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1、课程方案参考报告提高光学光刻分辨率方法研究报告微电子工艺课程设计提供光学光刻分辨率的方法研究摘要摘要：本文首先介绍了影响分辨的主要因素，然后针对这些因素提出了提高分辨率的方法，结合影响分辨率的因素和先进的光刻技术提出一个优化的光刻工艺组合方案。该方案考虑到了大部分影响分辨率的因素，并且进行了众多参数的综合优化。在此基础上，总结了该方案的优点和不足，提出了进一步优化努力的方向。关键词关键词：分辨率、波长、数值孔径、工艺因素，综合优化引言光学光刻是IC制造的基础工艺之一，当前几乎所有的IC芯片都由光学光刻制造。光刻的原理是将对光敏感的光刻胶旋涂到硅片上，在表面形成一层薄膜；随后使用光刻版，版上包含

2、着所要制作的特定层的图形信息，光源拖过光刻版照射到光刻胶上使得光刻胶选择性地曝光；接着对光刻胶显影，于是就完成了从版图上到硅片的图形转移。对光刻技术分辨率、曝光视场、图形放置精度、产率和缺陷密度等方面的要求使得光刻成为主流微电子制造过程中最复杂、昂贵和关键的工艺。分辨率是指能精确转移到衬底表面光刻胶上的最小特征尺寸，是光学光刻工艺中重要的系统指标，提高光学光刻的分辨率对提高光学光刻的质量至关重要。正文一、提高分辨率的方法1.影响图形光刻分辨率的主要因素影响光刻分辨率的因数很多，有分辨率，知，影响分辨率的主要因素有、。要想提高分辨率，应该主要从这三个参数着手。由的表达式知，我们可以通过提高，减小

3、，减小来提高分辨率。但是由分辨率的表达式和焦深的表达式对比知，任何分辨率的提高总是伴随着聚焦深度的下降。所以为了提高光刻工艺的整体效果，有时我们需要在分辨率和聚焦深度两方面进行折中处理。为了能较深入的分析影响分辨率的因素，下面我将从光刻的工艺过程出发，将涉及到光刻分辨率的主要因素一一进行分析。1.1掩膜Mask）1.1.1掩膜版掩膜版的作用是有选择地遮挡照射到衬底表面的光电子束X 射线，以便在衬底光刻胶薄膜上形成需要转移的图形。掩膜版的材料、形状、热膨胀系数等方面的性质不一样，对分辨率的影响也不一样。例如，一种掩膜版的热膨胀系数比较大，如果把它用在温度比较高的环境中势必会引起图形较大的形变，导

4、致较大的误差。针对不同的应用要求选择合适的掩膜版对提高分辨率很重要。1.1.2掩膜尺寸的偏移掩膜尺寸的偏移会改变mask的CDcritical dimension）。Mask的CD对分辨率较大的影响。如果Mask的CD与光刻系统的要求不匹配，会使分辨率的要求在掩膜版这个级别就被阻断了，更别提其他因素的限制。1.2照明系统Illumination system）1.2.1光源的波长由知，减小可以提高分辨率。但是，减小会使DOF减小，所以选择合适的对提高光刻工艺的整体性能非常重要。光刻工艺的发展伴随着光源波长的不断减小。目前最先进的光刻物镜的数值孔径NA 己经达到0.8，曝光波长己从g 线436n

5、m）、i 线365nm）缩短到深紫外DUV）的准分子激光KrF248nm）以及真空紫外VUV）的ArF193nm）、F2 157nm）等. 目前，曝光波长为248nmKrF）、193nmArF）的准分子激光光刻已经成为主流光刻技术. 157nmF2）光刻作为小于0.10m 的光刻技术仍在研究之中.1.2.2照明系统和光轴的角度照明系统与光轴的角度会影响分辨率。由信息光学理论可知，透射光波经投影物镜成像时，高次的衍射波包含较多的掩模图形空间调制信息。投影物镜的数值孔径越大，则进入光瞳的高频部分越多，成像质量越高。然而投影物镜的数值孔径大小有限，随着图形线宽以及间距的减小，衍射现象愈加剧烈，各级衍

6、射波之间的张角越来越大。通过改变照明系统和光轴的角度，改变高频成分在总光强中的比例，从而改变了空间像的分辨率。1.2.3光照强度光照强度会影响曝光时间、光刻胶的厚度等因素，影响曝光的效果是过曝光还是欠曝光），从而影响分辨率。1.3投影Projection）1.3.1数值孔径，导致像强度分布斜率减小(即圆滑。滤液的思想不是绝对提高孔径来捕获尽可能多的高衍射级次，而是采用降低不携带任何物体信息的衍射0级或一级光的含量(即构成一个带通滤波器，从而提高高衍射级的相对含量，达到增加光强对比度的目的。采用数值孔径06波长为193nm的mF准分子激光光源，部分相干因子为03，离焦O0um的028um为周期，

7、占宽比为1：l的密集型线条曝光。图1.1中，a为光瞳函数，b为逆傅利叶变换滤波函数的透过率，c为相位分布，d为无滤波时像强度分布，共对比度为0217，e为加入a所示滤波函数时的像强度分布，其对比度接近于1，f位加入逆傅利叶变换卷积滤波函数时的像强度分布，对比度达到047。图1.1 传统的发射孔滤波和IFTCF中晶圆上的空间图像1.5成像(Image1.5.1损伤因子DEMAG）损伤因子影响版图上的元素及成像窗口和网格的大小，从而影响分辨率。1.5.2掩膜版到晶圆的距离近场菲涅尔衍射近场菲涅尔衍射：像平面靠近孔径，中间无镜头系统，光从孔径直接入射到像平面成像。接触和接近式曝光系统工作于近场Fre

8、snel 衍射区域。掩膜版与光刻胶之间没有透镜，间隙大小。Fresnel 衍射适用的间隔范围：。最小分辨/特征尺寸：。可见，改变间隔大小g可以分辨/特征尺寸，从而改变分辨率。2）远场夫琅和费衍射：远场夫琅和费衍射：像平面远离孔径，中间设置镜头捕捉和聚焦影像。如果要在像平面光刻胶）上得到孔径的像，可以采用聚焦透镜将孔径的完整信息收集并聚焦；但透镜尺寸有限，会损失一些由于衍射而在空间扩散的信息。改变g可以改变信息的损害程度，改变分辨率。1.6曝光Expose）1.6.1曝光的光波类型TE or TM）TE波是指在传播方向上有磁场分量但无电场分量，也称为横；TM波是指在传播方向上有电场分量而无磁场分

9、量，也称为横磁波。TE模和TM模PR SW光波电矢量振幅都呈现出从表面到体内震荡衰减的形式。随着传播常数的增大表面波的空间频率逐渐减小，空间周期逐渐增加，TE模和TM模具有类似的特征。对于SBN晶体，TM模比TE模从表面到体内衰减更快速是由于电光系数与间的差异导致的。因而TM模更有利于PR SW能量在表面的集中。对于TE模式PR SW光波电矢量只含有分量，对应偏振光为o光；对于TM模式PR SW光波电矢量包含、两个分量，对应偏振光为e光和o光。因此在实验上实现不同模式PR SW的激发，须采用不同的偏振光。1.6.2曝光剂量dose）曝光剂量会影响曝光时间、光刻胶的厚度等因素，影响曝光的效果是过

10、曝光还是欠曝光），从而影响分辨率。1.6.3反射的次数numrefl）和POWER.MIN由于存在驻波效应，我们可以通过控制反射的次数和反射光的最小能量来减小驻波效应的影响，从而调节分辨率。1.6.4多次曝光mult-expose）把原来一次光刻难以分辨的掩模图形交替式地分成两块掩模，每块掩模上图形的分辨率可以减少一半，减少了曝光设备分辨率的压力，同时还可以利用第二块掩模版对第一次曝光的图形进行修整。两次曝光有效地拓展了，现有曝光设备干法光刻的应用，不必等待更高的分辨率和更高数值孔径系统的出现就可以投入下一个节点产品的生产。1.7烘烤Bake）1.7.1烘烤的温度烘烤的过程对温度的要求很高，温

11、度的不同会导致烘烤的效果不同。1.7.2烘烤的时间长度烘烤的过程对时间的要求很高，时间的不同会导致烘烤的效果不同。1.8显影Develop）1.8.1显影采用的模型显影中常用的模型有MACK 、 DILL 、TREFONAS、HIRAI 、 KIM 和EIB。不同的模型并结合相应的参数配置对模拟显影的产生的效果不同，对分辨率的影响也不同的。1.8.2显影的时间显影的时间长度取决于光刻胶的厚度、材料、系统的要求等因素，会影响到显影的效果，从而影响分辨率。1.8.3光刻胶的性能1.8.3.1光刻胶性能不同光刻胶在光学、力学、化学和其他方面的性能是不一样的，对分辨率的影响也是不一样的。例如：灵敏度衡

12、量的是需要多少光才能曝光胶。g线和i线光刻胶的典型值是100mJ cm-2 。新的深紫外DUV）胶由于采用了化学增强，灵敏度达到了20-40 mJ cm-2，采用化学增强技术可以提高光刻胶的灵敏度。高灵敏可以降低胶的曝光时间，从而提高光刻工艺的产率。但过高的灵敏度会使胶材料部稳定，使胶对温度敏感，曝光过程中的噪声引起曝光量统计起伏，也会带来问题。可见选择合适灵敏度的光刻胶非常重要。1.8.3.2光刻胶的厚度当光刻胶的厚度k=1，2，3）如果光刻胶的厚度不合适，会引起驻波效应。1.9一些效应的影响1.9.1驻波效应图1.2驻波效应入射光与光刻胶下表面反射光的相长和相消干涉形成驻波，使光向侧边散射

13、，降低分辨率。驻波效应会导致光刻胶侧壁出现脊状条纹，在曝光区与非曝光区边界形成曝光强弱相间的过渡区，影响显影后所形成的图形尺寸和分辨率。入射光与光刻胶下表面反射光的相长和相消干涉形成驻波，使光向侧边散射，降低分辨率。1.9.2光学邻近效应在成像过程中，掩模图形对光波来说，相当于传播路线上的障碍。根据光的传播原理光波绕过障碍时会发生衍射和干涉现象，困此实际投射到硅片上的光强分布是衍射光波的迭加效果，光刻胶表面的图形与掩模图形并不是完全相同的。当掩模版图形尺寸远大于光源波长，亦即远大于分辨率R时，由衍射产生的图形偏差可以忽略不计，在这种情况下光刻胶膜中通过曝光形成的光刻图形与掩模版图形基本相同.然

14、而随着生产工艺的演进，光刻波长与特征尺寸两者之间的差距越来越小，所生产集成电路的特征尺寸接近曝光系统的理论分辨率极限。在这种情况下，硅片表面成像相对于原始版图出现边角圆化，线端缩短，线宽偏差等严重的不一致。这种掩模图形和硅基表面实际印刷图形之间的图形转移失真现象，一般被称之为光学邻近效应(OPE，optical proximity effects。这些图形失真现象最终将造成集成电路电学特性的偏差，从而影响最后产品的性能参数并降低集成电路的生产成品率。1.9.3曝光均匀性问题至此我们对胶的讨论，按胶具有均匀厚度来处理，而对于曝光的处理，也是按光线同一时间贯穿整个光刻胶体来进行的。事实上，在多数情

15、况下，上述假定都是不好的。图1.3示出了某些这方面的问题。请注意，图中光刻胶的厚度在整个硅片上倾向于不均匀，因为胶是作为液体旋涂在硅片上的，所以总是试图填充其下形貌的“峰和谷”。这样，曝光的过程通常也是在不同的区域遇到不用的厚度。从效果上看，较高结构顶上的胶较薄，较低结构上方的胶较厚。这就导致了一个特殊的问题，在结构薄膜边缘处，光刻胶的厚度可能发生突然变化。这些效果的结果是，在胶厚的地方，光刻胶实际上曝光不足，而在胶薄的地方，光刻胶被过曝光。这可能引起线宽变化，尤其是光刻胶图形跨越下面结构中的台阶时。图1.3 曝光过程注：空间图像中的黑色横道代表掩膜版上不透明的区域，理想情况下没有光子打到这些

16、区域的胶上。第二个问题是光刻胶所吸收的光随着胶厚度变化，同时在曝光时也随时间而改变。在曝光过程刚刚开始，假定光刻胶各处PAC的浓度均匀，随着接近光刻胶表面的PAC分子吸收光子，这些光子将不能再用于深层光刻胶曝光，所以光的浓度会随着深度下降。光强是随深入胶中的距离指数下降的，。注：这里z是表面下的深度，Io是表面处的光强，是光刻胶的光吸收系数。这样，胶的曝光首先是发生在接近表面处。2.提高分辨率的措施2.1掩膜2.1.1掩膜版从上面的分析知，选择合适的掩膜版对提高分辨率非常重要，常见的掩膜版的类型有：超微粒干版乳胶版）、金属硬面版以及一些满足特殊需要的掩模版如X 射线掩模、柔性掩模、凸起掩模和软

17、片掩模等）。在选择掩膜版的是要考虑的很多，常见的因素有掩膜版的材料、形状、热膨胀系数，机械强度等。在工程中常选择的掩模板如图2.1所示图2.1 工程中常使用的掩膜版从上往下依次是1-2um蒙膜pellicle），其作用是保护掩膜版，防止掩膜版被玷污；10-15um ；80nm ，它的溅射和刻蚀相对容易且对光线完全不透明，其用于制造掩膜图形、溅射淀积；衬底，衬底为熔融石英玻璃片，其热膨胀系数小，短波长光透射率高，且有足够的机械强度。2.1.2掩膜尺寸的偏移由前面的讨论知掩膜尺寸的偏移会影响分辨率。为了提高分辨率，我们必须对掩膜尺寸的偏移做合理地设置。一般情况下，这个值需要根据系统的要求来定，不同

18、的系统要求的值不一样。不过如果你不能很好地把握这个参数的设置，可以将其设置为默认在其他参数为标准模式下）。2.2照明系统2.2.1光源的波长由，和，在DOF保证的前提下，应尽可能选择较小的，以提高分辨率。2.2.2照明系统和光轴的角度设置照明系统和光轴的角度为合适的值可以掩膜版的光束聚焦于投影透镜入瞳或使某些高阶衍射光被捕捉，减小衍射效应的影响。这种方法不仅能够提高分辨率，而且可以明显地改善焦深。利用此性质，常用的提高分辨率的技术是离轴照明技术通过改变照明光源的形状来改变透射光场各级衍射波的方向。由信息光学理论可知，透射光波经投影物镜成像时，高次的衍射波包含较多的掩模图形空间调制信息。投影物镜

19、的数值孔径越大，则进入光瞳的高频部分越多，成像质量越高。然而投影物镜的数值孔径大小有限，随着图形线宽以及间距的减小，衍射现象愈加剧烈，各级衍射波之间的张角越来越大。在这种前提下会出现如图2.2a所示情形，由与光轴平行或夹角较小的照射光产生的透射光场经投影物镜成像时只有不包含掩模图形的任何空间调制信息的0级衍射波通过光瞳，这种情况下在硅基表面上只能得到处处相等的背景光。而在相同的条件下，与光轴夹角较大的照射光产生的透射光场经投影物镜成像时衍射波的投射情况如图2.2b所示，此时+1级或者一1级衍射波能够进入光瞳共同参与成像，使得所成空间像有一定的分辨率。图2.2 离轴照明原理示意离轴照明去除了照明

20、光中与光轴夹角较小的成分，从而使得更多的高级衍射波能够参与成像，即提高了高频成分在总光强中的比例，从而提高了空间像的分辨率。2.2.3光照强度合理地控制光强的大小能够有效地避免过曝光或欠曝光的现象，提高系统的分辨率。但是光照强度的设置应该考虑多种因素，如光照时间，光刻胶的厚度，光源波长等方面的要求。当光照强度和这些要求符合地很好时，可以大大提高系统的分辨率。由于不同系统的要求不一样，应该针对不同的系统分别考虑。2.3投影1.3的解决方案是：1）NA-1.37，水+ 平底透镜+ 石英透镜；2）NA-1.42，第二代浸入液体+ 平底透镜+ 石英透镜；3）NA-1.45，第二代浸入液体+ 弧形底透镜

21、+ 石英透镜；4）NA-1.55，第二代浸入液体+ 新型玻璃材料如CaF2或SiO2）；5）NA-1.65，第三代浸入液体+ 新型玻璃材料+ 新型光刻胶；光瞳滤波在光刻投影物镜内插入滤波片，降低不携带任何物体信息的衍射0级或一级光的含量(即构成一个带通滤渡器，从而提高高衍射级的相对含量，达到增加光强对比度的目的。(2逆傅利叶变换卷积滤波把滤波光瞳移出物镜，放置于物镜外，这样会使插入滤波片更加容易.光瞳面的逆傅利叶变换是物平面的场分布.2.5成像Image）2.5.1损伤因子DEMAG）应该尽量减小损伤因子。减小的方法很多，主要有：1）选择高质量的设备；2）合理地操作步骤；3）高质量的实验环境。

22、2.5.2掩膜版到晶圆的间隔GAP）对于接触式和接近式曝光系统，主要存在的是近场菲涅尔衍射。由最小分辨/特征尺寸，应该在满足其他的条件下尽可能的减小g。对于投影式曝光系统，减小g可以减小信息的损害程度，提高分辨率。2.6曝光Expose）2.6.1曝光的光波类型TE or TM）不同的波导的电场、磁场的分量的大小不同，且偏振光的在各方向分量也不同。我们应该根据应用来选择光导的类型。2.6.2曝光剂量dose）合理地控制曝光剂量的大小能够有效地避免过曝光或欠曝光的现象，提高系统的分辨率。但是光照强度的设置应该考虑多种因素，如光照时间，光刻胶的厚度，光源波长等方面的要求。当曝光剂量和这些要求符合地

23、很好时，可以大大提高系统的分辨率。由于不同系统的要求不一样，应该针对不同的系统分别考虑。2.6.3反射的次数numrefl）和POWER.MIN调节反射的次数和反射光最小的能量使反射到光刻胶内的光减小至1%一下，从而有效地减小驻波效应。2.6.4多次曝光的原理很简单，就是把原来一次光刻难以分辨的掩模图形交替式地分成两块掩模，每块掩模上图形的分辨率可以减少一半，减少了曝光设备分辨率的压力，同时还可以利用第二块掩模版对第一次曝光的图形进行修整。两次曝光有效地拓展了，现有曝光设备干法光刻的应用，不必等待更高的分辨率和更高数值孔径系统的出现就可以投入下一个节点产品的生产。两次曝光技术在使用中，很像移相

24、掩模技术中的位相冲突问题，需要重点解决分色冲突问题。为此还有可能需要三次曝光光刻(TPT。两次曝光技术可以是两次曝光两次刻蚀方式(1ithoetchlithoetch；也可以是第一次曝光显影后进行抗蚀剂固化处理后再涂胶进行第二次曝光显影，最后一起刻蚀的方式(1itho-processlithoetch alternatives。此外。过去经常使用的牺牲体结构侧墙技术的自对准两次成型技术(selfaligned(spacerdouble patterning也可以归入两次曝光技术中。当然，两次曝光技术也有问题，如对套刻精度要求更苛刻和生产效率降低等问题。2.7烘烤Bake）2.7.1烘烤的温度根

25、据应用合理控制烘烤温度。2.7.2烘烤的时间长度根据应用合理控制烘烤时间。2.8显影Develop）2.8.1显影采用的模型由于找到的资料有限，我对这几种模型的认识不是很清楚，只有下面一点认识：DILL 曝光模型是建立在Lambert-Beer 经验定律之上，其前提假设条件为抗蚀剂的折射率在曝光过程中保持不变，以及抗蚀剂与基底的折射率较好匹配。与薄抗蚀剂不同，光被厚层抗蚀剂吸收的特性相对更为复杂，其未能较好地符合Beer 定律假设的假设条件。通过合理地设置Dill模型的参数可以获得较好的显影效果。2.8.2显影的时间实际中在确定显影的时间应该考虑光刻胶的厚度、材料、系统的要求等因素。综合情况下

26、确定显影时间。2.8.3光刻胶的性能2.8.3.1高性能的光刻胶选择光学性质分辨率、灵敏度、对比度、折射率）、力学和化学性质固溶度、黏附性、抗蚀性、热稳定性、流动性和对环境气氛的敏感度）和其他性质纯度、金属含量、可使用范围、有效期和燃点）适中的光刻胶可以提高光刻分辨率。特别是提高光刻胶的光学性质： 1）适当提高光刻胶的分辨率光刻胶的分辨率非常重要。胶材料和工艺曝光计量、烘烤和显影周期）应当仔细地控制，以使胶中图像达到衍射极限。2）适当提高光刻胶的灵敏度灵敏度衡量的是需要多少光才能曝光胶，通常以mJ cm-2 来计量，对于g线和i线光刻胶，典型值是100 mJ cm-2 。 新的深紫外DUV）胶

27、由于采用化学增强，灵敏度达到了20-40 mJ cm-2，高灵敏度可以降低胶的曝光时间，从而提高光刻工艺的产率。不过过高的灵敏度是不合适的，因为会使胶材料不稳定，使胶对温度敏感，曝光过程中的噪声引起曝光量统计起伏，也会带来问题。3）适当提高光刻胶的对比度对比度衡量的是光刻胶区分该像的亮区和暗区的能力。衍射效应，或者还有曝光系统的其他缺陷，造成空间图像从暗到亮时并不是陡变的，对于空间图像中特征边缘的“灰”区， 光刻胶的响应可以用“对比度”来衡量，对比度参数由实验确定。对比度的定义为。其中Qo是曝光开始起作用时的剂量，Qf是曝光完全起作用时的剂量。典型的g线和i线胶，对比度达到2-3， Qf 值约

28、为100mJ cm-2。与之相比，DUV胶可达到好得多的对比对和灵敏度，这基本上是DUV中出现的化学增强，使为受到曝光状态到曝光状态的转变更为陡峭的缘故一旦反应开始，这一过程的催化反应本性，促使反应会进行到底，而不会像DUV胶那样， 胶中的PAC分子，只能被曝光期间到达的光子一个一个地曝光）。所以DUV的值，典型地可达5-10，Qf值约为20-40 mJ cm-2。对于某种特定的胶的组成，并不是一个常数。从实验中提取的值依赖于一下工艺参数：显影液化学成分，烘烤时间，曝光前和曝光后的温度、曝光波长，光刻胶涂敷于其上的硅片的表层结构。总的来说，人们希望光刻胶有更高的对比度，因为这会使显影后的胶图像有更好更陡）的台阶参见图2.3）.从直观上看，这是因为胶的高对比度，暗示着胶对空间图像的暗区和亮区的区分很“锐利”，所以说，高对比度的胶可以锐化一个不佳的空间图像。图2.3 空间图像的质量和光刻胶度必读结合起来确定胶的边缘形式的示例。左方显示了锐利的空间图像和陡峭的光刻胶边缘，右方显示了较差的空间图像，其结果是胶的边