光刻胶等效扩散长度对0.13um工艺窗口的影响

摘 要：介绍了如何通过测量得出的等效扩散长度和光刻机的照明条件来对任何光刻工艺的线宽均匀性进行评估。展示了在0.13um及以下工艺中等效扩散对能量裕度和掩模版误差因子的影响的研究结果。

关键词：等效扩散长度,像对比度,能量裕度,光刻

中图分类号：TN305.7 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2005)07-0039-04

1 引言

化学增幅光刻胶在248nm和193nm光刻工艺中被广泛应用。化学放大的过程需要光致酸在空间上扩散开来，从而实现化学放大的催化反应。由于扩散的随机性，它会使空间像的对比度下降、掩模版误差因子的升高、及能量裕度的下降。但是这种对像质的损伤在对较宽的空间周期的光刻中，如0.25um的工艺，并不易被察觉。这是因为典型光刻胶的等效扩散长度为20-60nm，相对250nm来讲并不大。在180nm甚至更先进的130nm及以下节点中，这种扩散及其产生的的效应会变得很显著。近，在半导体工业界内对如何测量和评价这种由于扩散而造成的像模糊及掩模版误差因子对线宽均匀性的影响产生了很大兴趣 [1-5]。 尽管研究如何测量这种扩散早已为业界所重视，直到近，测量手段才到使测量结果具有实用价值[1]。

2 高斯扩散下交替相移掩模版的空间像

前期研究表明，测量光致酸等效扩散的方法是使用一个对比度很高的空间像。 这是因为任何微小的对比度损失可以很容易地被探测到。所以的测量载体是使用交替相移掩模版 (Alternating phase shifting mask， Alt-PSM) 的光刻系统，如所示。此系统能够产生近100%的像对比度。光致酸的分布函数U(x, t) 的一般形式可以表示成

其中D 为扩散长度；F'为光致酸被碱基消酸剂的捕获速度。I0(x)为由光学系统所产生的空间光场分布，或空间像。对使用交替相移掩模版的光刻系统， 只考虑衍射级成像时[当空间周期 p<3pmin, pmin=l/(2NA)，l为波长， NA为数值孔径]，则I0(x) 可以写成

其中d为光刻板线宽；n为光刻胶的光学折射率。正如前面所述，由于碱基消酸剂的作用，扩散后的空间像分布的核是一个经过切割的高斯函数。因为高斯函数在离开原点后衰减得很快，我们将在以后的计算中使用全高斯函数来近似代表被切割的高斯函数。如果让等效扩散长度a = (2Dt)1/2,除掉F't, 式 (1) 可以被写成

将式（2）代入式（3），U(x) 可以被解析如下

使用阈值模型将线宽 (CD) 的表达式从式（4）中解出。让s代表式（4）中定义的空间像的光刻胶的反应阈值，CD代表硅片上测得的线宽为

因为掩模版误差因子被定义成硅片上的线宽 CD随掩模版上线宽d的变化或偏导数，从式（5）中可得

显示了式（6）所描述的函数形状。 如图所示，掩模版误差因子随空间周期的变小或扩散长度变长而变大。对使用交替相移掩模版中误差因子和扩散的关系的更加详细的研究可以在引文[1]中找到。

3 在使用黑白和透射衰减相移掩膜板时的掩膜板误差因子和等效扩散长度的关系

上述对使用交替相移掩膜板的工艺研究方法也可以延伸到使用黑白(或铬-玻璃)或透射衰减相移掩模版的工艺中。不过这种情况比前者复杂，因为计算中引入了部分相干光照明。如果图形是等间距的线和槽，而且空间周期小于l/NA，掩膜板误差因子可以写成

a 是振幅衰减因子。对一般使用的6%衰减系数，它等于0.25。式（7）中的“+”对应槽，而“-”对应线。可见当CD等于空间周期的一半，线和槽的掩模版误差因子将变得相等。对更加一般的情况，如任意的空间周期和线宽，扩散后的空间像可以有如下的形式

同时掩模版误差因子可以写成

尽管严格的f1 和 f2表达式和光照条件和空间周期有关，和扩散有关的因子可以从 f2 中分离出来，如

4 0.13um及以下工艺中等效扩散长度对空间像的关键影响

从式 (11)可知，等效扩散长度直接联系着像对比度或者能量对线宽的敏感度。而它们又直接联系着对线宽的控制能力。有了测量扩散长度的可靠方法将同时让工艺开发者和光刻胶及掩模版制造商了解在任意给定的工艺条件下对光刻胶和掩模版的要求。本文将展示通过使用以上介绍的解析方法对这种联系的研究结果。 从式(4)我们了解到，使用交替相移掩膜板所得到的对比度有以下的形式，

通过空间周期和扩散长度可以得到所需要的能量裕度。这里介绍了像对比度在使用交替相移掩模版的解析表达式（式(12)）。原则上这种方法也可以用来得到像对比度在使用透射衰减相移掩模版的解析表达式。这里略去公式，只结果。0.13mm门电路工艺中光刻胶的等效扩散长度和像对比度及掩模版误差因子的关系的计算结果分别由(a)和3(b)显示。同样的关系也可以对90nm门电路工艺算出，结果见(a)和4(b)。

通常对门电路光刻工艺，掩模版误差因子在密集线中被要求小于1.5。上述计算显示，只要光刻胶的等效扩散长度为30nm，便可以满足130nm和90nm的门电路工艺要求。对65nm光刻工艺情况有所不同：如果交替相移掩模版由于实用原因不能作为一种可能性，掩模版误差因子会变得很大。类似的计算见(a)和5(b)。对一般的193nm光刻机，如数值孔径为0.75，掩模版误差因子在180nm空间周期对20nm的胶已经达到3.3。如果全芯片线宽均匀性要求被控制在+/-4 nm之内，对4倍缩小光刻机，掩模版上线宽均匀性需要达到+/-4.8nm之内(4倍)，这对掩模版制造商来讲是一个很难实现的目标。所以对65nm的光刻工艺，还需要考虑别的方法。

不过在引入了等效数值孔径为1.1的浸没式光刻技术后，这种情况便得到改善。(a)和6(b)显示了与上面相似的计算结果。在这种新条件下，20nm光刻胶在180nm空间周期可以取得1.5以下的掩模版误差因子。

不过以上计算没有将透镜的像差考虑进去，如果考虑像差，如球差，对光刻胶的扩散长度要求会变得更加严格，因为通常球差可以造成额外的20-40nm等效扩散长度。

5 结论

研究了光刻胶等效扩散长度对248nm和193nm光刻工艺的影响，认为它对门电路的工艺窗口至关重要。要得到可靠的工艺，需要将扩散长度控制在30nm之内。