劉維維，尤 春，季書(shū)鳳，胡 超

（無(wú)錫中微掩模電子有限公司，江蘇無(wú)錫 214135）

1 引言

近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的快速發(fā)展，器件尺寸不斷縮小，器件集成度越來(lái)越高，根據(jù)摩爾定律，晶體管的數(shù)量每18個(gè)月就要翻一番[1]，這對(duì)光刻技術(shù)提出了更高的要求。而光刻技術(shù)的提高離不開(kāi)掩模，器件尺寸的不斷縮小對(duì)應(yīng)掩模上的芯片圖形關(guān)鍵尺寸首先要縮小。這對(duì)掩模條寬要求越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)掩模條寬控制精度的要求也越來(lái)越高，條寬偏差（CD MTT,mean to target）為評(píng)價(jià)掩模的關(guān)鍵指標(biāo)之一。根據(jù)ITRS Road，65 nm掩模關(guān)鍵尺寸CD MTT需控制在±5.2 nm內(nèi)[2]。為了滿(mǎn)足嚴(yán)格的偏差控制，工藝造成的條寬偏差需要全程監(jiān)控并需采取措施以減小。相移掩模是在一般二元掩模中增加一層相移材料（MoSiN），相比二元掩模制作過(guò)程更為復(fù)雜[3]。從基板材料、刻畫(huà)圖形、曝光、顯影、鉻層蝕刻到相移層蝕刻等均會(huì)對(duì)掩模CD MTT產(chǎn)生影響，制程條件的變化以及材料的不穩(wěn)定都會(huì)對(duì)條寬控制帶來(lái)不利影響，也增加了CD MTT的控制難度。因此，建立新的工藝過(guò)程，確定準(zhǔn)確的CD MTT控制方法，減少影響CD MTT的因素，在制備過(guò)程中對(duì)CD進(jìn)行修正，對(duì)實(shí)現(xiàn)CD MTT的精確控制至關(guān)重要。Naoya Hayashi等通過(guò)研究顯影后CD與最終CD的關(guān)系，進(jìn)而改變蝕刻條件來(lái)控制CD MTT至±15 nm，但蝕刻工藝穩(wěn)定性限制了對(duì)CD MTT的進(jìn)一步控制[4-5]。Ho Yong Jung等通過(guò)研究蝕刻時(shí)間與CD之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)CD MTT進(jìn)行修正，有效地將CD MTT控制至±3 nm[6]。

本文建立了相移掩模CD MTT控制過(guò)程，在相移掩模制作前期對(duì)CD MTT進(jìn)行有效修正，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)CD的精確控制，顯著降低相移掩模的CD MTT誤差。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 設(shè)備與材料

實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備有：電子束曝光機(jī)（型號(hào)Leica SB350），德國(guó)Vistec公司；等離子蝕刻機(jī)（型號(hào)Unaxis GⅢ），美國(guó)Plasma公司；電子掃描電鏡（型號(hào)S-7840M），日本HOLON公司。

實(shí)驗(yàn)使用材料有：二元基板（型號(hào)SHQ 6025 1C NTAR7 FEP171），Hoya株式會(huì)社；相移掩?；澹ㄐ吞?hào)AXQ 6025 1T K63A-NTAR7 FEP171-UMF），Hoya 株式會(huì)社。

2.2 相移掩模制備

相移掩模制作流程為曝光→顯影→金屬鉻刻蝕→去膠→相移層蝕刻→涂膠→二次曝光→二次顯影→二次蝕刻→去膠→量測(cè)→檢驗(yàn)→修補(bǔ)→清洗→貼膜等，具體見(jiàn)圖1。

圖1 相移掩模制作流程圖

3 結(jié)果與討論

3.1 光刻膠對(duì)CD測(cè)量的影響

本研究中，確定產(chǎn)生CD偏差的工藝步驟以及對(duì)CD偏差進(jìn)行校正的一個(gè)重要因素是選擇可靠的CD測(cè)量步驟。在相移掩模制作過(guò)程中，可對(duì)顯影后、蝕刻后以及去膠后3個(gè)步驟的CD進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，圖2顯示了3個(gè)步驟CD量測(cè)10次的測(cè)量結(jié)果，可見(jiàn)去膠后測(cè)量值最穩(wěn)定，測(cè)量誤差控制在1 nm以?xún)?nèi)；顯影后以及蝕刻后CD值變化較大，經(jīng)分析是由于量測(cè)過(guò)程中電子掃描電鏡（CD SEM）電子束對(duì)光刻膠的損壞造成的。由此可見(jiàn)，帶膠圖形CD測(cè)量很容易受到掃描電子束的影響，因而顯影后、蝕刻后CD測(cè)量結(jié)果無(wú)法用于CDMTT修正工藝，修正過(guò)程應(yīng)選用去膠后的CD測(cè)量值。

圖2 工藝CD量測(cè)穩(wěn)定性

3.2 加蝕刻工藝研究

為了評(píng)估CD修正工藝的可行性，使用二元掩模對(duì)去膠后的掩模金屬層進(jìn)行加蝕刻，通過(guò)評(píng)估加蝕刻時(shí)間對(duì)CD MTT、CD均勻性（CDU）的影響，確定修正工藝的可行性。圖3為CD變化量與加蝕刻時(shí)間之間的關(guān)系圖，其中量測(cè)圖形為520 nm白區(qū)圖形。從圖中可以看出，CD隨著加蝕刻時(shí)間的增加而線(xiàn)性增加，由此可精確控制加蝕刻時(shí)間達(dá)到對(duì)CDMTT誤差的控制。

圖3 CD變化量與加蝕刻時(shí)間關(guān)系圖

圖4 、5表明去膠后加蝕刻時(shí)間對(duì)CDU的影響，其中CDU量測(cè)數(shù)據(jù)為：量測(cè)面積100 000 μm×100 000 μm，11×11設(shè)計(jì)值為520 nm線(xiàn)條。從圖中可以看出，隨著加蝕刻時(shí)間的延長(zhǎng)，CDU變化范圍在5nm以?xún)?nèi)，由此可見(jiàn)加蝕刻對(duì)CDU的影響不大。

圖4 加蝕刻對(duì)CDU的影響

圖5 加蝕刻時(shí)間5 s時(shí)CDU圖示

3.3 CD MTT修正工藝研究

通過(guò)研究二元掩模加蝕刻對(duì)CD MTT、CDU及受圖形密度的影響，可見(jiàn)通過(guò)對(duì)去膠后CD進(jìn)行監(jiān)控，配合加蝕刻工藝，可精確控制金屬層CD，從早期控制過(guò)程CD MTT，達(dá)到提高PSM CD MTT精準(zhǔn)度的目的。修正工藝流程見(jiàn)圖6。

圖6 修正工藝流程圖

通過(guò)對(duì)過(guò)程CD即金屬層CD進(jìn)行監(jiān)控，推算需加蝕刻的時(shí)間；通過(guò)金屬層保護(hù)工藝，包括涂膠、曝光、顯影對(duì)金屬層進(jìn)行保護(hù)，繼而根據(jù)所計(jì)算出的加蝕刻時(shí)間對(duì)金屬層選擇性地進(jìn)行二次蝕刻。通過(guò)該修正過(guò)程消除過(guò)程CD誤差，使最終MoSiN CD精確控制在預(yù)期CD范圍內(nèi)。

本研究中的修正工藝通過(guò)控制去膠前工藝步驟不變，將影響PSM CD主要的6個(gè)因素減少至2個(gè)控制因素：加蝕刻工藝以及MoSiN蝕刻工藝。通過(guò)加蝕刻工藝對(duì)去膠前工藝造成的CD偏差進(jìn)行修正，減少影響CD偏差的因子從而增加CD的可控性。

為了確定修正工藝對(duì)PSM掩模CDU的影響，研究中通過(guò)多次試驗(yàn)對(duì)無(wú)修正和進(jìn)行修正后的PSM掩模CDU進(jìn)行對(duì)比，兩者最大偏差為3 nm（見(jiàn)圖7），可見(jiàn)對(duì)金屬鉻進(jìn)行加蝕刻對(duì)CDU基本無(wú)影響，同時(shí)確定該工藝穩(wěn)定性也很好。

圖7 無(wú)修正以及進(jìn)行修正PSM掩模CDU對(duì)比

由于掩模圖形復(fù)雜多變，有些圖形為密集圖形，有的則為孤立圖形，為了保證修正工藝的可靠性，研究中對(duì)無(wú)修正和修正后的PSM掩模密集區(qū)、孤立圖形區(qū)的CD偏差進(jìn)行比較（見(jiàn)圖8），同樣可見(jiàn)對(duì)金屬鉻進(jìn)行加蝕刻CD偏差變化在3 nm以?xún)?nèi)，從而確定加蝕刻工藝受圖形類(lèi)型影響不大。

蝕刻過(guò)程中，圖形負(fù)載率對(duì)CD的影響較大，本文對(duì)圖形負(fù)載率對(duì)CD的影響進(jìn)行研究。圖9為在不同圖形密度條件下，CD變化值與加蝕刻時(shí)間之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)該條件的研究，確定了各圖形密度下CD變化值與加蝕刻時(shí)間的線(xiàn)性擬合方程，該方程CD偏差在±2 nm范圍內(nèi)。

圖8 密集區(qū)圖形與孤立區(qū)圖形CD偏差

圖9 不同負(fù)載率圖形CD變化量與加蝕刻時(shí)間關(guān)系

研究中，將經(jīng)過(guò)工藝修正的PSM CD MTT與未經(jīng)過(guò)修正的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示，可見(jiàn)在PSM掩模制備過(guò)程中，使用本文提出的CD修正方法是可行的，能有效地將PSM CD MTT控制在±2.5 nm以?xún)?nèi)。

圖10 PSM掩模有/無(wú)修正工藝CD MTT比較

4 結(jié)論

本文研究了一種通過(guò)修正CD誤差實(shí)現(xiàn)精確控制PSM掩模CD MTT的方法。在PSM制作工藝中，影響CD的因素很多，從基板材料到干法工藝均會(huì)對(duì)CD MTT產(chǎn)生影響。因此減少CD MTT產(chǎn)生的因素，通過(guò)有效手段對(duì)CD MTT加以修正以滿(mǎn)足愈發(fā)嚴(yán)格的CD要求是十分必要的。本研究通過(guò)對(duì)去膠前、后CD量測(cè)可靠性進(jìn)行評(píng)估，采用控制去膠前工藝步驟不變、將影響PSM CD的6個(gè)主要因素減少至2個(gè)控制因素的研究思路，確定了CD修正工藝。在相移層蝕刻前去金屬層CD進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)評(píng)估計(jì)算對(duì)金屬層進(jìn)行加蝕刻，實(shí)現(xiàn)對(duì)PSM CD MTT的精確控制，最終可將CD MTT控制在±2.5 nm以?xún)?nèi)。