partikler. Før belegg må det være En filtreringsprosess brukes, og porestørrelsen på filteret må oppfylle kravene til teknologinoden.
(2) Selve fotoresisten må ikke inneholde blandet luft, fordi bobler vil forårsake bildefeil. Bobler oppfører seg på samme måte som partikler.
(3) Utformingen av beleggskålen må strukturelt forhindre sprut av den utkastede fotoresisten.
(4) Pumpesystemet for levering av fotoresist skal være konstruert for å kunne suge tilbake etter hver levering av fotoresist. Funksjonen til tilbakesugingen er å suge overflødig fotoresist fra dysen tilbake inn i rørledningen for å unngå at overflødig fotoresist drypper på silisiumplaten eller overflødig fotoresist tørker opp og forårsaker granulære defekter ved neste levering. Tilbakesugingen bør være justerbar for å hindre at overflødig luft kommer inn i rørledningen.
(5) Waferkantavbinding (Edge Løsemidlet som brukes i Bead Removal (EBR)-prosessen må kontrolleres godt. Under spinnbeleggingsprosessen til silisiumwafere vil fotoresisten flyte til kanten av silisiumwaferen og fra kanten av silisiumplaten på baksiden av silisiumplaten på grunn av sentrifugalkraft En sirkel av perleformet fotoresistrester vil dannes ved kanten av silisiumplaten på grunn av dens overflatespenning, som vist i figur 7.11 Hvis den ikke fjernes, vil denne sirkelen av perle flasse av og danne partikler etter tørking, og falle på silisiumwaferen, silisiumwafer-transportverktøyet og silisiumwafer-behandlingsutstyret, og forårsake en økning i defektraten. fotoresistrestene på baksiden av silisiumwaferen vil feste seg til silisiumwaferplattformen (wafer chuck), noe som forårsaker dårlig adsorpsjon av silisiumwaferen, forårsaker eksponeringsdefokusering og økende overleggsfeil. Vanligvis er en kantfjerningsenhet installert i fotoresisten belegningsutstyr. Funksjonen med å fjerne fotoresisten i en viss avstand fra kanten av silisiumplaten oppnås ved å rotere silisiumplaten ved kanten av silisiumplaten (en dyse på toppen og en på bunnen, og posisjonen til dysen fra kanten på silisiumplaten er justerbar).
(6) Etter nøye beregning ble det funnet at ca. 90 % til 99 % av fotoresisten ble spunnet av silisiumplaten og ble bortkastet. Folk har forsøkt å forbehandle silisiumplaten før de spinner fotoresisten på silisiumplaten ved å bruke et kjemisk løsningsmiddel kalt propylenglykolmetyleteracetat (molekylformel CH₃COOCH(CH₃)CH₃OCH₃), PGMEA). Denne metoden kalles resist reduction coating (RRC). Men hvis denne metoden brukes feil, vil det oppstå defekter. Defekter kan være relatert til kjemisk påvirkning ved RRC-fotoresist-grensesnittet og kontaminering av RRC-løsningsmidlet med ammoniakk i luften.
(7) Oppretthold eksostrykket til fremkalleren eller fremkallermodulen for å forhindre at små dråper fremkaller spruter tilbake under utviklingsprosessen når silisiumplaten roteres.
Siden viskositeten til fotoresisten endres med temperaturen, kan forskjellige tykkelser oppnås ved å med vilje endre temperaturen på silisiumplaten eller fotoresisten. Hvis forskjellige temperaturer er innstilt i forskjellige områder av silisiumplaten, kan forskjellige fotoresisttykkelser oppnås på en silisiumplate. Den optimale fotoresisttykkelsen kan bestemmes av loven om linjebredde og fotoresisttykkelse (svingkurve) for å spare silisiumskiver, maskintid og materialer. Diskusjonen om svingkurver vil bli diskutert i påfølgende kapitler. Metoden og prinsippet for spinnbelegg av anti-reflekterende lag er de samme.
3. Pre-eksponering baking
Etter at fotoresisten er spinnbelagt på overflaten av silisiumplaten, må den bakes. Hensikten med baking er å drive bort nesten alle løsemidlene. Denne bakingen kalles "foreksponeringsbaking" eller "forbaking" fordi den utføres før eksponering. Forbaking forbedrer fotoresistens vedheft, forbedrer fotoresistens jevnhet og kontrollerer linjebreddens jevnhet under etseprosessen. I den kjemisk forsterkede fotoresisten nevnt i avsnitt 6.3, kan forbaking også brukes til å endre diffusjonslengden til fotosyren til en viss grad for å justere parametrene til prosessvinduet. Den typiske forstekingstemperaturen og -tiden er 90-100 grader, omtrent 30 sekunder. Etter forbaking vil silisiumplaten flyttes fra den varme platen som brukes til baking til en kald plate for å returnere den til romtemperatur som forberedelse til eksponeringstrinnet.
4. Justering og eksponering
Trinnene etter forbaking er justering og eksponering. I projeksjonseksponeringsmetoden flyttes masken til en forhåndsdefinert omtrentlig posisjon på silisiumplaten, eller til en riktig posisjon i forhold til det eksisterende mønsteret på silisiumplaten, og deretter overfører linsen sitt mønster til silisiumplaten gjennom fotolitografi. For nærhet eller kontakteksponering vil mønsteret på masken bli direkte eksponert for silisiumplaten av den ultrafiolette lyskilden.
For det første laget med mønstre kan det hende at det ikke er noe mønster på silisiumplaten, og fotolitografimaskinen flytter masken relativt til den forhåndsdefinerte (chipdifferensieringsmetoden) omtrentlige posisjonen på silisiumplaten (avhengig av nøyaktigheten av silisiumplatens sideplassering) på fotolitografimaskinplattformen, vanligvis rundt 10 til 30 μm).
For det andre laget og påfølgende mønstre, må fotolitografimaskinen justere justeringsmerket etter eksponeringen av forrige lag for å overtrykke masken til dette laget på det eksisterende mønsteret til det forrige laget. Denne overleggsnøyaktigheten er vanligvis 25 % til 30 % av minimumsmønsterstørrelsen. For eksempel, i 90nm-teknologi er overleggsnøyaktigheten vanligvis 22 til 28nm (3 ganger standardavviket). Når innrettingsnøyaktigheten oppfyller kravene, begynner eksponeringen. Lysenergien aktiverer de lysfølsomme komponentene i fotoresisten og starter den fotokjemiske reaksjonen. Hovedindikatorene for å måle kvaliteten på fotolitografi er generelt oppløsningen og ensartetheten til den kritiske dimensjonen (CD), overleggsnøyaktighet og antall partikler og defekter.
Den grunnleggende betydningen av overleggsnøyaktighet refererer til justeringsnøyaktigheten (3σ) til grafikken mellom de to fotolitografiprosessene. Hvis innrettingsavviket er for stort, vil det direkte påvirke utbyttet av produktet. For avanserte fotolitografimaskiner vil leverandører av generell utstyr gi to verdier for overleggsnøyaktighet, den ene er den to-gangs overleggsfeilen til en enkelt maskin selv, og den andre er overleggsfeilen mellom to enheter (forskjellige enheter).
5. Baking etter eksponering
Etter at eksponeringen er fullført, må fotoresisten bakes på nytt. Fordi denne bakingen er etter eksponering, kalles den "post-exposure baking", forkortet som post-exposure baking (PEB). Hensikten med etterbaking er å fullføre den fotokjemiske reaksjonen ved oppvarming. De fotosensitive komponentene som genereres under eksponeringsprosessen vil diffundere under påvirkning av oppvarming og reagere kjemisk med fotoresisten, og endre fotoresistmaterialet som var nesten uløselig i fremkallervæsken til et materiale som er løselig i fremkallervæsken, og danner mønstre som er løselige i fremkallervæsken og uløselig i fremkallervæsken i fotoresistfilmen.
Siden disse mønstrene stemmer overens med mønstrene på masken, men ikke vises, kalles de også "latente bilder". For kjemisk forsterkede fotoresister vil for høye steketemperaturer eller for lange steketider føre til overdreven diffusjon av fotosyrer (katalysatorer for fotokjemiske reaksjoner), skade den opprinnelige bildekontrasten, og dermed redusere jevnheten til prosessvinduet og linjebredden. En detaljert diskusjon vil bli gjennomført i de påfølgende kapitlene. For å virkelig vise det latente bildet, kreves utvikling.
6. Utvikling
Etter at etterbakingen er fullført, vil silisiumplaten gå inn i utviklingstrinnet. Siden fotoresisten etter den fotokjemiske reaksjonen er sur, brukes en sterk alkalisk løsning som fremkaller. Generelt brukes en 2,38 % vandig tetrametylammoniumhydroksidløsning (TMAH) med en molekylformel på (CH3)4NOH. Etter at fotoresistfilmen har gått gjennom fremkallingsprosessen, vaskes de eksponerte områdene bort av fremkalleren, og mønsteret til masken vises på fotoresistfilmen på silisiumplaten i form av konkave og konvekse former med eller uten fotoresist. Utviklingsprosessen har vanligvis følgende trinn:
(1) Pre-spray (for-våt): spray litt avionisert vann (DI-vann) på overflaten av silisiumplaten for å forbedre adhesjonen til fremkalleren på overflaten av silisiumplaten.
(2) Fremkallerdispensering (fremkallerdispensering): lever fremkalleren til overflaten av silisiumplaten. For å få alle deler av silisiumplatens overflate i kontakt med samme mengde fremkaller så mye som mulig, har fremkallerdispenseren utviklet følgende metoder. Bruk for eksempel E2-dyser, LD-dyser osv.
(3) Fremkalleroverflateopphold (pytt): Etter at fremkalleren er sprayet, må den forbli på overflaten av silisiumplaten i en periode, vanligvis fra titalls sekunder til ett eller to minutter, for å tillate fremkalleren for å reagere fullt ut med fotoresisten.
(4) Fjerning og skylling av fremkaller: Etter at fremkalleren har stoppet, vil fremkalleren bli kastet ut og avionisert vann vil sprayes på overflaten av silisiumplaten for å fjerne gjenværende fremkaller og gjenværende fotoresistfragmenter.
(5) Sentrifugering: Silisiumplaten roteres til høy hastighet for å spinne av det avioniserte vannet på overflaten.
7. Baking etter utvikling, hardfilmbaking
Etter utvikling, siden silisiumplaten utsettes for vann, vil fotoresisten absorbere noe vann, noe som ikke er bra for påfølgende prosesser som våtetsing. Derfor kreves hardfilmbaking for å fjerne overflødig vann fra fotoresisten. Siden det meste av etsing nå bruker plasmaetsing, også kjent som "tørr etsing", har hardfilmbaking blitt utelatt i mange prosesser.
8. Måling
Etter at eksponeringen er fullført, må den kritiske dimensjonen (Critical Dimension, CD for kort) som dannes av litografien og overleggsnøyaktigheten måles (metrologi). Den kritiske dimensjonen måles vanligvis ved hjelp av et skanningselektronmikroskop, mens overleggsnøyaktigheten måles av et optisk mikroskop og en ladningskoblet array-avbildningsdetektor (CCD). Grunnen til å bruke et skanningselektronmikroskop er at linjebredden i halvlederprosessen generelt er mindre enn bølgelengden til synlig lys, for eksempel 400 til 700 nm, og elektronekvivalentbølgelengden til elektronmikroskopet bestemmes av akselerasjonsspenningen til elektron. I følge kvantemekanikkens prinsipper er De Broglie-bølgelengden til et elektron
Hvor h (6.626×10-³⁴Js) er Plancks konstant, m (9,1×10-³¹kg) er massen til elektronet i et vakuum, og v er hastigheten til elektronet. Hvis akselerasjonsspenningen er V, kan de Broglie-bølgelengden til elektronet skrives som
Hvor q (1,609×10-19c) er ladningen til elektronet. Ved å erstatte numeriske verdier kan ligningen (7-7) tilnærmet skrives som
Hvis akselerasjonsspenningen er 300V, er bølgelengden til elektronet 0,07 nm, som er tilstrekkelig for å måle linjebredden. I faktisk arbeid bestemmes oppløsningen til elektronmikroskopet av multippel spredning av elektronstrålen i materialet og aberrasjonen til elektronlinsen. Vanligvis er oppløsningen til elektronmikroskopet titalls nanometer, og feilen ved å måle linjedimensjonen er omtrent 1 til 3nm. Selv om overleggsnøyaktigheten har nådd nanometernivået, siden måling av overlegg bare krever evnen til å bestemme den sentrale posisjonen til den tykkere linjen, kan et optisk mikroskop brukes til å måle overleggsnøyaktigheten.
Figur 7.12 (a) er et skjermbilde av størrelsesmålingen tatt av et skanningselektronmikroskop. De hvite doble linjene og de relative pilene i figuren representerer målstørrelsen. Bildekontrasten til skanningselektronmikroskopet dannes ved emisjon og samling av sekundære elektroner generert ved elektronbombardement. Det kan sees at flere sekundære elektroner kan samles ved kanten av linjen. I prinsippet, jo flere elektroner som samles inn, jo mer nøyaktig er målingen. Men siden virkningen av elektronstrålen på fotoresisten ikke kan ignoreres, vil fotoresisten krympe etter elektronstrålebestråling, spesielt 193nm fotoresisten. Så det blir veldig viktig å etablere en balanse mellom målbarhet og minimal forstyrrelse.
Figur 7.12 (b) er et typisk skjematisk diagram av overleggsmåling, der linjetykkelsen vanligvis er 1 til 3 μm, den ytre rammens sidelengde er vanligvis 20 til 30 μm, og den indre rammens sidelengde er generelt 10 til 20 μm . I denne figuren skyldes de forskjellige fargene eller kontrastene som vises av de indre og ytre rammene forskjellene i fargen og kontrasten til det reflekterte lyset forårsaket av de forskjellige tykkelsene på de forskjellige lagene av tynne filmer. Målingen av overlegg oppnås ved å bestemme den romlige forskjellen mellom senterpunktet til den indre rammen og senterpunktet til den ytre rammen. Praksis har vist at så lenge tilstrekkelig signalintensitet er gitt, kan selv et optisk mikroskop oppnå en målenøyaktighet på ca. 1 nm.
Litografiprosessvindu og mønsterintegritetsevalueringsmetode
Eksponeringsenergimargin, normalisert bildelogaritmisk helning (NILS)
I avsnitt 2 ble det nevnt at eksponeringsenergimarginen (EL) refererer til maksimalt tillatt avvik for eksponeringsenergien innenfor det tillatte området for linjebreddevariasjon. Det er en grunnleggende parameter for å måle litografiprosessen.
Figur 7.13 (a) viser variasjonen av litografimønsteret med eksponeringsenergi og brennvidde.
Figur 7.13 (b) viser et todimensjonalt distribusjonstestmønster med forskjellige energier og brennvidder eksponert på en silisiumplate. Det er som en matrise og kalles også Focus-Exposure Matrix (FEM).
Denne matrisen brukes til å måle prosessvinduet til fotolitografiprosessen på ett eller flere mønstre, for eksempel energimargin og fokusdybde. Hvis spesielle testmønstre på masken legges til, kan Focus-Energy Matrix også måle andre ytelsesparametere relatert til prosessen og utstyret, for eksempel ulike aberrasjoner av litografimaskinens linse, strølys (flare), maskefeilfaktor, fotosyrediffusjon lengden på fotoresisten, fotoresistens følsomhet, maskens produksjonsnøyaktighet, etc.
I figur 7.13 (a) representerer den grå grafen tverrsnittsmorfologien til fotoresisten (positiv fotoresist) etter eksponering og fremkalling. Ettersom eksponeringsenergien fortsetter å øke, blir linjebredden mindre og mindre. Når brennvidden endres, endres også den vertikale morfologien til fotoresisten. La oss først diskutere endringen med energi. Hvis brennvidden er valgt som -0.1μm, det vil si at det projiserte brennplanet er 0.1μm under toppen av fotoresisten. Hvis linjebredden måles etter hvert som den endres med energi, kan man få en kurve som vist i figur 7.14.
Hvis vi velger den totale CD-toleransen til linjebredden som ±10 % av linjebredden på 90nm, det vil si 18nm, og helningen til linjebredden som endres med eksponeringsenergien er 6,5nm/(mJ/cm²), og den optimale eksponeringsenergien er 20 (mJ/cm²), deretter er energimarginen EL 18/6,5/20=13,8 %.
Er det nok? Dette spørsmålet er relatert til faktorer som styrken til litografimaskinen, evnen til prosessproduksjonskontroll og enhetens krav til linjebredde. Energimarginen er også relatert til fotoresistens evne til å bevare det romlige bildet. Generelt sett, ved 90nm, 65nm, 45nm og 32nm nodene, er EL-kravet for portlagslitografi 15 % til 20 %, og EL-kravet for metallkablingslag er omtrent 13 % til 15 %.
Energimarginen er også direkte relatert til bildekontrasten, men bildet her er ikke rombildet fra linsen, men det "latente bildet" etter fotoresistens fotokjemiske reaksjon. Absorpsjonen av lys av fotoresist og forekomsten av fotokjemiske reaksjoner krever diffusjon av lysfølsomme komponenter i fotoresistfilmen. Diffusjonen som kreves for denne fotokjemiske reaksjonen vil redusere kontrasten i bildet. Kontrast er definert som
Blant dem er U den ekvivalente lysintensiteten til det "latente bildet" (faktisk tettheten til den lysfølsomme komponenten).
For tette linjer, hvis romperioden P er mindre enn λ /NA, må dens romlige bildeekvivalente lysintensiteten U(x) være en sinusbølge, som vist i figur 7.15, som kan skrives som
I henhold til definisjonen av EL, kombinert med formel (7-10), som vist i figur 7.16, kan EL skrives som følgende uttrykk, dvs.
For lik linje og mellomrom, CD=P/2. Det er et mer kortfattet og intuitivt uttrykk, nemlig
Det vil si at hvis dCD bruker den generelle 10 % CD, så er kontrasten omtrent lik 3,2 ganger EL. Helningen i formel (7-11) er
Det kalles også bildelogghelling (ILS). På grunn av dets direkte forhold til bildekontrast og EL, brukes den også som en viktig parameter for å måle litografiprosessvinduet. Hvis den er normalisert, det vil si multiplisert med linjebredden, kan den normaliserte bildelogghellingen (NILS) oppnås, som definert i formel (7-15), dvs.
Generelt refererer U (x) til det romlige bildet som projiseres av linsen inn i fotoresisten, som her refererer til det "latente bildet" etter den fotokjemiske reaksjonen til fotoresisten. For tette linjer med lik avstand, CD=P/2, og romperioden P er mindre enn λ/NA, kan NILS skrives som
For eksempel, for en 90nm minneprosess, er linjebredden CD lik 0.09μm, hvis kontrasten er 50 % og romperioden er 0,18μm, er NILS 1,57.
Dybde av fokus (nivelleringsmetode)
Depth of Focus (DOF) refererer til det maksimale området for brennviddevariasjon innenfor det tillatte området for linjebreddevariasjon. Som vist i figur 7.13 vil fotoresisten ikke bare endre seg i linjebredde, men også i morfologi ettersom brennvidden endres. Generelt sett, for fotoresister med høy gjennomsiktighet, slik som 193nm fotoresist og 248nm fotoresist med høy oppløsning, når fokalplanet til fotolitografimaskinen har en negativ verdi, er fokalplanet nær toppen av fotoresisten; når sideforholdet er større enn 2.5-3, på grunn av den store linjebredden i bunnen av fotoresisten, kan til og med "underskjæring" oppstå, noe som kan forårsake mekanisk ustabilitet og velting. Når fokalplanet har en positiv verdi, på grunn av den store linjebredden på toppen av fotoresistsporet, vil de firkantede hjørnene på toppen bli avrundet (toppavrunding). Denne "toppavrundingen" kan overføres til materialmorfologien etter etsning, så både "underskjæring" og "avrunding" må unngås.
Hvis linjebreddedataene i figur 7.13 er plottet, vil en kurve over linjebredde versus brennvidde ved forskjellige eksponeringsenergier fås, som vist i figur 7.17.
Variasjonen av linjebredde med brennvidde under eksponeringsenergi på 16, 18, 20, 22, 24 kalles også Poisson-plott.
Hvis det tillatte variasjonsområdet for linjebredden er begrenset til ±9nm, kan den maksimalt tillatte brennviddevariasjonen ved optimal eksponeringsenergi finnes fra figur 7.17. Ikke bare det, fordi i faktisk arbeid, både energi og brennvidde endres samtidig, slik som driften til litografimaskinen, er det nødvendig å oppnå det maksimalt tillatte variasjonsområdet for brennvidden under tilstanden av energidrift. Som vist i figur 7.17 kan et visst tillatt variasjonsområde for linjebredde EL, slik som ±5 % som standard (EL=10%), brukes til å beregne maksimalt tillatt brennviddevariasjonsområde, som er mellom 19 og 21 mJ/cm2. EL-dataene kan plottes mot det tillatte brennviddeområdet, som vist i figur 7.18. Det kan oppdages at i 90nm-prosessen, under variasjonsområdet på 10 % EL, er det maksimale fokusdybdeområdet omtrent 0,30 μm.
Er det nok? Generelt sett er fokusdybden relatert til fotolitografimaskinen, for eksempel fokuskontrollnøyaktigheten, inkludert stabiliteten til maskinens brennplan, feltkrumningen til linsen, astigmatisme, utjevningsnøyaktighet og flatheten til silisiumplateplattformen. . Det er selvfølgelig også relatert til flatheten til selve silisiumplaten og graden av flathetsreduksjon forårsaket av den kjemisk-mekaniske utflatingsprosessen. For ulike teknologinoder er de typiske dybdefokuskravene oppført i tabell 7.1.
Siden dybden av fokus er så viktig, er utjevning, en viktig del av litografimaskinen, svært kritisk. Den mest brukte utjevningsmetoden i bransjen i dag er å bestemme den vertikale posisjonen z til silisiumplaten og tiltvinklene Rxog Ry
i horisontal retning ved å måle posisjonen til lysflekken som reflekteres av det skrå innfallende lyset på overflaten av silisiumplaten, som vist i figur 7.19.
Det virkelige systemet er mye mer komplisert, inkludert hvordan man skiller den uavhengige z, Rxog Ry. Siden disse tre uavhengige parameterne må måles samtidig, er ikke en lysstråle nok (det er bare to frihetsgrader for sideforskyvning), og det kreves minst to lysstråler.
Videre, hvis det er nødvendig å oppdage z, Rx, og Rypå forskjellige punkter på eksponeringsområdet eller spalten, må antallet lysflekker økes. Generelt, for et eksponeringsområde, kan det være opptil 8 til 10 målepunkter. Imidlertid har denne utjevningsmetoden sine begrensninger. Fordi skrått innfallende lys brukes, for eksempel en 15 grader til 20 graders innfallsvinkel (eller en innfallsvinkel på 70 grader til 75 grader i forhold til den vertikale retningen til silisiumplatens overflate), for overflater som fotoresist og silisiumdioksid med en brytningsindeks for hvitt lys på ca. 1,5, bare ca. 18% til 25% av lyset reflekteres tilbake, som vist i figur 7.20, og de andre ca. 75% til 82% av lyset som kommer inn i detektoren vil trenge gjennom den transparente mediumoverflaten. . Denne delen av det transmitterte lyset vil fortsette å forplante seg til det møter et ugjennomsiktig medium eller et reflekterende medium, slik som silisium, polysilisium, metall eller et medium med høy brytningsindeks, slik som silisiumnitrid, og blir deretter reflektert.
Derfor vil "overflaten" som faktisk oppdages av nivelleringssystemet, være et sted under den øvre overflaten av fotoresisten. Siden back-end-of-the-line (BEOL) hovedsakelig har et relativt tykt oksidlag, slik som ulike silisiumdioksider, vil det være et visst brennviddeavvik mellom front-end-of-the-line (FEOL) og bakenden, vanligvis mellom 0.05 og 0,20 μm, avhengig av tykkelsen på det gjennomsiktige mediet og reflektiviteten til det ugjennomsiktige mediet. Derfor, i back-end, må designmønsteret til brikken være så enhetlig som mulig; ellers, på grunn av den ujevne fordelingen av mønstertettheten, vil det forårsake utjevningsfeil, som vil introdusere feil tiltkompensasjon og forårsake ufokusering.
Det er generelt to moduser for utjevning av fotolitografimaskiner:
(1) Planmodus: mål høyden på flere punkter på eksponeringsområdet eller hele silisiumplaten, og finn deretter planet i henhold til minste kvadraters metode;
(2) Dynamisk modus (eksklusivt for skannefotolitografimaskiner): mål dynamisk høyden til flere punkter i det skannede spalteområdet, og kompenser deretter kontinuerlig langs skanneretningen. Selvfølgelig er det viktig å vite at tilbakemeldingen til utjevning oppnås ved å flytte silisiumplateplattformen opp og ned og vippe langs den ikke-skannende retningen. Kompensasjonen kan bare være makroskopisk, vanligvis på millimeternivå. Dessuten, i den ikke-skannende retningen (X-retningen), kan den bare behandles i henhold til førsteordens tilt, og eventuell ikke-lineær krumning (som linsefeltkrumning og silisiumwafer-forvrengning) kan ikke kompenseres, som vist i figur 7.21 .
I dynamisk modus kan enkelte litografimaskiner også stoppe nivelleringsmåling for ufullstendige eksponeringsområder (skudd) eller chipområder ved kanten av silisiumplaten (et eksponeringsområde med maksimalt
kan inneholde mange brikkeområder, kalt die), og bruk eksponerings- eller brikkeområdeutjevningsdataene rundt den for epitaksi for å unngå målefeil forårsaket av for stort høydeavvik og ufullstendig filmlag ved kanten av silisiumplaten. I ASML litografimaskiner kalles denne funksjonen "Circuit Dependent Focus Edge Clearance" (CDFEC).
Det er flere hovedfaktorer som påvirker dybden av fokus: numerisk blenderåpning til systemet, belysningstilstand, linjebredde på mønsteret, tetthet av mønsteret, steketemperatur på fotoresisten osv. Som vist i figur 7.22, i henhold til bølgeoptikk , ved den beste brennvidden har alle lysstråler konvergert til fokuset samme fase;
I den ufokuserte posisjonen beveger imidlertid lysstrålene som passerer gjennom kanten av linsen og lysstrålene som passerer gjennom midten av linsen forskjellige optiske baner, og deres forskjell er (FF′- OF′). Når den numeriske blenderåpningen øker, øker også den optiske veiforskjellen, og den faktiske fokale lysintensiteten ved defokuspunktet blir mindre, eller fokusdybden blir mindre. Under parallelle lysbelysningsforhold er fokusdybden (Rayleigh) vanligvis gitt av følgende formel, det vil si
Hvor θ er den maksimale åpningsvinkelen til linsen, tilsvarende den numeriske blenderåpningen NA. Når NA er relativt liten, kan det tilnærmet skrives som
Det kan sees at når NA er større, er fokusdybden mindre, og fokusdybden er omvendt proporsjonal med kvadratet på den numeriske blenderåpningen.
Ikke bare den numeriske blenderåpningen påvirker dybden av fokus, men også lysforholdene. For eksempel, for tett grafikk, og den romlige perioden er mindre enn λ /NA, vil belysning utenfor aksen øke fokusdybden. Denne delen vil bli diskutert igjen i seksjon 7.1 i seksjon 7 med belysning utenfor aksen. I tillegg vil linjebredden på grafikken også påvirke dybden av fokus. For eksempel er dybden av fokus for liten grafikk generelt mindre enn for grov grafikk. Dette er fordi diffraksjonsbølgevinkelen til små grafikk er relativt stor, og vinkelen mellom deres konvergens i fokalplanet er relativt stor. Som nevnt ovenfor vil fokusdybden være mindre. I tillegg vil steketemperaturen til fotoresisten også påvirke dybden av fokus til en viss grad. En høyere post-eksponering bake (PEB) vil forårsake gjennomsnittet av romlig bildekontrasten i vertikal retning (Z) innenfor tykkelsen av fotoresisten, noe som resulterer i en økt fokusdybde. Dette går imidlertid på bekostning av å redusere den maksimale bildekontrasten.
Maskefeilfaktor
Mask Error Factor (MEF) eller Mask Error Enhancement Factor (MEEF) er definert som den delvise deriverte av linjebredden eksponert på silisiumplaten i forhold til maskelinjebredden. Maskefeilfaktoren er hovedsakelig forårsaket av diffraksjon av det optiske systemet og vil bli større på grunn av fotoresistens begrensede troskap til det romlige bildet. Faktorer som påvirker maskefeilfaktoren inkluderer lysforhold, fotoresistegenskaper, litografimaskinlinseavvik, post-bake (PEB) temperatur, etc. I det siste tiåret har det vært mange rapporter om forskning på maskefeilfaktorer i litteraturen. Fra disse studiene kan man se at jo mindre romlig periode eller jo mindre bildekontrasten er, desto større er maskefeilfaktoren. For mønstre som er mye større enn eksponeringsbølgelengden, eller i det såkalte lineære området, er maskefeilfaktoren vanligvis svært nær 1. For mønstre som er nær eller mindre enn bølgelengden vil maskefeilfaktoren øke betydelig . Imidlertid, bortsett fra følgende spesielle tilfeller, er maskefeilfaktoren vanligvis ikke mindre enn 1:
(1) Linjelitografi ved bruk av en alternerende faseskiftmaske kan gi en maskefeilfaktor betydelig mindre enn 1. Dette er fordi minimumslysintensiteten i den romlige bildefeltfordelingen hovedsakelig er forårsaket av 180 graders fasemutasjonen generert av den tilstøtende fasesonen . Endring av bredden på metalllinjen på masken ved fasemutasjonen har liten effekt på linjebredden.
(2) Maskefeilfaktoren vil være betydelig mindre enn 1 nær den lille kompensasjonsstrukturen i den optiske nærhetseffektkorreksjonen. Dette er fordi små endringer i hovedmønsteret ikke kan identifiseres sensitivt av bildesystemet med begrenset oppløsning forårsaket av diffraksjon.
Vanligvis, for romlig utvidede mønstre som linjer eller spor og kontakthull, er maskefeilfaktoren lik eller større enn 1. Fordi viktigheten av maskefeilfaktoren ligger i forholdet til linjebredden og maskekostnaden, blir den svært viktig å begrense det til et lite område. For eksempel, for gatelaget med ekstremt høye linjebreddeuniformitetskrav, kreves det vanligvis at maskefeilfaktoren kontrolleres under 1,5 (for 90nm og bredere prosesser).
Inntil nylig krevde innhenting av data om maskefeilfaktorer numerisk simulering eller eksperimentell måling. For numerisk simulering krever å oppnå en viss grad av nøyaktighet å stole på erfaring med å sette simuleringsparametere. Hvis det kreves informasjon om fordelingen av maskefeilfaktorer i hele litografiparameterrommet, vil slike metoder ta lang tid å bruke. Faktisk, for avbildning av tette linjer eller spor, har maskefeilfaktoren et analytisk omtrentlig uttrykk i teorien. Under de spesielle forholdene at den romlige perioden p er mindre enn λ /NA og bredden på linjen er lik bredden på sporet, under ringformede belysningsforhold, kan det analytiske uttrykket forenkles og skrives i følgende form, dvs. ,
+, - gjelder for henholdsvis riller og linjer. Blant dem er σ den partielle koherensparameteren (0＜σ ＜1), er amplitudetransmittansfaktoren i den dempede faseforskyvningsmasken (f.eks. for en 6 % dempet maske er 0.25 ), n er fotoresistens brytningsindeks (vanligvis mellom 1,7 og 1,8), og a er ekvivalent fotosyrediffusjonslengde under terskelmodellen (avhengig av de forskjellige teknologinodene, vanligvis fra 5 til 10 nm for 32 til 45 nm noder til 70 nm for 0,18 til 0,25 μm noder).
For den alternerende faseskiftende masken (Alt-PSM) har MEF et enklere uttrykk, nemlig
Blant dem, den romlige perioden s<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.
Hvis alle parametere bortsett fra fotosyrediffusjonslengden i formelen (7-21) er kjent, kan diffusjonslengden til fotosyren oppnås ved å tilpasse eksperimentelle data. Resultatene viser at etter 40 sekunders etterbaking er fotosyrediffusjonslengden for en bestemt type 193nm fotoresist 27nm; etter 60 sekunders etterbaking blir diffusjonslengden 33nm. Og på grunn av nøyaktigheten til dataene, er målenøyaktigheten av diffusjonslengden til fotosyren ±2nm. Dette er en størrelsesorden høyere enn nøyaktigheten til tidligere målemetoder, som vist i figur 7.24. Maskefeilfaktoren kan også brukes til å beregne kravene til maskelinjebredden for linjebreddeensartethet, samt innstillingen av avstandsreglene for todimensjonal grafikk i korrigeringen av optisk nærhetseffekt. For en todimensjonal grafikk med forkortede linjeender, som vist i figur 7.25, gjennom beregning av en enkel punktspredningsfunksjon og en viss grad av tilnærming av fotosyrediffusjonen, kan en nesten analytisk formel for linjeendens optiske nærhetseffekt være oppnådd, dvs.
Der PSF er punktspredningsfunksjonen, representerer underskriftet "D" diffusjonen av fotosyren, a representerer fotosyrediffusjonslengden, n=1, 2 tilsvarer koherente og inkoherente belysningsforhold, og
Ensartet linjebredde
Linjebreddeensartethet i halvlederprosesser er generelt delt inn i: brikkeområde, skuddområde, waferområde, partiområde og parti-til-lot-område. Faktorene som påvirker linjebreddens enhetlighet og den generelle analysen av påvirkningsområdet er oppført i tabell 7.2. Fra tabell 7.2 kan vi finne at:
1) Generelt har problemer forårsaket av litografimaskiner og prosessvinduer stor innvirkning.
(2) Problemer forårsaket av maskefremstillingsfeil eller optiske nærhetseffekter er generelt begrenset til eksponeringsområdet.
(3) Problemer forårsaket av belegg eller substrat er generelt begrenset til silisiumplaten.
CMOS-enheter krever generelt linjebredde-uniformitet på omtrent ±10 % av linjebredden. For porter er den generelle kontrollnøyaktigheten ±7 %. Dette er fordi i prosesser under 0,18μm-noden, er det generelt en linjebredde "trim" etseprosess etter litografi og før etsing, som ytterligere reduserer litografilinjens bredde til enhetens linjebredde, eller nær enhetens linjebredde, som er vanligvis 70 % av litografilinjens bredde. Siden kontrollen av enhetens linjebredde er ±10 %, blir litografilinjebredden ±7 %.
Det er mange måter å forbedre ensartetheten til litografilinjebredden på, for eksempel å kompensere for eksponeringsenergifordelingen i belysningsfordelingen til litografimaskinen basert på resultatene av eksponeringsensartethetsmålingen i eksponeringsområdet. Denne kompensasjonen kan oppnås på to nivåer. Det kan kompenseres i maskinkonstantene, som gjelder for alle lysforhold, eller det kan kompenseres i eksponeringssubrutinen (etter et bestemt eksponeringsprogram). På denne måten kan den nøyaktig målrette et visst nivå med strenge enhetskrav. Den kan også forbedres ved å analysere årsaken til den ujevne litografiske linjebredden. For eksempel er et typisk problem påvirkningen av høydeforskjellen forårsaket av prosessstrukturen på silisiumwafer-substratet på gatelinjebreddens ensartethet. For eksempel vil den lokale linjebredde-uniformiteten (Local CD Variation, LCDV) til portlaget diskutert i [6] forringes på grunn av høydefluktuasjonen til substratet. Denne svingningen er vist i figur 7.28.
Linjebreddeendringene forårsaket av høydeforskjellen er vist i figur 7.29 og figur 7.30. Man kan se at når høydeforskjellen gradvis avtar, avtar linjebredden gradvis til en stabil verdi.
1. Forbedring av linjebreddens ensartethet i brikkeområdet eller i det grafiske området
Siden det er mange faktorer som påvirker dette området, diskuteres bare noen hovedmetoder.
(1) Forbedre prosessvinduet og optimaliser prosessvinduet.
For tett grafikk kan belysning utenfor aksen brukes til å forbedre både kontrast og fokusdybde, og faseforskyvningsmasker kan brukes til å forbedre kontrasten;
For isolert grafikk kan sub-diffraksjonsspredningsstrimler (SRAF) brukes for å forbedre fokusdybden til isolert grafikk;
For semi-isolert grafikk, det vil si at romperioden er mindre enn to ganger minste romlige periode og litt større enn minimum romperiode, vil prosessvinduet her nå en nesten vanskelig tilstand, også kjent som "forbudt tonehøyde", som vist i figur 7.31
Som man kan se fra figur 7.31, i forhold til den minste romlige perioden på 310nm, faller linjebredden fra 130nm til omtrent 90nm nær 500nm-perioden. Dette (ikke vist her) innebærer også et betydelig fall i kontrast og fokusdybde. Forbudet mot romlig periode er forårsaket av behovet for å opprettholde en fast minimumslinjebredde i litografien til logiske kretser, noe som resulterer i alvorlig mangel på kontrast i ikke-lik avstandsavbildning i forskjellige romlige perioder eller tilstøtende mønstre. Det er hovedsakelig forårsaket av off-axis belysning pålegger begrensninger på halvtett grafikk. Vanligvis har off-axis belysning bare en sterk hjelp for minimum plassperiode, men har en viss negativ innvirkning på den såkalte "semi-tette" grafikken ved minimum plassperiode og 2 ganger minimum plassperiode. For å forbedre prosessvinduet i løpet av den såkalte forbudte perioden, bør off-akse-vinkelen til off-akse-belysningen reduseres passende for å oppnå balansert linjebredde-ensartet ytelse.
(2) Forbedre nøyaktigheten og påliteligheten til korreksjon av optisk nærhetseffekt.
Den grunnleggende prosessen med korrigering av optisk nærhetseffekt er: når du etablerer modellen, design først litt kalibreringsgrafikk på testmasken som vist i figur 7.32. Deretter oppnås mønsterstørrelsen til fotoresisten på silisiumplaten ved å eksponere silisiumplaten, og deretter kalibreres modellen (de relevante parametere for modellen bestemmes), og korreksjonsmengden beregnes samtidig. Deretter, basert på likheten mellom den faktiske grafen og kalibreringsgrafen, korrigeres den i henhold til modellen.
Nøyaktigheten av korrigering av optisk nærhetseffekt avhenger av følgende faktorer: datamålingsnøyaktighet for silisiumwafer linjebredde, modelltilpasningsnøyaktighet og rasjonaliteten og påliteligheten til modellens algoritme for korrigering av kretsmønster, for eksempel samplingsmetode (fragmentering), samplingspunkttetthet Velg, riktig trinnstørrelse osv. For fotoresistmodeller finnes det generelt enkle terskelmodeller inkludert Gaussisk diffusjon (terskelmodell med Gaussisk diffusjon) og variabel terskelresistmodeller. Førstnevnte antar at fotoresisten er en lysbryter. Når lysintensiteten når en viss terskel, endres oppløsningshastigheten til fotoresisten i fremkalleren plutselig. Sistnevnte skyldes avviket til førstnevnte fra eksperimentelle data. Sistnevnte mener at fotoresist er et komplekst system, og dets reaksjonsterskel er relatert til maksimal lysintensitet og gradienten til maksimal lysintensitet (som vil forårsake retningsbestemt diffusjon av det lysfølsomme middelet), og kan være et ikke-lineært forhold. Og sistnevnte kan også beskrive noen etsningslinjebreddeavvik på tette til isolerte mønstre. Selvfølgelig kan denne typen modell ikke fysisk vise det fysiske bildet veldig tydelig. Generelt sett er det fysiske bildet av terskelmodellen pluss Gaussisk diffusjon veldig tydelig, og folk bruker det mer, spesielt i prosessutvikling og prosessoptimaliseringsarbeid. Når det gjelder korreksjon av optisk nærhetseffekt, siden det er nødvendig å bygge en modell nøyaktig til noen få nanometer på veldig kort tid, er det uunngåelig å legge til noen ekstra parametere hvis fysiske betydning ikke kan forklares tydelig, og er også et midlertidig tiltak.
Selvfølgelig, ettersom fotolitografiprosessen fortsetter å utvikle seg, vil fotolitografi-nærhetseffektkorreksjonsmodellen fortsette å utvikle seg og absorbere parametere med fysisk betydning. For å øke nøyaktigheten til modellen, kan du utvide representativiteten til målegrafikken ved å øke antall målepunkter (som 3 til 5 ganger), det vil si å forbedre kalibreringsgrafikken (måler), som vist i figuren 7,32. Den samme kretsdesigngrafikken er i korrelasjoner og likheter i geometriske former. Under modelltilpasningsprosessen, prøv å bruke fysiske parametere og send tilbake tilpasningsfeilene til litografiingeniøren for analyse for å eliminere mulige feil. Korreksjon av optisk nærhetseffekt vil bli diskutert i dybden i et annet kapittel.
(3) Optimaliser tykkelsen på antirefleksjonslaget.
På grunn av forskjellen i brytningsindeks (n- og k-verdier) mellom fotoresisten og substratet, vil en del av belysningslyset reflekteres tilbake fra grensesnittet mellom fotoresisten og substratet, noe som forårsaker interferens med det innfallende bildelyset. Når denne interferensen er alvorlig, kan den til og med gi en stående bølgeeffekt, som vist i figur 7.33 (c). Figur 7.33 (c) viser tverrsnittet av i-line 365nm eller 248nm fotoresist. Fordi avstanden mellom toppene i den stående bølgen er en halv bølgelengde, og brytningsindeksen n til fotoresisten generelt er rundt 1,6 til 1,7, i henhold til antall topper (~10), kan det utledes at tykkelsen på fotoresisten er ca. 0,7 til 1,2μm. Tykkelsen på 193nm fotoresist er vanligvis mindre enn 300nm. For å eliminere det reflekterte lyset i bunnen av fotoresisten, brukes vanligvis et antirefleksjonsbelegg på bunnen (BARC), som vist i figur 7.34 (a). I figur 7.34 (a) er et grensesnitt lagt til etter å ha lagt til det nederste antirefleksjonslaget. Fasen til det reflekterte lyset mellom antirefleksjonslaget og underlaget kan justeres ved å justere tykkelsen på antirefleksjonslaget for å forskyve det reflekterte lyset mellom fotoresisten og antirefleksjonslaget, og dermed eliminere det reflekterte lyset ved bunnen av fotoresisten. For antirefleksjonslaget, hvis streng antirefleksjon skal oppnås ved en tykkelse på omtrent 1/4 bølgelengde, må brytningsindeksen n til antirefleksjonslaget justeres nøyaktig slik at den er mellom nSubstratog nFotoresistav underlaget, det vil si
(4) Optimaliser tykkelsen og svingkurven til fotoresisten
Selv med det nederste antirefleksjonslaget vil det fortsatt være en viss mengde restlys som reflekteres fra bunnen av fotoresisten. Denne delen av lyset vil forstyrre det reflekterte lyset fra toppen av fotoresisten, som vist i figur 7.35 (a) og figur 7.35 (b). Når tykkelsen på fotoresisten endres, endres fasen av "reflektert lys 0" og "reflektert lys 1" periodisk, og forårsaker dermed interferens. Omfordelingen av energi ved interferens vil føre til at energien som kommer inn i fotoresisten endres periodisk ettersom tykkelsen på fotoresisten endres, så linjebredden vil endres periodisk ettersom tykkelsen på fotoresisten endres, som vist i figur 7.35 (b). Det er generelt flere måter å løse problemet med linjebredde som varierer med fotoresisttykkelse:
Optimaliser tykkelsen og brytningsindeksen til antirefleksjonslaget (velg et passende antirefleksjonslag)
Velg to antirefleksjonslag (vanligvis er ett av dem et uorganisk antirefleksjonslag, for eksempel silisiumoksynitrid SiON)
Legg til et topp antirefleksbelegg (Top ARC, TARC) for å fjerne det reflekterte lyset på toppen av fotoresisten
Men å legge til et antirefleksjonslag vil gjøre prosessen mer komplisert og kostbar. Når prosessvinduet fortsatt er akseptabelt, velges vanligvis tykkelsen med den minste linjebredden. Dette er fordi når tykkelsen på fotoresisten skifter, vil linjebredden bli større, ikke mindre, slik at prosessvinduet blir kraftig mindre.
2. Andre metoder for å forbedre linjebreddens ensartethet
Forbedre jevnheten til spaltebelysning, aberrasjon, brennvidde og nivelleringskontroll, plattformsynkroniseringsnøyaktighet og temperaturkontrollnøyaktighet til litografimaskinen; forbedre ensartetheten av maskelinjebredden; forbedre substratet og redusere substratets innflytelse på litografi (inkludert å øke fokusdybden og forbedre antirefleksjonslaget). Blant dem nevnte avsnitt 4.2 at å øke ensartetheten til designmønsteret bidrar til å forbedre nøyaktigheten av utjevning og faktisk øke fokusdybden. Kantruheten til mønsteret er vanligvis forårsaket av følgende faktorer:
(1) Den iboende ruheten til fotoresisten: Den er relatert til molekylvekten til fotoresisten, størrelsesfordelingen av molekylvekten og konsentrasjonen av fotosyregeneratoren (PAG).
(2) Kontrasten mellom fotoresistutviklingens oppløsningshastighet og økningen av lysintensiteten: Jo brattere endringen av oppløsningshastigheten er med lysintensitet nær terskelenergien, desto mindre er ruheten forårsaket av delvis utvikling.
(3) Fotoresistfølsomhet: Jo mindre fotoresisten er avhengig av post-eksponeringsbaking (PEB), desto større er grovheten til linjebredden sannsynligvis. Baking etter eksponering kan fjerne noe ujevnhet.
(4) Kontrast eller energimargin til det fotolitografiske bildet: Jo større kontrast, desto smalere er området der kanten av mønsteret fremkalles, og desto lavere er ruheten. Det uttrykkes generelt ved forholdet mellom linjebredderuhet og bildelogghelling (ILS).
For kjemisk forsterkede fotoresister vil hvert fotosyremolekyl generert av den fotokjemiske reaksjonen gjennomgå en katalytisk avbeskyttelsesreaksjon innenfor et område av diffusjonslengde med generasjonspunktet som sentrum av sirkelen og radius som radius. Generelt sett er diffusjonslengden for 193nm fotoresist i området 5 til 30nm. Jo lengre diffusjonslengden er, desto bedre blir mønsterruheten når bildekontrasten forblir uendret. Nær oppløsningsgrensen, for eksempel nær 45nm halv tonehøyde, vil imidlertid en økning i diffusjonslengden føre til en reduksjon i romlig bildekontrast, og en reduksjon i romlig bildekontrast vil også føre til en økning i mønsterruhet.
Oppløsningshastigheten til fotoresist endres generelt fra et veldig lavt nivå til et veldig høyt nivå på en trinnlignende måte når lysintensiteten endres. Hvis denne trinnlignende endringen er brattere, vil det såkalte "delutviklings"-området, det vil si overgangsområdet i midten av trinnskiftet, reduseres, og dermed redusere mønsterets ruhet. Selvfølgelig vil for mye oppløsningskontrast også påvirke dybden av fokus. For noen 248nm og 365nm fotoresister kan en litt mindre utviklingskontrast utvide fokusdybden til en viss grad, som vist i figur 7.36.
Jo høyere følsomhet fotoresisten har, desto kortere er fotosyrediffusjonslengden (jo høyere troverdighet til luftbildet og jo høyere oppløsning), fordi slike fotoresister generelt er mindre avhengige av baking etter eksponering, noe som kan føre til en viss grad av mønsterruhet. Men hvis konsentrasjonen av fotosyregeneratoren økes samtidig, kan denne situasjonen forbedres. Forbedring av kontrasten til fotoresistbildet kan redusere mønsterruheten, som vist i figur 7.37.
Runden på kontakthull og vias er lik ruheten til mønsteret. Det er også relatert til diffusjonen av fotosyre, konsentrasjonen av fotosyre, den romlige bildekontrasten og kontrasten til fotoresistutvikling. Vi skal ikke diskutere dem én etter én her.
Fotoresistmorfologi
Abnormiteter i fotoresistmorfologi inkluderer sideveggtiltvinkel, stående bølge, tykkelsestap, bunnfeste, bunnsnitt, T-topp, toppavrunding, linjebredderuhet, sideforhold/mønsterdumping, bunnrester, etc. Vi vil diskutere dem én etter én. , som vist i figur 7.38.
Sideveggvinkel: Dette er vanligvis fordi lyset som kommer inn i bunnen av fotoresisten er svakere enn lyset på toppen (på grunn av absorpsjonen av lys av fotoresisten). Løsningen er generelt å redusere absorpsjonen av lys av fotoresisten samtidig som fotoresistens følsomhet for lys økes. Dette kan oppnås ved å øke tilsetningen av fotosensitive komponenter og øke den katalytiske effekten av fotosyrer i avbeskyttelsesreaksjonen (diffusjonskatalysereaksjon). Sideveggvinkelen vil ha en viss innvirkning på etsningen, og i alvorlige tilfeller vil sideveggvinkelen overføres til det etsede underlagsmaterialet.
Stående bølge: Den stående bølgeeffekten kan løses effektivt ved å legge til et antirefleksjonslag og passende øke diffusjonen av fotosensibilisatoren (for eksempel ved å øke temperaturen eller tiden for etterbaking for å øke diffusjonen av fotosyrer).
Tykkelsestap: Siden toppen av fotoresisten mottar det sterkeste lyset og toppen er utsatt for mest fremkaller, vil tykkelsen på fotoresisten gå tapt til en viss grad etter at fremkallingen er fullført.
Fot: Bunnfoten er vanligvis forårsaket av syre-base-ubalansen mellom fotoresisten og underlaget (som det nederste antirefleksjonslaget). Hvis substratet er relativt alkalisk eller hydrofilt, vil fotosyren bli nøytralisert eller absorbert i substratet, noe som forårsaker at avbeskyttelsesreaksjonen i bunnen av fotoresisten blir kompromittert. Løsningen på dette problemet er generelt å øke surheten til substratet, øke foreksponeringssteketemperaturen til fotoresisten og det antireflekterende laget, for å begrense diffusjonen av fotosyren i fotoresisten og inn i substratet. Begrensning av diffusjonen vil imidlertid også påvirke andre egenskaper, som mønsterets ruhet, fokusdybden osv.
Underskjæring: I motsetning til bunnfoten, skyldes underskjæring den høyere surheten i bunnen av fotoresisten, og avbeskyttelsesreaksjonen i bunnen er høyere enn andre steder. Løsningen er nøyaktig det motsatte av ovenstående.
T-topping: T-topping er forårsaket av de alkaliske (base) komponentene i luften på fabrikken, slik som ammoniakk, ammoniakk (ammoniakk) og organiske aminforbindelser (amin), som trenger inn i toppen av fotoresisten og nøytraliserer del av fotosyren, noe som resulterer i en større lokal linjebredde på toppen, og i alvorlige tilfeller vil det gi linjevedheft. Løsningen er å strengt kontrollere alkaliinnholdet i luften i fotolitografiområdet, vanligvis mindre enn 20 ppb (parts per billion), og prøve å forkorte tiden fra eksponering til forsinkelse etter eksponering.
Toppavrunding: Generelt er lysintensiteten som bestråles på toppen av fotoresisten relativt stor. Når fremkallingskontrasten til fotoresisten ikke er veldig høy, vil denne delen av det økte lyset føre til økt oppløsningshastighet, og dermed få toppen til å runde.
Linjebredde ruhet: Linjebredde ruhet har vært diskutert tidligere.
Sideforhold/mønsterkollaps: Sideforholdet diskuteres fordi fremkalleren, avionisert vann, etc. vil generere sidespenning dannet av overflatespenning i fotoresistmønsteret etter fremkalling, som vist i figur 7.39. For tette mønstre, siden spenningen på begge sider er omtrent den samme, er ikke problemet for stort. For mønsteret ved kanten av det tette mønsteret, hvis sideforholdet er stort, vil det imidlertid være utsatt for ensidig spenning. Sammen med forstyrrelsen av høyhastighetsrotasjon under utviklingsprosessen, kan mønsteret kollapse. Eksperimenter viser at et høyde-til-bredde-forhold over 3:1 generelt er farligere.
Skumming: Årsaken til skumring er generelt at den nederste fotoresisten ikke absorberer nok lys, noe som resulterer i delvis utvikling. For å forbedre oppløsningen til fotoresisten, må diffusjonslengden til fotosyren minimeres, og den romlige utviklingsuniformiteten forårsaket av diffusjonen av fotosyren reduseres. På denne måten øker ruheten i rommet. Bunnavskummet kan generelt reduseres ved å optimalisere lysforholdene, maskelinjebredden og steketemperaturen og -tiden for å forbedre den romlige bildekontrasten og øke eksponeringen per områdeenhet.
Justering og overleggsnøyaktighet
Justering refererer til registreringen mellom lag. Generelt sett må overleggsnøyaktigheten mellom lagene være rundt 25% ~ 30% av den kritiske størrelsen (minimumsstørrelsen) til silisiumplaten. Her vil vi diskutere følgende aspekter: overleggsprosess, overleggsparametere og ligninger, overleggsmerker, utstyr og tekniske problemer knyttet til overlegg, og prosesser som påvirker overleggsnøyaktigheten.
Overleggsprosessen er delt inn i produksjon av det første laget (eller frontlaget) justeringsmerke, innretting, justeringsløsning, fotolitografimaskinkompensasjon, eksponering, måling av overleggsnøyaktighet etter eksponering, og beregning av neste runde med justeringskompensasjon, som vist i figur 7.40 . Hensikten med overlegg er å maksimere overlappingen av koordinatene på silisiumplaten med silisiumplatens plattform (det vil si koordinatene til fotolitografimaskinen). For den lineære delen er det fire parametere: oversettelse (Tx, Ty), rundt den vertikale aksen (Z), rotasjon (R) og forstørrelse (M). Følgende forhold kan etableres mellom silisiumwafer-koordinatsystemet (Xw, Yw) og fotolitografimaskinens koordinatsystem (XM, YM):
XM=TX+M[XW cos(R)-YW synd (R)]
