程天风 | ||||||||||||||||||||
（ASML 阿斯麦光刻设备有限公司） | ||||||||||||||||||||
摘要：针对次100nm的生产,ASML 研发了一个新光刻系统,其中克服了许多底k1解晰度的挑战。其中包含0.85NA双载具193nm TWINSCAN的设计、性能与一些初步的量测数据。80nm的生产必须要有多方面的量测与控制来达到高准确度的线宽（CD)与对准（Overlay)的要求水平。本机台拥有高成熟度的双载具平台，稳定的系统动态质（MSD)，一惯性的光量递输等功能，幷包含了一个内建侦测回送系统来自动调控投影镜的像差(aberrations)，来达到的影像保真度。 关键词：光刻系统；投影；影像；对准 中图分类号：TN305 文献标识码：B 文章编号：1003-353X(2004)02-0007-05 1前言 193nm波长光刻技术在近五年内有显著的进步，台ArF的扫描分步机应用0.63NA于1999年推出，促使早期的研发与试产项目。之后ArF基础逐渐成熟使业界开始应用193nm扫描分步机来进行量产重要层曝光，因而ArF已经成为100nm和之后的先进设计的重点科技。 2002年ITRS的路径图中显示出在短期内光刻技术的解晰度需求会以每年10nm的速度缩减，表1中显示从2003年的半周期100nm开始到2006年的70nm。在这段期间ArF波长是所有主要半导体产品族群，包括DRAM，MPU，和ASIC/LP，可被通用的科技选项。 2系统介绍 本系统组合了高产能双载具的TWINSCAN的平台和Carl Zeiss (CZO)的第三代ArF投影镜，它含有一个新的、193nm，4倍缩小，0.60-0.85NA可调度NA的Starlith 投影镜，连接到一个新品AERI AL II高弹性。高透明度的照明光源，幷加上一个超窄频宽多频率控调的20W ArF准分子激光。系统的双载具提供200mm、300mm晶圆幷行运作而达到的产能。其它机台特性包括载具动力控制，对焦和对准同步量测平行处理，和光量控制的改善，幷加上多弹性的投影镜瞳孔调控，与内建的空间影像量测仪幷调控器可调到的镜片像差和杂光。这些功能都必须应用到系统上来达到80nm工艺中所需求的低k1影像的效果。 3 投影 半导体线宽控制是由许多因素影响的，这些因素有独立的也有相互关联的。若是以蚀刻后检验（AEI）来看，曝光机之外的因数有如掩模版上线宽的不均匀， 晶圆表层的高低地势，光刻胶涂布的不均匀等，此外涂胶机，腐蚀机，CD量测机各有可能有系统性或非系统性的误差。任何一个因素都可导制致命性的影响，曝光机当然本身也具有影响CD的因素： 3.1 载具动力 以一个扫描分步机来看，晶圆载具和掩模版载具的定位测量可以显示。载具在1比4的速度以反方向来复的运行，在任何时候载具与载具之间必须要非常准确的保持相对的位置。载具的震动使其偏移可以被定义为动向的基本偏差值。MSD会损坏从投影镜形成的空间影像的对比，因此焦距和曝光量井深缩小使得CD失控。的摸拟显示出MSD 对一般线宽CD控制的影响。目前本机台在快的扫描速度以109个曝光区分布300mm晶圆上来测量到的MSDx和MSDy，足够控制CD均匀度小于0.1nm （3σ）。 3.2 曝光量 ASML介绍一个新的测试：光量系统性能测量，我们用现有的光能探测仪，所谓的spot sensor，来测量整个曝光场和在时间上的光量差别。在整个30分钟的量测里面我们5和100mj/cm2的能量反复的在曝光场里不同的位置上测试,显示了我们测验光隙均匀度的节果。表2列出一个用30mj/cm2能量，在NA＝0.85,σo/σi＝0.88/0.58的设定下，曝光场区内和整批25片曝光的光量差别。我们将所有的误差加起来当作差的情况的估计，假设这加数等于是3σ值，那么所量到的 0.68％会导致在80nm独立线宽上不到1.0nm（3σ）的曝光场区内的CD误差。 3.3 曝光镜瞳孔 是目前ASML现有机台的多项选择的照明方式，各方式都保持接近照明能量来确保无产量消减。如今我们加增了照明相干变化幅度，例如应用High Sigma DOE设定可达0.96的σouter，窄的圈圆可达到0.2（NA＝0.85）。如用Low Sigma DOE，的σ可达到0.263（Conventional）。我们的AERIAL II照明系统更改良了光隙区长的相干值的均匀度，现有量测到的偏差可以低于0.001（NA＝0.85，s＝0.34）。 AERIAL II照明系统也开始提供瞳孔自动调整功能，显示一个σo/σi＝0.93/0.69（NA＝0.85）的调整分布，图左显示调整前，图中和图右显示不同横竖差值的调整（H/V Delta）。我们利用此法做了一个稠密８０nm线与隙的曝光实验（NA＝0.85， σo/σi＝0.88/0.58），起先的横竖差值接近1.18nm，然后系统自动的挑选了四个调位设置来继续H/V差值量测，结果显示在。我们可以用直线型数据介入来得到H/V等于零的线宽控制。 3.4 对焦和平坦控制 Rayleigh第二方程式表示光学焦聚井深（DOF）是数据孔径平方的对比，但在实际情况里可达到的焦聚井深是除了NA之外还受曝光波长，照明源的形状，线宽与周期，和光刻胶的对比度等影响。因此曝光机必须在所给的范围内控制焦聚，如要曝一个Binary Mask的单一80nm线，在不用辅助纠正图形下，整体焦聚必须控制在 300nm的空间内。其中的因素是晶圆和掩模板的不平坦度，而光刻机引起的因素是以平坦控制误差和光像平面偏差。 我们用一个布满ASML对准标和非平面楔型镜片来测量平坦控制功能（Leveling Verification Test）。所示，楔型镜片主要目的是引用非平行光源，促使影像成像的主光轴与像面不成垂直。如果我门测量从有楔型镜片曝出的对准标的位置和没有楔型镜片曝出的对准表的位置，其差别可被换算为焦聚误差。我们用LVT掩模版实验了许多机台以每片晶圆布满87个曝光场，每场55点的测量来得到本系统机型的焦聚误差功能，3σ参数分布图如所示。 光像平面偏差(Image Plane Deviation)像散（Astigmatism）在ASML光刻机上一般是用FO CAL程序来测量的，FOCAL应用200nm线与隙组合成的8mm对准标在先进光刻领域已经不符合测验低于100nmIPD的水平,所以我们发展了一个新的程序。我们增加了曝光镜的像差数据,与FO CAL 所量测的数据来计算IPD和Astigmatism。和13显示80nm的数据，而我们可以从看到掩模载具在扫描时增加了一些对IPD的额外影响，整体系统IPD包括投影镜和机械系统，共是34nm。 3.5 投影镜像差 0.85NA的投影镜是蔡司第三代的ArF曝光镜，显示每一代在光学像差数据的改进，比较第二代，0.85NA镜头有将近25 ~30％，比较1999年的193nm镜头则有接近70％的改进。 为了完全测量整体波面的偏差，我门NA ArF系统增加了内建的光学干扰仪--ILIAS，可达到高度的准确性和重复性来量到Zernike像差Z5和以上的参数。这些参数可以用到系统组合，验收投影镜头，模拟器件设计，甚至于用来监视镜片在量产时的稳定情况。显示镜头中所有像差参数分布在整个光隙区，表3列出全波面的RMS，像差数 RMS（Z5-Z37），全波面RMS包含了所有的Zernike37个参数，和余数就是经常被定义为近距离失落光（Straylight）。RMS族群是以相同Zernike光线纹多项式各体组合而定义的。如球面型RMS（spherical）如下: 3.6失落光 一般采用的测试失落光(Straylight)的方法是基于方块光刻胶消失现象，ASML介绍一个新方法,称为SAMOS。区别是SAMOS不需要光刻胶或晶圆处理，而且是高速和全自动化运作。和18显示0.75NA与0.85NA镜头的比较，是以两种方法，SAMOS和方块光刻胶两种方法测量的比较。可以很清楚的看出0.85NA相当大的改进。 4 影像 有用的光刻系统是指其实际曝出的影像。下列表显示所用的工艺。 4.1 CD控制 表5，和20显示单一线80nm的结果，用的是Binary Mask，无辅助图形。曝光设定是NA＝0.70，so /si＝0.75/0.45，工艺参数是上表内的B行。全晶圆CD数据是经过≤6次方的多项方程式演算处理，将低空间变数滤掉，这变数我们定义为工艺上的误差。但是掩模板的误差没有滤掉。 5 对准 半导体业界里有许多实际例子说明生产线上采用单一机台或是绑机台作法来掌控限制了对准瓶颈的良率。虽然在控制对准功效上有帮助，但是要转移更多的层次到重点机台上而增加生产成本。为了要达到80nm工艺要求，ASML的TWINSCAN平台必须达到30nm的基础。 5.1 单机对准 要达到30nm工艺对准需求，单机对准SMO）必须达到小于12nm。表6显示改进后的TWINSCAN系统，对准功能３天的测量结果。显示一批20片晶圆的对准功能，显示TWINSCAN系统优良的对准功能。 5.2 形变 整体系统的形变，或非更改的偏差（NCE）显示于，其中值是6nm。显示曝光镜对于Distortion的供献，是非常小的，小于1nm！我们也测量了在不同光源下，包含了的σ，而所得到的数据在所有的情况下均小于1nm! 6 结论 我们探讨了本系统结合的许多新的功能和改进使其达到80nm，低k1成影的需求。我们也指出系统在CD与Overlay控制上所作的供献，幷以实际数据证明系统的功能，已达到80nm生产要求。 | ||||||||||||||||||||
本文摘自《半导体技术》 | ||||||||||||||||||||
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