一種提高掩模條寬（CD）性能方法的研究

劉維維，尤 春，季書鳳，胡 超

（無錫中微掩模電子有限公司，江蘇無錫 214135）

1 引言

近年來，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，器件集成度越來越高，根據(jù)摩爾定律，晶體管的數(shù)量每18個月就要翻一番[1]，這對光刻技術(shù)提出了更高的要求。而光刻技術(shù)的提高離不開掩模，器件尺寸的不斷縮小對應(yīng)掩模上的芯片圖形關(guān)鍵尺寸首先要縮小。這對掩模條寬要求越來越嚴(yán)格，對掩模條寬控制精度的要求也越來越高，條寬偏差（CD MTT,mean to target）為評價掩模的關(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程更為復(fù)雜[3]。從基板材料、刻畫圖形、曝光、顯影、鉻層蝕刻到相移層蝕刻等均會對掩模CD MTT產(chǎn)生影響，制程條件的變化以及材料的不穩(wěn)定都會對條寬控制帶來不利影響，也增加了CD MTT的控制難度。因此，建立新的工藝過程，確定準(zhǔn)確的CD MTT控制方法，減少影響CD MTT的因素，在制備過程中對CD進(jìn)行修正，對實(shí)現(xiàn)CD MTT的精確控制至關(guān)重要。Naoya Hayashi等通過研究顯影后CD與最終CD的關(guān)系，進(jìn)而改變蝕刻條件來控制CD MTT至±15 nm，但蝕刻工藝穩(wěn)定性限制了對CD MTT的進(jìn)一步控制[4-5]。Ho Yong Jung等通過研究蝕刻時間與CD之間的對應(yīng)關(guān)系對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控制過程，在相移掩模制作前期對CD MTT進(jìn)行有效修正，從而實(shí)現(xiàn)對CD的精確控制，顯著降低相移掩模的CD MTT誤差。

2 實(shí)驗方法

2.1 設(shè)備與材料

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

實(shí)驗使用材料有：二元基板（型號SHQ 6025 1C NTAR7 FEP171），Hoya株式會社；相移掩?；澹ㄐ吞朅XQ 6025 1T K63A-NTAR7 FEP171-UMF），Hoya 株式會社。

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→檢驗→修補(bǔ)→清洗→貼膜等，具體見圖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CD測量的影響

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

圖2 工藝CD量測穩(wěn)定性

3.2 加蝕刻工藝研究

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

圖3 CD變化量與加蝕刻時間關(guān)系圖

圖4 、5表明去膠后加蝕刻時間對CDU的影響，其中CDU量測數(shù)據(jù)為：量測面積100 000 μm×100 000 μm，11×11設(shè)計值為520 nm線條。從圖中可以看出，隨著加蝕刻時間的延長，CDU變化范圍在5nm以內(nèi)，由此可見加蝕刻對CDU的影響不大。

圖4 加蝕刻對CDU的影響

圖5 加蝕刻時間5 s時CDU圖示

3.3 CD MTT修正工藝研究

通過研究二元掩模加蝕刻對CD MTT、CDU及受圖形密度的影響，可見通過對去膠后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。修正工藝流程見圖6。

圖6 修正工藝流程圖

通過對過程CD即金屬層CD進(jìn)行監(jiān)控，推算需加蝕刻的時間；通過金屬層保護(hù)工藝，包括涂膠、曝光、顯影對金屬層進(jìn)行保護(hù)，繼而根據(jù)所計算出的加蝕刻時間對金屬層選擇性地進(jìn)行二次蝕刻。通過該修正過程消除過程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控制去膠前工藝步驟不變，將影響PSM CD主要的6個因素減少至2個控制因素：加蝕刻工藝以及MoSiN蝕刻工藝。通過加蝕刻工藝對去膠前工藝造成的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PSM掩模CDU的影響，研究中通過多次試驗對無修正和進(jìn)行修正后的PSM掩模CDU進(jìn)行對比，兩者最大偏差為3 nm（見圖7），可見對金屬鉻進(jìn)行加蝕刻對CDU基本無影響，同時確定該工藝穩(wěn)定性也很好。

圖7 無修正以及進(jìn)行修正PSM掩模CDU對比

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，研究中對無修正和修正后的PSM掩模密集區(qū)、孤立圖形區(qū)的CD偏差進(jìn)行比較（見圖8），同樣可見對金屬鉻進(jìn)行加蝕刻CD偏差變化在3 nm以內(nèi)，從而確定加蝕刻工藝受圖形類型影響不大。

蝕刻過程中，圖形負(fù)載率對CD的影響較大，本文對圖形負(fù)載率對CD的影響進(jìn)行研究。圖9為在不同圖形密度條件下，CD變化值與加蝕刻時間之間的關(guān)系。通過對該條件的研究，確定了各圖形密度下CD變化值與加蝕刻時間的線性擬合方程，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變化量與加蝕刻時間關(guān)系

研究中，將經(jīng)過工藝修正的PSM CD MTT與未經(jīng)過修正的結(jié)果進(jìn)行對比，如圖10所示，可見在PSM掩模制備過程中，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以內(nèi)。

圖10 PSM掩模有/無修正工藝CD MTT比較

4 結(jié)論

本文研究了一種通過修正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對CD MTT產(chǎn)生影響。因此減少CD MTT產(chǎn)生的因素，通過有效手段對CD MTT加以修正以滿足愈發(fā)嚴(yán)格的CD要求是十分必要的。本研究通過對去膠前、后CD量測可靠性進(jìn)行評估，采用控制去膠前工藝步驟不變、將影響PSM CD的6個主要因素減少至2個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)行測量，通過評估計算對金屬層進(jìn)行加蝕刻，實(shí)現(xiàn)對PSM CD MTT的精確控制，最終可將CD MTT控制在±2.5 nm以內(nèi)。