Procés de fabricació de circuits integrats a nanoescala - (fotolitografia)

Introducció a la tecnologia de la fotolitografia

Història del desenvolupament de la tecnologia de la fotolitografia

Des que Jack S. Kilby va inventar el primer circuit integrat del món el 12 de setembre de 1958, els circuits integrats han experimentat un desenvolupament ràpid durant més de 50 anys. L'amplada mínima de la línia ara és d'entre 20 i 30 nm. temps, entrant en el rang submicrònic profund. La tecnologia de fotolitografia, una de les tecnologies clau, també ha evolucionat des de l'ús inicial de lents d'augment similars a les dels equips fotogràfics fins a l'obertura numèrica alta d'1,35 de tipus immersió actual, que té la capacitat de controlar i ajustar automàticament la qualitat de la imatge, amb un diàmetre. de més de mig metre i un pes de mitja tona. conjunt de lents gegants. La funció de la fotolitografia és imprimir patrons de circuits de semiconductors sobre plaques de silici capa per capa. La seva idea prové de la tecnologia d'impressió de llarga data. La diferència és que la impressió registra informació utilitzant tinta per produir canvis en la reflectivitat de la llum al paper. , mentre que la fotolitografia utilitza la reacció fotoquímica de la llum i les substàncies sensibles a la llum per aconseguir canvis de contrast.

La tecnologia d'impressió va sorgir per primera vegada a finals de la dinastia Han a la Xina. Més de 800 anys després, Bi Sheng de la dinastia Song va fer millores revolucionàries i va transformar la impressió de blocs fixos en impressió de tipus mòbil, que després es va desenvolupar ràpidament. Actualment, s'ha desenvolupat la tecnologia de fotocomposició làser. La "fotolitografia" en el sentit actual va començar amb els intents d'Alois Senefedler l'any 1798. Quan va intentar publicar el seu llibre a Munic, Alemanya, va descobrir que si utilitzava llapis d'oli per dibuixar il·lustracions sobre pedra calcària porosa i humitejava les zones no dibuixades amb aigua. , la tinta només seria Cola on dibuixes amb llapis. Aquesta tècnica s'anomena Litografia, o dibuix sobre pedra. La litografia va ser la precursora del multiregistre modern.

Mètodes bàsics de fotolitografia

Tot i que hi ha algunes similituds, la fotolitografia en circuits integrats utilitza llum en lloc de tinta, i les zones amb tinta i sense tinta es converteixen en les zones amb llum i sense llum a la màscara. Per tant, a la indústria de fabricació de circuits integrats, la litografia també s'anomena fotolitografia o litografia. De la mateixa manera que la tinta a base d'oli es diposita selectivament a la pedra calcària, la llum només pot passar per les zones transparents de la màscara i la llum projectada es registra en un material sensible a la llum anomenat fotoresist. A la figura 7.1 es mostra un diagrama esquemàtic senzill del procés de fotolitografia.

Com que el fotoresistent experimenta un canvi en la velocitat de dissolució en el revelador després de l'exposició a la llum ultraviolada (UV), el patró de la màscara es transfereix a la capa de fotoresist a la part superior de l'hòstia de silici. Les àrees cobertes pel fotoresistent poden aconseguir una transferència addicional del patró de la màscara evitant un processament posterior (com ara el gravat o la implantació d'ions).

Des de 1960, la tecnologia de fotolitografia es pot dividir en els tres tipus següents: exposició de contacte, exposició de proximitat i exposició de projecció. La primera va ser l'exposició de contacte o de proximitat, que va ser la corrent principal de la fabricació fins a mitjan -20segle. Per a l'exposició de contacte, com que teòricament no hi ha espai entre la màscara i la part superior de l'hòstia de silici, la resolució no és un problema. No obstant això, atès que el contacte causarà defectes a causa del desgast de la màscara i el fotoresistent, la gent finalment va triar l'exposició de proximitat. Per descomptat, en l'exposició de proximitat, tot i que s'eviten els defectes, la resolució de l'exposició de proximitat es limita a 3 μm o més a causa de la presència de buits i la dispersió de la llum. El límit teòric de resolució de l'exposició de proximitat és

Entre ells,

k representa els paràmetres del fotoresist, normalment entre 1 i 2;

CD representa la mida mínima, és a dir, la dimensió crítica, que normalment correspon a l'amplada de línia mínima del període espacial resoluble;

λ fa referència a la longitud d'ona d'exposició;

g representa la distància des de la màscara fins al buit de la superfície de la fotoresistent (g=0 correspon a l'exposició de contacte)

Com que g sol ser superior a 10μm (limitat per la planitud de la superfície de la màscara i l'hòstia de silici), la resolució és molt limitada, com ara 3μm per a una longitud d'ona d'il·luminació de 450 nm. L'exposició de contacte pot arribar als 0,7 μm.

Per tal de superar la doble dificultat de defectes i resolució, es va proposar un esquema d'exposició de projecció, en què la màscara i l'hòstia de silici estan separades per més d'uns quants centímetres. Les lents òptiques s'utilitzen per visualitzar la lent del patró de la màscara a l'hòstia de silici. A mesura que el mercat exigeix ​​mides de xip més grans i un control més estricte de la uniformitat de l'amplada de línia, l'exposició a la projecció també ha evolucionat gradualment des de l'original.

exposició completa de hòsties de silici a l'exposició d'escaneig de hòsties de silici completa (vegeu la figura 7.2 (a))

exposició pas a pas i repetició (vegeu la figura 7.2 (b))

exposició de pas i escaneig (vegeu la figura 7.2 (c))

Tot el mètode d'exposició 1:1 de la hòstia de silici té una estructura senzilla i no requereix una alta monocromaticitat de la llum. Tanmateix, a mesura que la mida del xip i la mida de l'hòstia de silici són cada cop més grans i l'amplada de la línia es fa cada cop més fina, el sistema òptic no pot projectar el patró a tota la hòstia de silici alhora sense afectar la qualitat de la imatge i l'exposició al bloc es fa inevitable. .

Un dels mètodes d'exposició de blocs és el mètode d'escaneig complet d'hòsties de silici, tal com es mostra a la figura 7.2 (a). Aquest mètode escaneja i exposa contínuament el patró de la màscara a l'hòstia de silici a través d'un camp de visió en forma d'arc. El sistema utilitza dos miralls esfèrics amb el mateix eix òptic, i el seu radi de curvatura i la distància d'instal·lació estan determinats pel requisit de no aberració.

Tanmateix, a mesura que la mida del xip i la mida de l'hòstia de silici són cada cop més grans i l'amplada de la línia es fa cada cop més fina, l'exposició 1x fa que cada cop sigui més difícil fer la màscara amb una alta precisió de producció de patrons i precisió de col·locació.

Per tant, a finals de la dècada de 1970, es va crear una màquina d'exposició de blocs amb augments reduïts. El patró de xip s'exposa a l'hòstia de silici un per un, tal com es mostra a la figura 7.2 (b). Per tant, aquest sistema d'exposició amb augment reduït s'anomena sistema de pas i repetició o stepper.

Tanmateix, a mesura que la mida del xip i la mida de l'hòstia de silici es fan més grans i el control de l'amplada de la línia es fa més estricte, fins i tot les capacitats tècniques del pas a pas no poden satisfer les necessitats. La resolució de la contradicció entre aquesta demanda i la tecnologia actual va portar directament al naixement de la màquina d'exposició de pas i escaneig, tal com es mostra a la figura 7.2 (c). Aquest dispositiu és un híbrid que combina els avantatges de la màquina d'exposició d'escaneig d'hòsties completes primerenc i la màquina d'exposició de pas i repetició posterior: la màscara s'escaneja i es projecta en lloc de projectar-se alhora, i tota la hòstia de silici també s'exposa en blocs. Aquest dispositiu transfereix les dificultats òptiques a un alt posicionament i control mecànics. Aquest dispositiu ha estat utilitzat per la indústria fins avui, especialment en la producció de xips semiconductors a 65 nm i per sota dels nodes tecnològics.

Els principals fabricants de màquines de litografia del món són ASML als Països Baixos, Nikon i Canon al Japó i altres fabricants de màquines de litografia de mida no completa, com Ultrastepper.

La fabricació de màquines domèstiques avançades de litografia d'escaneig va començar tard. Després del 2002, va ser desenvolupat principalment per Shanghai Microelectronics Equipment Co., Ltd. (SMEE). Les màquines de litografia domèstiques s'han desenvolupat des de reparar màquines de litografia de segona mà fins a desenvolupar i fabricar màquines de litografia de manera independent. La màquina de litografia més avançada actualment en desenvolupament és la SSA600/20 de 193 nm (vegeu la figura 7.3). Tot i que encara hi ha una gran bretxa amb el nivell avançat del món, cal dir que s'han fet avenços gratificants. La seva obertura numèrica és de 0,75, el camp d'exposició estàndard és de 26 × 33 mm, la resolució és de 90 nm, la precisió de superposició és de 20 nm i la capacitat de producció de 300 mm és de 80 peces per hora.

Altres mètodes de transferència d'imatges

És ben sabut que una direcció per al desenvolupament continuat de la fotolitografia és reduir la longitud d'ona. No obstant això, aquest esforç s'ha vist obstaculitzat per factors com el desenvolupament de fotoresistències adequades de 157 nm, pel·lícules protectores de màscares (pel·lícules) i el volum de producció de materials de lents com el fluorur de calci (
). Tanmateix, en els últims 20 anys, la gent ha invertit molta investigació en fotolitografia de longitud d'ona ultraviolada extrema (EUV). Aquesta tecnologia utilitza llum ultraviolada extrema de 13,5 nm emesa per plasma de xenó o estany generada per làsers potents o descàrregues d'alta tensió. Tot i que l'alta resolució que aporta la tecnologia EUV és molt atractiva, aquesta tecnologia també té moltes dificultats tècniques, com ara que el mirall es contamina fàcilment pel material esquitxat generat pel pols, la llum ultraviolada extrema s'absorbeix fàcilment (requereix que el sistema tingui buit elevat i el nombre mínim de lents reflectants), els estrictes requisits per a la màscara (sense defectes i alta reflectivitat), la flama causada per la longitud d'ona curta, la velocitat de reacció de la fotoresistència i la resolució, etc.

A més d'utilitzar la llum tradicional per transferir el patró de la màscara, la gent també busca altres mètodes de microlitografia, com ara raigs X, nanoempremta, escriptura directa de feix multielectrònic, feix d'electrons, projecció de feix iònic, etc.

Paràmetres del sistema de fotolitografia

Longitud d'ona, obertura numèrica, espai d'imatge índex de refracció mitjà

S'ha esmentat anteriorment que la resolució de l'exposició de proximitat es deteriora ràpidament a mesura que augmenta la distància entre la màscara i l'hòstia de silici. En el mètode d'exposició de projecció, la resolució òptica es determina per la fórmula següent, és a dir,

Entre ells,
representa un coeficient proporcional que caracteritza la dificultat del procés de fotolitografia. En termes generals,
està entre {{0}},25 i 1,0. Aquesta és en realitat la famosa fórmula de Rayleigh. D'acord amb aquesta fórmula, la resolució òptica ve determinada per la longitud d'ona λ, l'obertura numèrica NA i la funció relacionada amb el procés.
. Si necessiteu imprimir un patró més petit, el mètode utilitzat pot ser reduir simultàniament la longitud d'ona d'exposició, augmentar l'obertura numèrica, reduir la
valor, o canviar un dels factors. En aquesta secció, primer introduirem els resultats existents de la millora de la resolució mitjançant la reducció de la longitud d'ona i l'augment de l'obertura numèrica. Com millorar la resolució reduint el
més endavant es parlarà del factor sota la premissa de la longitud d'ona fixa i l'obertura numèrica.

Tot i que la longitud d'ona curta pot aconseguir una alta resolució, també s'han de tenir en compte altres paràmetres importants relacionats amb la font de llum, com ara la intensitat lluminosa (brillantor), l'amplada de banda de freqüència i la coherència (la coherència es descriurà amb detall més endavant). Després d'un examen exhaustiu, la làmpada de mercuri d'alta pressió es va seleccionar com a font de llum fiable per la seva brillantor i moltes línies espectrals nítides. Es poden seleccionar diferents longituds d'ona d'exposició utilitzant filtres de diferents longituds d'ona. La capacitat de seleccionar una sola longitud d'ona de llum és crucial per a la fotolitografia, ja que un stepper general produirà una aberració cromàtica per a la llum no monocromàtica, donant lloc a una disminució de la qualitat de la imatge. La línia G, la línia H i la línia I utilitzades a la indústria fan referència als espectres de llum de mercuri de 436 nm, 405 nm i 365 nm utilitzats per la màquina d'exposició, respectivament (vegeu la figura 7.4).

Com que la resolució òptica del pas a pas de la línia I només pot arribar a 0,25 μm, la demanda d'una resolució més alta ha empès la longitud d'ona d'exposició a una longitud d'ona més curta, com ara l'espectre ultraviolat profund (DUV) de {{3} }nm. Tanmateix, l'extensió de làmpades de mercuri d'alta pressió a l'ultraviolat profund no és ideal, no només a causa d'una intensitat insuficient, sinó també perquè la radiació a la banda de longitud d'ona llarga produirà calor i deformació. Els làsers ultraviolats comuns tampoc no són ideals, com els làsers d'ions d'argó, perquè una coherència espacial excessiva provocarà taques i afectarà la uniformitat de la il·luminació. En canvi, els làsers excímers s'han seleccionat com a fonts de llum ideals per a l'ultraviolat profund a causa dels seus avantatges següents.

(1) La seva alta potència maximitza la productivitat de la màquina de litografia;

(2) La seva incoherència espacial, a diferència d'altres làsers, elimina les taques;

(3) L'alta potència de sortida facilita el desenvolupament de fotoresistències adequades;

(4) Òpticament, la capacitat de produir una sortida ultraviolada profunda amb una freqüència estreta (tan estreta com unes poques hores) permet dissenyar lents de màquines de litografia de quars d'alta qualitat.

Per tant, els làsers excímers s'han convertit en la font de llum d'il·luminació principal a les línies de producció de circuits integrats de 0.5μm i per sota, i el primer informe va ser publicat per Jain et al. En particular, els dos làsers excímers, el fluorur de criptó (KrF) amb una longitud d'ona de 248 nm i el fluorur d'argó (ArF) amb una longitud d'ona de 193 nm, han mostrat un excel·lent rendiment en termes d'energia d'exposició, amplada de banda, forma del feix, vida útil i fiabilitat. Per tant, s'utilitzen àmpliament en màquines de litografia de pas i escaneig avançades, com ara Twinscan XT de plataforma dual d'ASML: 1000H (KrF), Twinscan XT: 1450G (ArF) i NSR-S210D (KrF) de Nikon, NSR{{11} }}F (ArF).

Per descomptat, la gent encara està buscant fonts de llum de longitud d'ona més curta, com ara el làser de 157 nm generat per molècules de fluor.
Tanmateix, a causa de la dificultat per desenvolupar fotoresistències adequades, pel·lícules protectores de màscares (pel·lícules) i el volum de producció de material de lent fluorur de calci (
), la tecnologia de litografia de 157 nm només pot estendre el procés de semiconductors per un node, és a dir, de 65 nm a 45 nm; mentre que el desenvolupament anterior de la tecnologia de litografia de 193 nm va ampliar el node de fabricació de 130 nm a dos nodes: 90 nm i 65 nm, donant lloc a l'abandonament final dels esforços per comercialitzar la producció en massa de la tecnologia de litografia de 157 nm. El desenvolupament de la longitud d'ona d'exposició amb els nodes de procés es mostra a la figura 7.5.

A més d'escurçar la longitud d'ona d'exposició, una altra manera de millorar la resolució és augmentar l'obertura numèrica (NA) del dispositiu de projecció/escaneig.

On n representa l'índex de refracció a l'espai de la imatge i θ representa el mig angle màxim de la lent objectiu a l'espai de la imatge, tal com es mostra a la figura 7.6.

Si el medi de l'espai de la imatge és l'aire o el buit, el seu índex de refracció és proper a 1.0 o 1.0, i l'obertura numèrica és sinθ. Com més gran sigui l'angle de la lent de l'objectiu a l'espai de la imatge, més gran serà la resolució del sistema òptic. Per descomptat, si la distància entre la lent i la hòstia de silici no canvia, com més gran sigui l'obertura numèrica, més gran serà el diàmetre de la lent. Com més gran sigui la mida de la lent, més gran serà la dificultat de fabricació i més complexa serà l'estructura.

Normalment, l'obertura numèrica màxima assolible ve determinada per la fabricabilitat i el cost de fabricació de la tecnologia de la lent. Actualment, la típica màquina de litografia d'escaneig en línia I (Twinscan XT d'ASML: 450G) està equipada amb una lent amb un NA màxim de 0,65, que pot distingir línies denses de 22{ {11}}nm i un període espacial de 440 nm. L'obertura numèrica més alta de la longitud d'ona de fluorur de criptó (KrF) és de 0,93 (Twinscan XT d'ASML: 1000H), que pot distingir línies denses de 80 nm (període espacial de 160 nm). La màquina de litografia ArF més avançada té una obertura numèrica de 0,93 (Twinscan XT d'ASML: 1450G), que pot imprimir línies denses de 65 nm (període espacial de 120 nm).

Com s'ha esmentat anteriorment, l'obertura numèrica es pot augmentar no només augmentant l'angle d'obertura de la lent a l'espai de la imatge, sinó també augmentant l'índex de refracció de l'espai de la imatge. Si s'utilitza aigua en lloc d'aire per omplir l'espai de la imatge, l'índex de refracció de l'espai de la imatge augmentarà a 1,44 a una longitud d'ona de 193 nm. Això equival a augmentar el 0,93 NA a l'aire a 1,34 NA alhora. La resolució es millora entre un 30% i un 40%. Per tant, l'any 2001 va començar una nova era de la litografia per immersió. Les màquines comercials de litografia d'escaneig per immersió més avançades són el Twinscan NXT d'ASML: 1950i i el NSR-S610C de Nikon, tal com es mostra a les figures 7.7 (a) i 7.7 (b). Més endavant es descriurà detalladament la situació de la litografia d'immersió.

Representació de la resolució fotolitografia

S'ha esmentat anteriorment que la resolució de la fotolitografia està determinada per l'obertura numèrica i la longitud d'ona del sistema i, per descomptat, està relacionada amb el mètode de millora de la resolució de la fotolitografia relacionat amb el factor.
. Aquesta secció presenta principalment com jutjar la resolució del procés de fotolitografia. Sabem que la resolució del sistema òptic ve donada pel famós criteri de Rayleigh. Quan dues fonts de llum puntuals de la mateixa mida estan a prop l'una de l'altra, la distància del seu centre al centre és igual a la distància del valor màxim al primer valor mínim de la intensitat de la llum de cada font de llum capturada per l'instrument òptic, el sistema òptic no pot distingir si es tracta de dues o una font de llum, com es mostra a la figura 7.8. Tanmateix, fins i tot si compleix el criteri de Rayleigh, la intensitat de la llum a l'àrea entre les dues fonts de llum puntuals encara és inferior al valor màxim, amb un contrast d'aproximadament el 20%. Per a una font de llum de línia, quan l'amplada de la font de llum és infinitament petita, per a un sistema òptic amb una obertura numèrica de NA i una longitud d'ona de la font de llum d'il·luminació de λ, la distribució de la intensitat de la llum al pla de la imatge és

És a dir, la intensitat de la llum arriba al primer punt mínim relatiu a la posició central de la imatge (2NA). I0 representa la intensitat de la llum al centre de la imatge. Es pot considerar que la distància mínima que pot resoldre aquest sistema òptic és λ/(2NA). Per exemple, quan la longitud d'ona és de 193 nm i la NA és d'1,35 (immersió), la distància de resolució mínima del sistema òptic és de 71,5 nm.

Per descomptat, per al procés de fotolitografia, vol dir que es pot imprimir un patró amb un període espacial de 71,5 nm? La resposta és no. Hi ha dos motius:

① Un procés requereix un cert marge i indicadors de procés per ser produïts en massa;

② La precisió de fabricació comercial de totes les màquines i equips i l'exhaustivitat del rendiment de la màquina, de manera que la màquina pugui imprimir línies denses al límit de resolució i patrons aïllats, i també ha de minimitzar l'impacte de les aberracions residuals en el procés.

Per a una màquina de litografia de 1,35 NA, ASML promet que el període espacial mínim del patró que es pot produir és de 76 nm, és a dir, línies denses de 38 nm amb igual espaiat. En el procés de fotolitografia, la resolució límit només és de valor de referència. En el treball real, només parlem de la mida de la finestra del procés en un període espacial determinat i una amplada de línia determinada, i si és suficient per a la producció en massa. Els paràmetres que caracteritzen la finestra del procés es tractaran amb detall a la Secció 7.4. Aquí teniu una breu introducció. Normalment, els paràmetres que caracteritzen la finestra del procés inclouen la latitud d'energia d'exposició (EL), profunditat d'enfocament o profunditat d'enfocament (DOF), factor d'error de màscara (MEF), precisió de superposició, uniformitat de l'amplada de línia, etc.

La latitud de l'energia d'exposició es refereix a la desviació màxima permesa de l'energia d'exposició dins de l'interval permès de variació de l'amplada de línia. Per exemple, per a una línia amb una amplada de línia de 90 nm, l'amplada de la línia canvia amb l'energia en 3 nm/mJ, i el rang admissible de variació de l'amplada de línia és de ± 9 nm, aleshores el rang admissible de variació d'energia d'exposició és de 9 × 2/{ {5}}mJ. Si l'energia d'exposició és de 30 mJ, la latitud d'energia és del 20% en relació amb l'energia d'exposició.

La profunditat d'enfocament està generalment relacionada amb el rendiment del control de l'enfocament de la màquina de litografia. Per exemple, la precisió del control de l'enfocament d'una màquina de litografia de 193 nm, inclosa l'estabilitat del pla focal de la màquina, la curvatura del camp de la lent, l'astigmatisme, la precisió d'anivellament i la planitud de la plataforma d'hòsties de silici, és de 120 nm. Aleshores, la profunditat mínima d'enfocament d'un procés que es pot produir en massa hauria de ser superior a 120 nm. Si s'afegeix la influència d'altres processos, com ara la planarització química-mecànica, cal millorar la profunditat mínima d'enfocament, com ara 200 nm. Per descomptat, com es comentarà més endavant, la millora de la profunditat d'enfocament pot ser a costa del marge energètic.

El factor d'error de la màscara (MEF) es defineix com la relació entre la desviació de l'amplada de la línia de l'hòstia de silici a causa de la desviació de l'amplada de la màscara i la desviació de la màscara, tal com es mostra a la fórmula (7-5).

Normalment, el MEF és proper o igual a 1.0. Tanmateix, quan el període espacial del patró s'acosta al límit de difracció, el MEF augmentarà ràpidament. Un factor d'error massa gran farà que la uniformitat de l'amplada de la línia de l'hòstia de silici es deteriori. O, segons el requisit d'uniformitat de l'amplada de línia donat, la uniformitat de l'amplada de la línia de la màscara és massa alta.

La precisió de la superposició es determina generalment pel pas, la precisió de la sincronització de l'escaneig, el control de la temperatura, l'aberració de la lent i l'estabilitat de l'aberració de la plataforma mòbil de la màquina de litografia. Per descomptat, la precisió de la superposició també depèn del reconeixement i la precisió de lectura de la marca de superposició, la influència del procés sobre la marca de superposició, la deformació del procés a l'hòstia de silici (com ara diversos processos d'escalfament, processos de recuit), etc. El pas de la màquina de litografia moderna pot compensar l'expansió uniforme de la hòstia de silici i també pot compensar la distorsió no uniforme de l'hòstia de silici, com ara el programari GridMapper de "mapeig de quadrícula" llançat per ASML. Pot corregir la distorsió de la graella d'exposició de les hòsties de silici no lineal.

La uniformitat de l'amplada de línia es divideix en dues categories: uniformitat dins de l'àrea d'exposició (intracamp) i uniformitat entre àrees d'exposició (intercamp).

La uniformitat de l'amplada de la línia dins de l'àrea d'exposició es determina principalment per la uniformitat de l'amplada de la màscara (transmesa a través del factor d'error de la màscara), l'estabilitat energètica (durant l'escaneig), la uniformitat de la il·luminació a la ranura d'escaneig, la uniformitat d'enfocament/anivellament per a cada punt de l'àrea d'exposició, la lent aberració (com ara coma, astigmatisme), error de precisió de sincronització d'escaneig (desviació estàndard en moviment, MSD), etc.

La uniformitat de l'amplada de la línia entre les zones d'exposició es determina principalment per l'estabilitat de l'energia d'il·luminació, la uniformitat de la distribució del gruix de la pel·lícula del substrat de l'hòstia de silici a la superfície de l'hòstia de silici (principalment a causa de la uniformitat del recobriment de cola i la uniformitat del gruix de la pel·lícula aportada per altres processos), la planitud de l'hòstia de silici superfície, uniformitat de la cocció relacionada amb el revelador, uniformitat de la polvorització del revelador, etc.

Flux del procés de fotolitografia

El flux bàsic del procés de fotolitografia en 8-etapes es mostra a la figura 7.9.

pas{0}}Tractament superficial HMDS

pas02-Encolat

pas03-Cocció prèvia a l'exposició

pas04-Alineació i exposició

pas05-Cocció posterior a l'exposició

pas{0}}Desenvolupament

pas07-Cocció posterior al desenvolupament

pas{0}}Mesura

1. Pretractament superficial de la hòstia de silici de gas

Abans de la fotolitografia, la hòstia de silici es sotmetrà a una neteja humida i un esbandida amb aigua desionitzada per eliminar els contaminants. Després de la neteja, la superfície de l'hòstia de silici s'ha d'hidrofobitzar per millorar l'adhesió entre la superfície de l'hòstia de silici i el fotoresistent (generalment hidròfob). El tractament hidrofòbic utilitza un material anomenat hexametildisilasà, amb una fórmula molecular de (CH₃)3SiNHSi(CH₃)₃, es produeix el vapor d'hexametildisilasà (HMDS). Aquest pretractament de gas és similar a l'ús d'imprimació en aerosol sobre fusta i plàstic abans de pintar. El paper de l'hexametildisilasà és substituir l'hidroxil hidròfil (OH) a la superfície de l'hòstia de silici per hidroxil hidrofòbic (OH) mitjançant una reacció química. OSi (CH₃)₃. Per aconseguir el propòsit del pretractament

La temperatura del pretractament del gas es controla a 200-250 graus i el temps és generalment de 30 segons. El dispositiu de pretractament de gasos està connectat a la pista d'hòsties per al processament de fotoresist, i la seva estructura bàsica es mostra a la figura 7.10.

2. Capa fotoresistent amb recobriment giratori, antireflectant

Després del pretractament del gas, cal recobrir el fotoresistent a la superfície de l'hòstia de silici. El mètode de recobriment més utilitzat és el mètode de recobriment per rotació. La fotoresistència (uns pocs mil·lilitres) es transporta primer al centre de la hòstia de silici per una canonada, i després la hòstia de silici es girarà i s'accelerarà gradualment fins que s'estabilitzi a una certa velocitat (la velocitat determina el gruix de la cola, i el gruix és inversament proporcional a l'arrel quadrada de la velocitat). Quan la hòstia de silici s'atura, la seva superfície està bàsicament seca i el gruix és estable a una mida predeterminada. La uniformitat del gruix del recobriment hauria d'estar dins de ±20Å ("Å, pronunciat "angstrom", és una unitat de longitud en física de partícules. 1Å és igual a
m, que és una dècima part d'un nanòmetre) a 45 nm o més nodes de tecnologia avançada. Normalment, hi ha tres components principals de la fotoresistència, la resina orgànica, el dissolvent químic i el compost fotosensible (PAC).

La fotoresistència detallada es tractarà al capítol sobre la fotoresistència. Aquesta secció només tracta la dinàmica de fluids bàsica. El procés de recobriment es divideix en tres passos:

① Transport de fotoresist;
② Accelereu la rotació de la hòstia de silici fins a la velocitat final;
③ Gireu a una velocitat constant fins que el gruix s'estabilitzi al valor preestablert;
El gruix final del fotoresist està directament relacionat amb la viscositat del fotoresist i la velocitat de rotació final. La viscositat del fotoresist es pot ajustar augmentant o disminuint el dissolvent químic. La mecànica de fluids de la capa giratòria s'ha estudiat acuradament.

Els alts requisits per a la uniformitat del gruix del fotoresist es poden aconseguir controlant completament els paràmetres següents:

① Temperatura de fotoresist;
② Temperatura ambient;
③ Temperatura de l'hòstia de silici;
④ Flux d'escapament i pressió del mòdul de recobriment;

Com reduir els defectes relacionats amb el recobriment és un altre repte. La pràctica demostra que l'ús del següent procés pot reduir significativament l'aparició de defectes.

(1) El material fotoresistent ha d'estar net i lliure de partícules. Abans del recobriment, s'ha d'utilitzar un procés de filtració i la mida dels porus del filtre ha de complir els requisits del node tecnològic.

(2) El fotoresistent no ha de contenir aire barrejat, perquè les bombolles provocaran defectes d'imatge. Les bombolles es comporten de manera semblant a les partícules.

(3) El disseny del bol de recobriment ha d'evitar estructuralment les esquitxades de la fotoresistent expulsada.

(4) El sistema de bombeig per lliurar fotoresist s'ha de dissenyar per poder aspirar després de cada lliurament de fotoresist. La funció de la succió posterior és aspirar l'excés de fotoresist de la boquilla cap a la canonada per evitar que l'excés de fotoresist degoteixi a la hòstia de silici o que l'excés de fotoresist s'assequi i provoqui defectes granulars durant el següent lliurament. L'acció d'aspiració posterior ha de ser ajustable per evitar que l'excés d'aire entri a la canonada.

(5) Desenganxament de les vores de l'hòstia (vora El dissolvent utilitzat en el procés d'eliminació de comptes (EBR) ha d'estar ben controlat. Durant el procés de recobriment de rotació de les hòsties de silici, el fotoresistent fluirà cap a la vora de l'hòstia de silici i des de la vora de la hòstia de silici a la part posterior de l'hòstia de silici a causa de la força centrífuga es formarà un cercle de residus de fotoresistents en forma de perla a causa de la seva tensió superficial, tal com es mostra a la figura 7.11 Si no s'elimina, aquest cercle de perles es pelarà i formarà partícules després de l'assecat, i caurà sobre l'hòstia de silici, l'eina de transport d'hòsties de silici i l'equip de processament d'hòsties de silici, provocant, a més, un augment de la taxa de defectes. el residu de fotoresist a la part posterior de l'hòstia de silici s'adhereix a la plataforma de l'hòstia de silici (mandril de l'hòstia), provocant una mala adsorció de l'hòstia de silici, provocant un desenfocament de l'exposició i augmentant els errors de superposició. Normalment, s'instal·la un dispositiu d'eliminació de vores equips de recobriment. La funció d'eliminar el fotoresistent a una certa distància de la vora de l'hòstia de silici s'aconsegueix fent girar l'hòstia de silici a la vora de l'hòstia de silici (un broquet a la part superior i un altre a la part inferior, i la posició del broquet de la vora de la hòstia de silici és ajustable).

(6) Després d'un càlcul acurat, es va trobar que entre el 90% i el 99% de la fotoresist es va extreure de la hòstia de silici i es va malgastar. La gent ha intentat pretractar la hòstia de silici abans de girar la fotoresist a la hòstia de silici utilitzant un dissolvent químic anomenat propilenglicol metil èter acetat (fórmula molecular CH₃COOCH(CH₃)CH₃OCH₃), PGMEA). Aquest mètode s'anomena recobriment de reducció de resistència (RRC). Tanmateix, si aquest mètode s'utilitza incorrectament, es produiran defectes. Els defectes poden estar relacionats amb l'impacte químic a la interfície RRC-photoresist i la contaminació del dissolvent RRC per amoníac a l'aire.

(7) Mantingueu la pressió d'escapament del desenvolupador o mòdul del desenvolupador per evitar que esquillin petites gotes de revelador durant el procés de desenvolupament quan es gira la hòstia de silici.

Atès que la viscositat de la fotoresist canvia amb la temperatura, es poden obtenir diferents gruixos canviant intencionadament la temperatura de l'hòstia de silici o fotoresist. Si s'estableixen temperatures diferents en diferents àrees de l'hòstia de silici, es poden obtenir diferents gruixos de fotoresist en una hòstia de silici. El gruix òptim de la resistència fotogràfica es pot determinar mitjançant la llei de l'amplada de la línia i el gruix de la fotoresistència (corba oscil·lant) per estalviar hòsties de silici, temps de màquina i materials. La discussió de les corbes de swing es tractarà en capítols posteriors. El mètode i el principi de recobriment giratori de la capa antireflectant són els mateixos.

3. Cocció prèvia a l'exposició
Després d'haver recobert el fotoresistent a la superfície de l'hòstia de silici, s'ha de coure. L'objectiu de la cocció és eliminar gairebé tots els dissolvents. Aquesta cocció s'anomena "cocció prèvia a l'exposició" o "cocció prèvia al forn" perquè es realitza abans de l'exposició. La precocció millora l'adhesió de la fotoresist, millora la uniformitat de la fotoresist i controla la uniformitat de l'amplada de la línia durant el procés de gravat. A la fotoresistència amplificada químicament esmentada a la secció 6.3, també es pot utilitzar la cocció prèvia per canviar la longitud de difusió del fotoàcid fins a cert punt per ajustar els paràmetres de la finestra del procés. La temperatura i el temps típics abans de la cocció són de 90-100 graus, uns 30 segons. Després de la cocció prèvia, l'hòstia de silici es traslladarà de la placa calenta utilitzada per coure a una placa freda per tornar-la a temperatura ambient en preparació per al pas d'exposició.

4. Alineació i exposició
Els passos després de la cocció prèvia són l'alineació i l'exposició. En el mètode d'exposició de projecció, la màscara es mou a una posició aproximada predefinida a l'hòstia de silici, o a una posició adequada en relació amb el patró existent a l'hòstia de silici, i després la lent transfereix el seu patró a l'hòstia de silici mitjançant fotolitografia. Per a l'exposició de proximitat o de contacte, el patró de la màscara estarà exposat directament a l'hòstia de silici per la font de llum ultraviolada.

Per a la primera capa de patrons, pot ser que no hi hagi cap patró a l'hòstia de silici i la màquina de fotolitografia mou la màscara en relació a la posició aproximada predefinida (mètode de diferenciació de xip) a l'hòstia de silici (depenent de la precisió de col·locació lateral de l'hòstia de silici). a la plataforma de la màquina de fotolitografia, generalment entre 10 i 30 μm).

Per a la segona capa i els patrons posteriors, la màquina de fotolitografia ha d'alinear la marca d'alineació deixada per l'exposició de la capa anterior per sobreimprimir la màscara d'aquesta capa al patró existent de la capa anterior. Aquesta precisió de superposició sol ser del 25% al ​​30% de la mida mínima del patró. Per exemple, en la tecnologia de 90 nm, la precisió de la superposició sol ser de 22 a 28 nm (3 vegades la desviació estàndard). Un cop la precisió d'alineació compleix els requisits, comença l'exposició. L'energia lluminosa activa els components sensibles a la llum del fotoresistent i inicia la reacció fotoquímica. Els principals indicadors per mesurar la qualitat de la fotolitografia són generalment la resolució i la uniformitat de la dimensió crítica (CD), la precisió de la superposició i el nombre de partícules i defectes.

El significat bàsic de la precisió de superposició es refereix a la precisió d'alineació (3σ) dels gràfics entre els dos processos de fotolitografia. Si la desviació d'alineació és massa gran, afectarà directament el rendiment del producte. Per a les màquines de fotolitografia de gamma alta, els proveïdors d'equips generals proporcionaran dos valors per a la precisió de la superposició, un és l'error de superposició de dues vegades d'una mateixa màquina i l'altre és l'error de superposició entre dos dispositius (dispositius diferents).

5. Cocció postexposició
Un cop finalitzada l'exposició, cal tornar a coure el fotoresistent. Com que aquesta cocció és després de l'exposició, s'anomena "cocció posterior a l'exposició", abreujada com a cocció posterior a l'exposició (PEB). El propòsit de la postcocció és completar completament la reacció fotoquímica mitjançant l'escalfament. Els components fotosensibles generats durant el procés d'exposició es difondran sota l'acció de l'escalfament i reaccionaran químicament amb el fotoresist, canviant el material fotoresistent que era gairebé insoluble en el líquid revelador en un material que és soluble en el líquid revelador, formant patrons que són solubles. en el líquid revelador i insoluble en el líquid revelador de la pel·lícula fotoresistent.

Com que aquests patrons són coherents amb els patrons de la màscara, però no es mostren, també s'anomenen "imatges latents". Per a fotoresistències amplificades químicament, temperatures de cocció excessives o temps de cocció excessius provocaran una difusió excessiva de fotoàcids (catalitzadors de reaccions fotoquímiques), danyant el contrast de la imatge original, reduint així la uniformitat de la finestra del procés i l'amplada de la línia. En els capítols següents es farà una discussió detallada. Per mostrar realment la imatge latent, cal desenvolupament.

6. Desenvolupament
Un cop finalitzada la post-cocció, l'hòstia de silici entrarà en el pas de desenvolupament. Com que el fotoresist després de la reacció fotoquímica és àcid, s'utilitza una solució alcalina forta com a revelador. En general, s'utilitza una solució aquosa d'hidròxid de tetrametilamoni (TMAH) al 2,38% amb una fórmula molecular de (CH₃)₄NOH. Després que la pel·lícula fotoresist hagi passat pel procés de desenvolupament, les zones exposades són rentades pel revelador i el patró de la màscara es mostra a la pel·lícula fotoresist a l'hòstia de silici en forma de formes còncaves i convexes amb o sense fotoresist. El procés de desenvolupament generalment té els següents passos:

(1) Pre-spray (pre-mullat): ruixeu una mica d'aigua desionitzada (aigua DI) a la superfície de l'hòstia de silici per millorar l'adhesió del revelador a la superfície de l'hòstia de silici.

(2) Distribució del revelador (dispensació del revelador): lliura el revelador a la superfície de la hòstia de silici. Per tal que totes les parts de la superfície de l'hòstia de silici en contacte amb la mateixa quantitat de revelador tant com sigui possible, el dispensador de desenvolupadors ha desenvolupat els mètodes següents. Per exemple, utilitzeu broquets E2, broquets LD, etc.

(3) Estada de la superfície del desenvolupador (toll): després de ruixar el revelador, ha de romandre a la superfície de l'hòstia de silici durant un període de temps, generalment des de desenes de segons fins a un o dos minuts, per permetre que el revelador per reaccionar completament amb el fotoresistent.

(4) Eliminació i esbandida del revelador: després que el revelador s'hagi aturat, el revelador serà llençat i es ruixarà aigua desionitzada a la superfície de l'hòstia de silici per eliminar el revelador residual i els fragments de fotoresist residuals.

(5) Assecat per centrifugació: la hòstia de silici es fa girar a gran velocitat per escindir l'aigua desionitzada a la superfície.

7. Cocció posterior al desenvolupament, cocció pel·lícula dura
Després del desenvolupament, atès que la hòstia de silici està exposada a l'aigua, el fotoresistent absorbirà una mica d'aigua, cosa que no és bona per a processos posteriors com ara el gravat humit. Per tant, cal la cocció de pel·lícula dura per expulsar l'excés d'aigua del fotoresistent. Com que la majoria de gravats ara fan servir gravat per plasma, també conegut com a "gravat en sec", la cocció de pel·lícula dura s'ha omès en molts processos.

8. Mesurament
Un cop finalitzada l'exposició, s'ha de mesurar la dimensió crítica (Critical Dimension, abreujada CD) formada per la litografia i la precisió de la superposició (metrologia). La dimensió crítica es mesura normalment mitjançant un microscopi electrònic d'escaneig, mentre que la precisió de la superposició es mesura amb un microscopi òptic i un detector d'imatges de matriu acoblat de càrrega (CCD). El motiu d'utilitzar un microscopi electrònic d'escaneig és que l'amplada de línia en el procés de semiconductor és generalment més petita que la longitud d'ona de la llum visible, com ara 400 a 700 nm, i la longitud d'ona equivalent d'electrons del microscopi electrònic està determinada per la tensió d'acceleració del microscopi electrònic. electró. Segons els principis de la mecànica quàntica, la longitud d'ona de De Broglie d'un electró és

On h (6,626×10^-³⁴Js) és la constant de Planck, m (9,1×10^-³¹kg) és la massa de l'electró en el buit i v és la velocitat de l'electró. Si la tensió d'acceleració és V, la longitud d'ona de De Broglie de l'electró es pot escriure com

On q (1,609×10^-19c) és la càrrega de l'electró. Substituint valors numèrics, l'equació (7-7) es pot escriure aproximadament com

Si la tensió d'acceleració és de 300V, la longitud d'ona de l'electró és de 0,07 nm, que és suficient per mesurar l'amplada de la línia. En el treball real, la resolució del microscopi electrònic ve determinada per la dispersió múltiple del feix d'electrons en el material i l'aberració de la lent electrònica. Normalment, la resolució del microscopi electrònic és de desenes de nanòmetres i l'error de mesurar la dimensió de la línia és d'entre 1 i 3 nm. Tot i que la precisió de la superposició ha assolit el nivell nanomètric, ja que la mesura de la superposició només requereix la capacitat de determinar la posició central de la línia més gruixuda, es pot utilitzar un microscopi òptic per mesurar la precisió de la superposició.

La figura 7.12 (a) és una captura de pantalla de la mesura de la mida presa per un microscopi electrònic d'escaneig. Les línies dobles blanques i les fletxes relatives de la figura representen la mida de l'objectiu. El contrast d'imatge del microscopi electrònic d'escaneig està format per l'emissió i la recollida d'electrons secundaris generats pel bombardeig electrònic. Es pot veure que es poden recollir més electrons secundaris a la vora de la línia. En principi, com més electrons es recullin, més precisa serà la mesura. Tanmateix, com que no es pot ignorar l'impacte del feix d'electrons sobre la fotoresistència, la fotoresistència es reduirà després de la irradiació del feix d'electrons, especialment la fotoresistència de 193 nm. Per tant, esdevé molt important establir un equilibri entre la mesurabilitat i la mínima interrupció.

La figura 7.12 (b) és un diagrama esquemàtic típic de mesura de superposició, en què el gruix de la línia és generalment d'1 a 3 μm, la longitud del costat del marc exterior és generalment de 20 a 30 μm i la longitud del costat del marc interior és generalment de 10 a 20 μm . En aquesta figura, els diferents colors o contrastos que mostren els marcs interior i exterior es deuen a les diferències de color i contrast de la llum reflectida provocades pels diferents gruixos de les diferents capes de pel·lícules primes. La mesura de la superposició s'aconsegueix determinant la diferència espacial entre el punt central del marc interior i el punt central del marc exterior. La pràctica ha demostrat que, sempre que es proporcioni una intensitat de senyal suficient, fins i tot un microscopi òptic pot aconseguir una precisió de mesura d'aproximadament 1 nm.

Finestra del procés de litografia i mètode d'avaluació de la integritat del patró

Marge d'energia d'exposició, pendent logarítmica de la imatge normalitzada (NILS)

A la secció 2, es va esmentar que el marge d'energia d'exposició (EL) es refereix a la desviació màxima permesa de l'energia d'exposició dins del rang permès de variació de l'amplada de línia. És un paràmetre bàsic per mesurar el procés de litografia.

La figura 7.13 (a) mostra la variació del patró de la litografia amb l'energia d'exposició i la distància focal.

La figura 7.13 (b) mostra un patró de prova de distribució bidimensional amb diferents energies i distàncies focals exposades en una hòstia de silici. És com una matriu i també s'anomena Focus-Exposure Matrix (FEM).

Aquesta matriu s'utilitza per mesurar la finestra de procés del procés de fotolitografia en un o diversos patrons, com ara el marge d'energia i la profunditat del focus. Si s'afegeixen patrons de prova especials a la màscara, la matriu Focus-Energy també pot mesurar altres paràmetres de rendiment relacionats amb el procés i l'equip, com ara diverses aberracions de la lent de la màquina de litografia, llum dispersa (flare), factor d'error de màscara, difusió de fotoàcids. longitud de la fotoresist, sensibilitat de la fotoresist, precisió de fabricació de la màscara, etc.

A la figura 7.13 (a), el gràfic gris representa la morfologia de la secció transversal de la fotoresist (fotoresist positiu) després de l'exposició i el desenvolupament. A mesura que l'energia d'exposició continua augmentant, l'amplada de la línia es fa cada cop més petita. A mesura que canvia la distància focal, també canvia la morfologia vertical del fotoresist. Primer parlem del canvi amb energia. Si la distància focal es selecciona com a -0.1μm, és a dir, el pla focal projectat es troba 0.1μm per sota de la part superior de la fotoresistència. Si l'amplada de la línia es mesura a mesura que canvia amb l'energia, es pot obtenir una corba tal com es mostra a la figura 7.14.

Si seleccionem la tolerància total del CD de l'amplada de línia com a ± 10% de l'amplada de línia de 90 nm, és a dir, 18 nm, i el pendent de l'amplada de línia que canvia amb l'energia d'exposició és de 6,5 nm/(mJ/cm²), i l'energia d'exposició òptima és 20 (mJ/cm²), aleshores el marge d'energia EL és 18/6,5/{9}},8%.

És suficient? Aquesta pregunta està relacionada amb factors com la força de la màquina de litografia, la capacitat de control de la producció del procés i els requisits del dispositiu per a l'amplada de línia. El marge d'energia també està relacionat amb la capacitat del fotoresistent per preservar la imatge espacial. En termes generals, als nodes de 90 nm, 65 nm, 45 nm i 32 nm, el requisit EL per a la litografia de capa de porta és del 15% al ​​20% i el requisit EL per a la capa de cablejat metàl·lic és d'entre un 13% i un 15%.

El marge d'energia també està directament relacionat amb el contrast de la imatge, però la imatge aquí no és la imatge espacial de la lent, sinó la "imatge latent" després de la reacció fotoquímica del fotoresistent. L'absorció de llum per la fotoresistència i l'aparició de reaccions fotoquímiques requereixen la difusió de components sensibles a la llum a la pel·lícula de fotoresist. La difusió necessària per a aquesta reacció fotoquímica reduirà el contrast de la imatge. El contrast es defineix com

Entre ells, U és la intensitat de llum equivalent de la "imatge latent" (en realitat la densitat del component sensible a la llum).

Per a línies denses, si el període espacial P és inferior a λ /NA, la seva intensitat lumínica equivalent a la imatge espacial U(x) ha de ser una ona sinusoïdal, tal com es mostra a la figura 7.15, que es pot escriure com

Segons la definició d'EL, combinada amb la fórmula (7-10), tal com es mostra a la figura 7.16, EL es pot escriure com la següent expressió, és a dir,

Per a una línia i un espai iguals, CD=P/2. Hi ha una expressió més concisa i intuïtiva, és a dir

És a dir, si dCD utilitza el CD general del 10%, aleshores el contrast és aproximadament igual a 3,2 vegades l'EL. El pendent de la fórmula (7-11) és

També s'anomena pendent de registre d'imatges (ILS). A causa de la seva relació directa amb el contrast d'imatge i EL, també s'utilitza com a paràmetre important per mesurar la finestra del procés de litografia. Si es normalitza, és a dir, es multiplica per l'amplada de la línia, es pot obtenir el pendent de registre d'imatge normalitzat (NILS), tal com es defineix a la fórmula (7-15), és a dir,

Generalment, U (x) es refereix a la imatge espacial projectada per la lent a la fotoresist, que aquí es refereix a la "imatge latent" després de la reacció fotoquímica de la fotoresist. Per a línies denses amb igual espaiat, CD=P/2, i el període espacial P és menor que λ/NA, NILS es pot escriure com

Per exemple, per a un procés de memòria de 90nm, l'amplada de línia CD és igual a 0,09μm, si el contrast és del 50% i el període espacial és de 0,18μm, aleshores el NILS és 1,57.

Profunditat de focus (mètode d'anivellament)

La profunditat d'enfocament (DOF) fa referència al rang màxim de variació de la distància focal dins del rang permès de variació de l'amplada de línia. Tal com es mostra a la figura 7.13, la fotoresistència no només canviarà d'amplada de línia sinó també de morfologia a mesura que canviï la distància focal. En termes generals, per a fotoresistències amb alta transparència, com ara fotoresistències de 193 nm i fotoresistències de 248 nm amb alta resolució, quan el pla focal de la màquina de fotolitografia està en un valor negatiu, el pla focal està a prop de la part superior de la fotolitografia; quan la relació d'aspecte és superior a 2.5-3, a causa de l'amplada de línia gran a la part inferior de la fotoresistent, es pot produir fins i tot un "recort", que pot provocar inestabilitat i inclinació mecànica. Quan el pla focal té un valor positiu, a causa de l'amplada de línia gran a la part superior de la ranura del fotoresistent, les cantonades quadrades de la part superior s'arrodoniran (arrodoniment superior). Aquest "arrodoniment superior" es pot transferir a la morfologia del material després del gravat, de manera que s'han d'evitar tant el "recort" com l'"arrodoniment".

Si es dibuixen les dades d'amplada de línia de la figura 7.13, s'obtindrà una corba d'amplada de línia en funció de la distància focal a diferents energies d'exposició, tal com es mostra a la figura 7.17.

La variació de l'amplada de línia amb la distància focal sota una energia d'exposició de 16, 18, 20, 22, 24 també s'anomena gràfic de Poisson.

Si el rang de variació admissible de l'amplada de línia està limitat a ±9 nm, la variació màxima de la distància focal admissible a l'energia d'exposició òptima es pot trobar a la figura 7.17. No només això, perquè en el treball real, tant l'energia com la distància focal canvien al mateix temps, com ara la deriva de la màquina de litografia, cal obtenir el rang de variació màxim admissible de la distància focal sota la condició de deriva energètica. Com es mostra a la figura 7.17, es pot utilitzar un cert rang de variació admissible de l'amplada de línia EL, com ara ±5% com a estàndard (EL=10%), per calcular l'interval de variació de distància focal màxim permès, que està entre 19 i 21 mJ/cm2. Les dades EL es poden representar en funció del rang de distància focal admissible, tal com es mostra a la figura 7.18. Es pot trobar que en el procés de 90nm, sota l'interval de variació del 10% EL, el rang màxim de profunditat de focus és d'uns 0,30 μm.

És suficient? En termes generals, la profunditat d'enfocament està relacionada amb la màquina de fotolitografia, com ara la precisió del control de l'enfocament, inclosa l'estabilitat del pla focal de la màquina, la curvatura del camp de la lent, l'astigmatisme, la precisió d'anivellament i la planitud de la plataforma d'hòsties de silici. . Per descomptat, també està relacionat amb la planitud de la pròpia hòstia de silici i el grau de reducció de la planitud causada pel procés d'aplanament químic-mecànic. Per a diferents nodes tecnològics, els requisits típics de profunditat d'enfocament es mostren a la Taula 7.1.

Com que la profunditat d'enfocament és tan important, l'anivellament, una part important de la màquina de litografia, és molt crític. El mètode d'anivellament més utilitzat actualment a la indústria és determinar la posició vertical z de l'hòstia de silici i els angles d'inclinació R_xi R_y
en direcció horitzontal mesurant la posició del punt de llum reflectit per la llum incident obliqua a la superfície de l'hòstia de silici, tal com es mostra a la figura 7.19.

El sistema real és molt més complicat, incloent com separar la z independent, R_x, i Ry. Com que aquests tres paràmetres independents s'han de mesurar simultàniament, un feix de llum no és suficient (només hi ha dos graus de llibertat per al desplaçament lateral) i es requereixen almenys dos feixs de llum.

A més, si cal detectar z, R_x, i R_yen diferents punts de la zona d'exposició o escletxa, cal augmentar el nombre de punts de llum. En general, per a una àrea d'exposició, hi pot haver fins a 8 a 10 punts de mesura. Tanmateix, aquest mètode d'anivellament té les seves limitacions. Com que s'utilitza llum incident obliqua, com ara un angle d'incidència de 15 graus a 20 graus (o un angle d'incidència de 70 graus a 75 graus en relació a la direcció vertical de la superfície de l'hòstia de silici), per a superfícies com ara fotoresist i diòxid de silici amb un índex de refracció de la llum blanca d'aproximadament 1,5, només entre un 18% i un 25% de la llum es reflecteix cap enrere, tal com es mostra a la figura 7.20, i l'altre aproximadament entre un 75% i un 82% de la llum que entra al detector penetrarà a la superfície del medi transparent. . Aquesta part de la llum transmesa continuarà propagant-se fins que trobi un medi opac o un medi reflectant, com ara silici, polisilici, metall o un medi d'índex de refracció elevat, com el nitrur de silici, i després es reflecteix.

Per tant, la "superfície" realment detectada pel sistema d'anivellament estarà en algun lloc per sota de la superfície superior del fotoresistent. Com que el final de la línia (BEOL) té principalment una capa d'òxid relativament gruixuda, com ara diversos diòxids de silici, hi haurà una certa desviació de la distància focal entre el final de la línia (FEOL) i la part posterior, generalment entre 0.05 i 0,20 μm, depenent del gruix del medi transparent i de la reflectivitat del medi opac. Per tant, a la part posterior, el patró de disseny del xip ha de ser el més uniforme possible; en cas contrari, a causa de la distribució desigual de la densitat del patró, provocarà errors d'anivellament, que introduirà una compensació d'inclinació incorrecta i provocarà un desenfocament.

En general, hi ha dues maneres d'anivellament de màquines de fotolitografia:

(1) Mode pla: mesura l'alçada de diversos punts de l'àrea d'exposició o de tota la hòstia de silici i, a continuació, trobeu el pla segons el mètode dels mínims quadrats;

(2) Mode dinàmic (exclusiu per a màquines de fotolitografia d'escaneig): mesura dinàmicament l'alçada de diversos punts de l'àrea de la ranura escanejada i, a continuació, compensa contínuament al llarg de la direcció d'escaneig. Per descomptat, és important saber que la retroalimentació de l'anivellament s'aconsegueix movent la plataforma d'hòsties de silici cap amunt i cap avall i inclinant-la al llarg de la direcció no d'escaneig. La seva compensació només pot ser macroscòpica, generalment a nivell mil·limètric. A més, en la direcció no d'escaneig (direcció X), només es pot processar segons la inclinació de primer ordre, i qualsevol curvatura no lineal (com la curvatura del camp de la lent i la deformació de les hòsties de silici) no es pot compensar, tal com es mostra a la figura 7.21. .

En mode dinàmic, algunes màquines de litografia també poden aturar la mesura d'anivellament per a zones d'exposició incompletes (trets) o àrees d'encenall a la vora de l'hòstia de silici (una àrea d'exposició amb un màxim de
pot contenir moltes àrees de xip, anomenades matriu), i utilitzeu les dades d'exposició o d'anivellament de l'àrea de xip al seu voltant per a l'epitaxia per evitar errors de mesura causats per una desviació excessiva d'alçada i una capa de pel·lícula incompleta a la vora de l'hòstia de silici. A les màquines de litografia ASML, aquesta funció s'anomena "Circuit Dependent Focus Edge Clearance" (CDFEC).

Hi ha diversos factors principals que afecten la profunditat d'enfocament: obertura numèrica del sistema, condició d'il·luminació, amplada de línia del patró, densitat del patró, temperatura de cocció del fotoresistent, etc. Com es mostra a la figura 7.22, segons l'òptica d'ona , a la millor distància focal, tots els raigs de llum convergents al focus tenen la mateixa fase;

Tanmateix, a la posició desenfocada, els raigs de llum que passen per la vora de la lent i els raigs de llum que passen pel centre de la lent recorren diferents camins òptics, i la seva diferència és (FF′- OF′). Quan augmenta l'obertura numèrica, la diferència del camí òptic també augmenta i la intensitat de la llum focal real al punt de desenfocament es fa més petita o la profunditat d'enfocament es fa més petita. En condicions d'il·luminació de llum paral·lela, la profunditat de focus (Rayleigh) ve donada generalment per la fórmula següent, és a dir,

On θ és l'angle màxim d'obertura de la lent, corresponent a l'obertura numèrica NA. Quan NA és relativament petit, es pot escriure aproximadament com

Es pot veure que quan el NA és més gran, la profunditat d'enfocament és menor i la profunditat d'enfocament és inversament proporcional al quadrat de l'obertura numèrica.

No només l'obertura numèrica afecta la profunditat d'enfocament, sinó també les condicions d'il·luminació. Per exemple, per a gràfics densos i el període espacial és inferior a λ /NA, la il·luminació fora de l'eix augmentarà la profunditat d'enfocament. Aquesta part es tornarà a parlar a la secció 7.1 de la secció 7 amb il·luminació fora de l'eix. A més, l'amplada de línia dels gràfics també afectarà la profunditat d'enfocament. Per exemple, la profunditat d'enfocament dels gràfics petits és generalment més petita que la dels gràfics gruixuts. Això es deu al fet que l'angle d'ona de difracció dels gràfics petits és relativament gran i l'angle entre la seva convergència en el pla focal és relativament gran. Com s'ha esmentat anteriorment, la profunditat d'enfocament serà menor. A més, la temperatura de cocció del fotoresistent també afectarà la profunditat de focus fins a cert punt. Una cocció posterior a l'exposició (PEB) més alta provocarà la mitjana del contrast de la imatge espacial en la direcció vertical (Z) dins del gruix de la fotoresistència, donant lloc a una major profunditat d'enfocament. Tanmateix, això es fa a costa de reduir el contrast màxim de la imatge.

Factor d'error de màscara

El factor d'error de màscara (MEF) o el factor de millora d'error de màscara (MEEF) es defineix com la derivada parcial de l'amplada de línia exposada a l'hòstia de silici respecte a l'amplada de la màscara. El factor d'error de la màscara és causat principalment per la difracció del sistema òptic i es farà més gran a causa de la limitada fidelitat del fotoresistent a la imatge espacial. Els factors que afecten el factor d'error de la màscara inclouen les condicions d'il·luminació, les propietats de la resistència fotogràfica, les aberracions de la lent de la màquina de litografia, la temperatura posterior al forn (PEB), etc. En l'última dècada, hi ha hagut molts informes sobre la investigació de factors d'error de màscara a la literatura. A partir d'aquests estudis, es pot veure que com més petit és el període espacial o com més petit és el contrast de la imatge, més gran és el factor d'error de la màscara. Per als patrons que són molt més grans que la longitud d'ona d'exposició, o en l'anomenat rang lineal, el factor d'error de la màscara sol ser molt proper a 1. Per als patrons que són propers o més petits que la longitud d'ona, el factor d'error de la màscara augmentarà significativament. . Tanmateix, excepte en els casos especials següents, el factor d'error de màscara no és generalment inferior a 1:

(1) La litografia lineal que utilitza una màscara de canvi de fase alterna pot produir un factor d'error de màscara significativament inferior a 1. Això es deu al fet que la intensitat de llum mínima en la distribució del camp de la imatge espacial és causada principalment per la mutació de fase de 180 graus generada per la zona de fase adjacent. . Canviar l'amplada de la línia metàl·lica a la màscara a la mutació de fase té poc efecte sobre l'amplada de la línia.

(2) El factor d'error de la màscara serà significativament inferior a 1 a prop de la petita estructura de compensació en la correcció de l'efecte de proximitat òptica. Això es deu al fet que els petits canvis en el patró principal no es poden identificar de manera sensible pel sistema d'imatge amb una resolució limitada causada per la difracció.

Normalment, per a patrons estesos espacialment com ara línies o solcs i forats de contacte, el factor d'error de la màscara és igual o superior a 1. Com que la importància del factor d'error de la màscara rau en la seva relació amb l'amplada de la línia i el cost de la màscara, esdevé molt important limitar-lo a un rang reduït. Per exemple, per a la capa de porta amb requisits d'uniformitat d'amplada de línia extremadament elevats, normalment es requereix que el factor d'error de la màscara es controli per sota d'1,5 (per a processos de 90 nm i més amples).

Fins fa poc, l'obtenció de dades sobre factors d'error de màscara requeria simulació numèrica o mesura experimental. Per a la simulació numèrica, aconseguir un cert grau de precisió requereix confiar en l'experiència en l'establiment de paràmetres de simulació. Si es requereix informació sobre la distribució dels factors d'error de la màscara a tot l'espai de paràmetres de la litografia, aquests mètodes trigaran molt de temps a utilitzar-se. De fet, per a la imatge de línies o solcs denses, el factor d'error de màscara té una expressió analítica aproximada en teoria. En condicions especials que el període espacial p és inferior a λ /NA i l'amplada de la línia és igual a l'amplada de la ranura, en condicions d'il·luminació anular, l'expressió analítica es pot simplificar i escriure de la següent forma, és a dir ,

+, - són aplicables a solcs i línies, respectivament. Entre ells, σ és el paràmetre de coherència parcial (0＜σ ＜1), és el factor de transmissió d'amplitud a la màscara de desplaçament de fase atenuada (p. ex., per a una màscara atenuada del 6%, és 0.25 ), n és l'índex de refracció de la fotoresistència (generalment entre 1,7 i 1,8) i a és la longitud de difusió de fotoàcids equivalent sota el model de llindar (depenent dels diferents nodes tecnològics, normalment de 5 a 10 nm durant 32 a nodes de 45 nm a 70 nm per a nodes de 0,18 a 0,25 μm).

Per a la màscara de canvi de fase alterna (Alt-PSM), MEF té una expressió més senzilla, és a dir

Entre ells, el període espacial 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.

Si es coneixen tots els paràmetres excepte la longitud de difusió del fotoàcid a la fórmula (7-21), la longitud de difusió del fotoàcid es pot obtenir ajustant les dades experimentals. Els resultats mostren que després de 40 segons de post-cottura, la longitud de difusió del fotoàcid d'un determinat tipus de fotoresistència de 193 nm és de 27 nm; després de 60 segons de post-cottura, la longitud de difusió es converteix en 33 nm. I a causa de la precisió de les dades, la precisió de mesura de la longitud de difusió del fotoàcid és de ± 2 nm. Aquest és un ordre de magnitud superior a la precisió dels mètodes de mesura anteriors, tal com es mostra a la figura 7.24. El factor d'error de la màscara també es pot utilitzar per calcular els requisits de l'amplada de la màscara per a la uniformitat de l'amplada de la línia, així com la configuració de les regles d'espaiat dels gràfics bidimensionals en la correcció de l'efecte de proximitat òptica. Per a un gràfic bidimensional amb extrems de línia escurçats, tal com es mostra a la figura 7.25, mitjançant el càlcul d'una funció de dispersió de punts simple i un cert grau d'aproximació de la difusió del fotoàcid, es pot obtenir una fórmula gairebé analítica per a l'efecte de proximitat òptica de l'extrem de línia. obtingut, és a dir,

On PSF és la funció de dispersió del punt, el subíndex "D" representa la difusió del fotoàcid, a representa la longitud de difusió del fotoàcid, n=1, 2 correspon a condicions d'il·luminació coherents i incoherents i

Uniformitat de l'amplada de línia

La uniformitat de l'amplada de línia en els processos de semiconductors es divideix generalment en: àrea de xip, àrea de tir, àrea d'hòsties, àrea de lot i àrea de lot a lot. Els factors que afecten la uniformitat de l'amplada de la línia i l'anàlisi general del rang d'impacte es mostren a la taula 7.2. A la taula 7.2 podem trobar que:

1) En general, els problemes causats per les màquines de litografia i les finestres de procés tenen un gran impacte.

(2) Els problemes causats per errors de fabricació de màscares o efectes de proximitat òptica es limiten generalment a l'àrea d'exposició.

(3) Els problemes causats pel recobriment o el substrat es limiten generalment a la hòstia de silici.

Els dispositius CMOS generalment requereixen una uniformitat d'amplada de línia d'aproximadament ±10% de l'amplada de línia. Per a portes, la precisió general del control és de ±7%. Això es deu al fet que en els processos per sota del node de 0,18 μm, generalment hi ha un procés de gravat de "recort" d'amplada de línia després de la litografia i abans del gravat, que redueix encara més l'amplada de la línia de la litografia a l'amplada de la línia del dispositiu, o prop de l'amplada de la línia del dispositiu, que és generalment el 70% de l'amplada de la línia de la litografia. Com que el control de l'amplada de la línia del dispositiu és de ± 10%, l'amplada de la línia de litografia es converteix en ± 7%.

Hi ha moltes maneres de millorar la uniformitat de l'amplada de la línia de litografia, com ara compensar la distribució d'energia d'exposició a la distribució d'il·luminació de la màquina de litografia en funció dels resultats de la mesura de la uniformitat de l'exposició a l'àrea d'exposició. Aquesta compensació es pot aconseguir a dos nivells. Es pot compensar en les constants de la màquina, que és aplicable a totes les condicions d'il·luminació, o es pot compensar en la subrutina d'exposició (seguint un determinat programa d'exposició). D'aquesta manera, es pot orientar amb precisió a un determinat nivell amb estrictes requisits d'uniformitat. També es pot millorar analitzant la causa principal de l'amplada desigual de la línia de la litografia. Per exemple, un problema típic és la influència de la diferència d'alçada causada per l'estructura del procés sobre el substrat de l'hòstia de silici en la uniformitat de l'amplada de la línia de la porta. Per exemple, la uniformitat de l'amplada de la línia local (variació local de CD, LCDV) de la capa de porta que es parla a [6] es deteriorarà a causa de la fluctuació d'alçada del substrat. Aquesta fluctuació es mostra a la figura 7.28.

Els canvis d'amplada de línia causats per la diferència d'alçada es mostren a la figura 7.29 i la figura 7.30. Es pot veure que a mesura que la diferència d'alçada disminueix gradualment, l'amplada de la línia disminueix gradualment fins a un valor estable.

1. Millora de la uniformitat de l'amplada de línia a la zona d'encenalls o a la zona gràfica
Com que hi ha molts factors que afecten aquest rang, només es discuteixen alguns mètodes principals.

(1) Milloreu la finestra del procés i optimitzeu-la.

Per a gràfics densos, es pot utilitzar la il·luminació fora de l'eix per millorar tant el contrast com la profunditat d'enfocament, i les màscares de canvi de fase es poden utilitzar per millorar el contrast;

Per a gràfics aïllats, es poden utilitzar tires de dispersió de subdifracció (SRAF) per millorar la profunditat d'enfocament dels gràfics aïllats;

Per als gràfics semi-aïllats, és a dir, el període espacial és inferior al doble del període espacial mínim i una mica més gran que el període espacial mínim, la finestra del procés aquí arribarà a un estat gairebé difícil, també conegut com a "tot prohibit", com es mostra. a la figura 7.31

Com es pot veure a la figura 7.31, en relació amb el període espacial mínim de 310 nm, l'amplada de la línia baixa de 130 nm a uns 90 nm prop del període de 500 nm. Això (no es mostra aquí) també implica una disminució significativa del contrast i de la profunditat d'enfocament. La prohibició del període espacial és causada per la necessitat de mantenir una amplada de línia mínima fixa en la litografia de circuits lògics, la qual cosa provoca una manca de contrast greu en la imatge d'espaiament no igual en diferents períodes espacials o patrons adjacents. És causat principalment per la il·luminació fora de l'eix que imposa limitacions als gràfics semidensos. En general, la il·luminació fora de l'eix només té una gran ajuda durant el període d'espai mínim, però té un cert impacte negatiu en els anomenats gràfics "semidensos" en el període d'espai mínim i 2 vegades el període d'espai mínim. Per millorar la finestra del procés durant l'anomenat període prohibit, l'angle fora de l'eix de la il·luminació fora de l'eix s'ha de reduir adequadament per aconseguir un rendiment equilibrat d'uniformitat d'amplada de línia.

(2) Millorar la precisió i la fiabilitat de la correcció de l'efecte de proximitat òptica.

El procés bàsic de correcció de l'efecte de proximitat òptic és: en establir el model, primer dissenyeu alguns gràfics de calibratge a la màscara de prova, tal com es mostra a la figura 7.32. A continuació, s'obté la mida del patró de la fotoresist a l'hòstia de silici exposant l'hòstia de silici i, a continuació, es calibra el model (es determinen els paràmetres rellevants del model) i es calcula la quantitat de correcció al mateix temps. Després, en funció de la similitud entre el gràfic real i el gràfic de calibratge, es corregeix segons el model.

La precisió de la correcció de l'efecte de proximitat òptica depèn dels factors següents: precisió de mesura de l'amplada de línia de l'hòstia de silici, precisió de l'ajust del model i la racionalitat i fiabilitat de l'algoritme de correcció del patró del circuit del model, com ara el mètode de mostreig (fragmentació), la densitat del punt de mostreig Select, mida de pas correcta, etc. Per als models de fotoresistència, generalment hi ha models de llindar simples que inclouen la difusió gaussiana (model de llindar amb difusió gaussiana) i models de resistència de llindar variable. El primer suposa que el fotoresistent és un interruptor de llum. Quan la intensitat de la llum arriba a un cert llindar, la velocitat de dissolució de la fotoresist en el revelador canvia de sobte. El segon es deu a la desviació del primer de les dades experimentals. Aquest últim creu que el fotoresistent és un sistema complex, i el seu llindar de reacció està relacionat amb la intensitat màxima de la llum i el gradient de la intensitat màxima de la llum (que provocarà la difusió direccional de l'agent fotosensible), i pot ser una relació no lineal. I aquest últim també pot descriure algunes desviacions de l'amplada de la línia de gravat en patrons densos a aïllats. Per descomptat, aquest tipus de model no pot mostrar físicament la imatge física de manera molt clara. En termes generals, la imatge física del model de llindar més la difusió gaussiana és molt clara, i la gent l'utilitza més, especialment en el desenvolupament de processos i el treball d'optimització de processos. Pel que fa a la correcció de l'efecte de proximitat òptic, ja que és necessari construir un model precís d'uns pocs nanòmetres en molt poc temps, afegir alguns paràmetres addicionals el significat físic dels quals no es pot explicar clarament és inevitable i també és una mesura temporal.

Per descomptat, a mesura que el procés de fotolitografia continua desenvolupant-se, el model de correcció de l'efecte de proximitat de la fotolitografia continuarà evolucionant i absorbint paràmetres amb significats físics. Per augmentar la precisió del model, podeu ampliar la representativitat dels gràfics de mesura augmentant el nombre de punts de mesura (com ara de 3 a 5 vegades), és a dir, millorant els gràfics de calibratge (calibre), tal com es mostra a la figura 7.32. Els mateixos gràfics de disseny de circuits es troben a Correlacions i similituds en formes geomètriques. Durant el procés d'ajustament del model, intenteu utilitzar paràmetres físics i retorneu els errors d'ajust a l'enginyer de litografia perquè els analitzi per eliminar possibles errors. La correcció de l'efecte de proximitat òptic es tractarà en profunditat en un altre capítol.

(3) Optimitzar el gruix de la capa antireflex.

A causa de la diferència d'índex de refracció (valors n i k) entre la fotoresist i el substrat, part de la llum d'il·luminació es reflectirà des de la interfície entre la fotoresist i el substrat, provocant interferències amb la llum d'imatge incident. Quan aquesta interferència és greu, fins i tot pot produir un efecte d'ona estacionària, com es mostra a la figura 7.33 (c). La figura 7.33 (c) mostra la secció transversal de la fotoresistència i-line de 365 nm o 248 nm. Com que la distància entre els pics de l'ona estacionària és la meitat de la longitud d'ona i l'índex de refracció n de la fotoresistent és generalment d'entre 1,6 i 1,7, segons el nombre de pics (~10), es pot deduir. que el gruix del fotoresist és d'uns 0,7 a 1,2 μm. El gruix de la fotoresistència de 193 nm sol ser inferior a 300 nm. Per eliminar la llum reflectida a la part inferior de la fotoresistència, generalment s'utilitza un recobriment antireflectant inferior (BARC), tal com es mostra a la figura 7.34 (a). A la figura 7.34 (a), s'afegeix una interfície després d'afegir la capa inferior antireflex. La fase de la llum reflectida entre la capa antireflex i el substrat es pot ajustar ajustant el gruix de la capa antireflex per compensar la llum reflectida entre la capa fotoreflex i la capa antireflex, eliminant així la llum reflectida a la part inferior del fotoresistent. Per a la capa antireflexió, si s'ha d'aconseguir una antireflexió estricta a un gruix d'aproximadament 1/4 de longitud d'ona, l'índex de refracció n de la capa antireflex s'ha d'ajustar amb precisió perquè estigui entre n_Substrati n_{Fotoresistent}del substrat, és a dir,

(4) Optimitzeu el gruix i la corba d'oscil·lació del fotoresistent

Fins i tot amb la capa antireflex inferior, encara hi haurà una certa quantitat de llum residual reflectida des de la part inferior de la fotoresistent. Aquesta part de la llum interferirà amb la llum reflectida de la part superior de la fotoresist, tal com es mostra a la figura 7.35 (a) i la figura 7.35 (b). A mesura que canvia el gruix de la fotoresistència, la fase de "llum reflectida 0" i "llum reflectida 1" canvia periòdicament, provocant així interferències. La redistribució de l'energia per interferència farà que l'energia que entra al fotoresist canviï periòdicament a mesura que canvia el gruix del fotoresist, de manera que l'amplada de la línia canviarà periòdicament a mesura que canvia el gruix del fotoresist, tal com es mostra a la figura 7.35 (b). En general, hi ha diverses maneres de resoldre el problema de la fluctuació de l'amplada de línia amb el gruix de la resistència fotogràfica:

Optimitzeu el gruix i l'índex de refracció de la capa antireflex (seleccioneu una capa antireflectant adequada)
Seleccioneu dues capes antireflexos (generalment una d'elles és una capa antireflex inorgànica, com ara l'oxinitrur de silici SiON)
Afegiu un recobriment antireflex superior (Top ARC, TARC) per eliminar la llum reflectida a la part superior del fotoresistent
No obstant això, afegir una capa antireflecta farà que el procés sigui més complicat i car. Quan la finestra del procés encara és acceptable, generalment es selecciona el gruix amb l'amplada de línia més petita. Això es deu al fet que quan el gruix de la resistència fotogràfica canvia, l'amplada de la línia es farà més gran, no més petita, de manera que la finestra del procés es fa molt més petita.

2. Altres mètodes per millorar la uniformitat de l'amplada de línia
Millorar la uniformitat de la il·luminació de la ranura, l'aberració, la distància focal i el control d'anivellament, la precisió de la sincronització de la plataforma i la precisió del control de la temperatura de la màquina de litografia; millorar la uniformitat de l'amplada de la línia de la màscara; millorar el substrat i reduir la influència del substrat en la litografia (incloent-hi l'augment de la profunditat d'enfocament i la millora de la capa anti-reflex). Entre ells, la secció 4.2 esmentava que augmentar la uniformitat del patró de disseny és propici per millorar la precisió de l'anivellament i augmentar la profunditat de focus. La rugositat de la vora del patró generalment és causada pels factors següents:

(1) La rugositat inherent del fotoresist: està relacionada amb el pes molecular del fotoresist, la distribució de mida del pes molecular i la concentració del generador de fotoàcids (PAG).

(2) El contrast de la taxa de dissolució de desenvolupament de fotoresist amb l'augment de la intensitat de la llum: com més pronunciat sigui el canvi de la velocitat de dissolució amb la intensitat de la llum prop de l'energia llindar, menor serà la rugositat causada pel desenvolupament parcial.

(3) Sensibilitat de la fotoresistència: com menys depèn la fotoresistència de la cocció posterior a l'exposició (PEB), més probable serà la rugositat de l'amplada de la línia. La cocció posterior a l'exposició pot eliminar algunes irregularitats.

(4) Contrast o marge d'energia de la imatge fotolitogràfica: com més gran és el contrast, més estreta serà la zona on es desenvolupa la vora del patró i menor serà la rugositat. Generalment s'expressa per la relació entre la rugositat de l'amplada de la línia i el pendent del registre de la imatge (ILS).

Per a les fotoresistències amplificades químicament, cada molècula de fotoàcid generada per la reacció fotoquímica experimentarà una reacció catalítica de desprotecció dins d'un rang de longitud de difusió amb el punt de generació com a centre del cercle i el radi com a radi. En termes generals, per a les fotoresistències de 193 nm, la longitud de difusió està en el rang de 5 a 30 nm. Com més llarga sigui la longitud de difusió, millor serà la rugositat del patró quan el contrast de la imatge no canvia. Tanmateix, a prop del límit de resolució, com ara a prop del mig pas de 45 nm, un augment de la longitud de difusió provocarà una disminució del contrast de la imatge espacial i una disminució del contrast de la imatge espacial també comportarà un augment de la rugositat del patró.

La velocitat de dissolució de la fotoresistent canvia generalment d'un nivell molt baix a un nivell molt alt de manera gradual a mesura que canvia la intensitat de la llum. Si aquest canvi de pas és més pronunciat, es reduirà l'anomenada àrea de "desenvolupament parcial", és a dir, l'àrea de transició al mig del canvi de pas, reduint així la rugositat del patró. Per descomptat, un excés de contrast de dissolució també afectarà la profunditat d'enfocament. Per a algunes fotoresistències de 248 nm i 365 nm, un contrast de desenvolupament lleugerament menor pot estendre la profunditat de focus fins a cert punt, tal com es mostra a la figura 7.36.

Com més gran sigui la sensibilitat del fotoresistent, més curta serà la longitud de difusió del fotoàcid (com més gran és la fidelitat de la imatge aèria i més alta és la resolució), perquè aquests fotoresists generalment depenen menys de la cocció posterior a l'exposició, cosa que pot conduir fins a un cert grau. de la rugositat del patró. Tanmateix, si augmenta la concentració del generador de fotoàcids al mateix temps, aquesta situació es pot millorar. Millorar el contrast de la imatge fotoresist pot reduir la rugositat del patró, tal com es mostra a la figura 7.37.

La rodonesa dels forats i vies de contacte és similar a la rugositat del patró. També està relacionat amb la difusió del fotoàcid, la concentració de fotoàcid, el contrast d'imatge espacial i el contrast del desenvolupament del fotoresistent. No els parlarem un per un aquí.

Morfologia fotoresist

Les anomalies en la morfologia del fotoresist inclouen l'angle d'inclinació de la paret lateral, l'ona estacionària, la pèrdua de gruix, la base inferior, la incisió inferior, la part superior en T, l'arrodoniment superior, la rugositat de l'amplada de la línia, la relació d'aspecte/abocament del patró, el residu inferior, etc. Les comentarem un per un. , tal com es mostra a la figura 7.38.

Angle de la paret lateral: això és generalment perquè la llum que entra a la part inferior de la fotoresistent és més feble que la llum de la part superior (a causa de l'absorció de la llum per part de la fotoresist). La solució és generalment reduir l'absorció de llum per part del fotoresistent alhora que augmenta la sensibilitat del fotoresistent a la llum. Això es pot aconseguir augmentant l'addició de components fotosensibles i augmentant l'efecte catalític dels fotoàcids en la reacció de desprotecció (reacció de difusió-catàlisi). L'angle de la paret lateral tindrà un cert impacte en el gravat i, en casos greus, l'angle de la paret lateral es transferirà al material del substrat gravat.

Ona estacionària: l'efecte d'ona estacionària es pot resoldre amb eficàcia afegint una capa antireflex i augmentant adequadament la difusió del fotosensibilitzant (com ara augmentant la temperatura o el temps de postcocció per augmentar la difusió dels fotoàcids).

Pèrdua de gruix: atès que la part superior de la fotoresist rep la llum més forta i la part superior està exposada al major revelador, el gruix de la fotoresist es perdrà fins a cert punt un cop finalitzat el desenvolupament.

Base: la base inferior és generalment causada pel desequilibri àcid-base entre el fotoresistent i el substrat (com la capa antireflexió inferior). Si el substrat és relativament alcalí o hidròfil, el fotoàcid es neutralitzarà o s'absorbirà al substrat, provocant que la reacció de desprotecció a la part inferior del fotoresist es vegi compromesa. La solució a aquest problema és generalment augmentar l'acidesa del substrat, augmentar la temperatura de cocció prèvia a l'exposició del fotoresistent i la capa antireflectant, per limitar la difusió del fotoàcid al fotoresist i al substrat. Tanmateix, limitar la difusió també afectarà altres propietats, com ara la rugositat del patró, la profunditat de focus, etc.

Sotada: a diferència de la base inferior, la socavació es deu a la major acidesa a la part inferior de la fotoresist, i la reacció de desprotecció a la part inferior és més alta que la d'altres llocs. La solució és exactament la contrària de l'anterior.

T-topping: el T-topping és causat pels components alcalins (bases) de l'aire de la fàbrica, com ara l'amoníac, l'amoníac (amoníac) i els compostos orgànics d'amina (amina), que penetren a la part superior del fotoresistent i neutralitzen part del fotoàcid, donant lloc a una amplada de línia local més gran a la part superior i, en casos greus, provocarà l'adhesió de la línia. La solució és controlar estrictament el contingut d'àlcali de l'aire a l'àrea de fotolitografia, normalment menys de 20 ppb (parts per mil milions), i intentar escurçar el temps des de l'exposició fins al retard posterior a l'exposició.

Arrodoniment superior: generalment, la intensitat de la llum irradiada a la part superior del fotoresistent és relativament gran. Quan el contrast de desenvolupament de la fotoresist no és molt elevat, aquesta part de la llum augmentada donarà lloc a un augment de la velocitat de dissolució, fent que la part superior s'arrodoni.

Rugositat de l'amplada de línia: la rugositat de l'amplada de línia s'ha comentat abans.

Relació d'aspecte/col·lapse del patró: es parla de la relació d'aspecte perquè durant el procés de desenvolupament, el revelador, l'aigua desionitzada, etc. generarà tensió lateral formada per la tensió superficial en el patró de fotoresist després del desenvolupament, tal com es mostra a la figura 7.39. Per als patrons densos, ja que la tensió a ambdós costats és aproximadament la mateixa, el problema no és massa gran. Tanmateix, per al patró a la vora del patró dens, si la relació d'aspecte és gran, estarà subjecte a tensió unilateral. Juntament amb la pertorbació de la rotació a alta velocitat durant el procés de desenvolupament, el patró pot col·lapsar-se. Els experiments mostren que una relació alçada-amplada superior a 3:1 és generalment més perillosa.

Escombrant: el motiu de l'escuma és generalment que el fotoresistent inferior no absorbeix prou llum, donant lloc a un desenvolupament parcial. Per tal de millorar la resolució de la fotoresist, s'ha de minimitzar la longitud de difusió del fotoàcid i es redueix la uniformitat del desenvolupament espacial causada per la difusió del fotoàcid. D'aquesta manera, augmenta la rugositat de l'espai. En general, la part inferior es pot reduir optimitzant les condicions d'il·luminació, el biaix de l'amplada de la línia de la màscara i la temperatura i el temps de cocció per millorar el contrast de la imatge espacial i augmentar l'exposició per unitat d'àrea.

Precisió d'alineació i superposició

L'alineació fa referència al registre entre capes. En termes generals, la precisió de la superposició entre capes ha d'estar al voltant del 25% ~ 30% de la mida crítica (mida mínima) de l'hòstia de silici. Aquí parlarem dels següents aspectes: procés de superposició, paràmetres i equacions de superposició, marques de superposició, equips i problemes tècnics relacionats amb la superposició i processos que afecten la precisió de la superposició.
El procés de superposició es divideix en la producció de marques d'alineació de la primera capa (o capa frontal), alineació, solució d'alineació, compensació de la màquina de fotolitografia, exposició, mesura de precisió de superposició després de l'exposició i càlcul de la següent ronda de compensació d'alineació, tal com es mostra a la figura 7.40. . L'objectiu de la superposició és maximitzar la superposició de les coordenades de l'hòstia de silici amb la plataforma d'hòstia de silici (és a dir, les coordenades de la màquina de fotolitografia). Per a la part lineal, hi ha quatre paràmetres: translació (T_x, T_y), al voltant de l'eix vertical (Z), rotació (R) i augment (M). Es pot establir la següent relació entre el sistema de coordenades de l'hòstia de silici (X_w, Y_w) i el sistema de coordenades de la màquina de fotolitografia (X_M, Y_M):

X_M=T_X+M[X_{W cos}(R)-Y_{W pecat} (R)]