電子束曝光鄰近效應修正研究

尤 春，劉維維

（無錫中微掩模電子有限公司，江蘇無錫 214135）

1 引言

隨著半導體工業(yè)按摩爾定律[1]的高速發(fā)展，半導體集成度不斷提高，半導體器件特征尺寸越來越小，要保證更小的特征尺寸和最小條寬(CD)必須由更高精度的曝光設備來支持，特征尺寸每提升一個節(jié)點，要求光學光刻機的分辨率提高一個檔次。根據(jù)瑞利衍射原理[2]，光刻分辨率R=k1λ/NA，其中NA為光學透鏡的數(shù)值孔徑，λ為曝光光源波長，k1為工藝系數(shù)。因而提高光刻分辨率可通過如下方式實現(xiàn)，或降低工藝參數(shù)k1，或縮短曝光光源波長λ，或增大光學透鏡數(shù)值孔徑NA，或改善光學波前工程。在以上曝光工藝路線中，不管采用傳統(tǒng)的光學光刻還是新一代光刻技術(shù)，都需要用到掩模。

電子束曝光最大的優(yōu)勢在于其高分辨率，現(xiàn)在最先進的電子束光刻系統(tǒng)可以達到1nm以下，在0.18μm以上技術(shù)節(jié)點的掩模制作中都需要用到電子束直寫技術(shù)。影響電子束曝光分辨率的一個重要因素是鄰近效應[3-6]，鄰近效應是由于高能入射電子在抗蝕劑中的散射以及在襯底上的背散射從而導致周圍非目標區(qū)域曝光的一種效應。鄰近效應會使曝光圖形模糊，尤其是在制作細小圖形時，鄰近效應對曝光圖形的影響更為突出。為了得到高分辨率的圖形，必須對鄰近效應予以修正[7]。Eisenmann H等使用抗蝕劑曝光劑量自動協(xié)調(diào)的鄰近效應修正技術(shù)，通過對圖形不同部位使用不同劑量的曝光能量，對內(nèi)鄰近效應、相互鄰近效應進行校正，最終使得不同圖形曝光效果一致[8]。LEE S Y等利用累積分布函數(shù)模擬計算曝光圖形各關鍵點接收到的有效曝光劑量，通過模擬結(jié)果對圖形不同部位的曝光劑量進行校正，從而實現(xiàn)對鄰近效應的修正[9]。

2 鄰近效應及產(chǎn)生機制

電子束曝光鄰近效應是入射電子在抗蝕劑和襯底中的散射所造成的，散射使電子偏離原來的入射方向，導致電子束在抗蝕劑中的沉積能量分布不均勻，曝光范圍擴散，引起曝光圖形變形，從而降低分辨率。由圖1所示，由于鄰近效應的存在，圖形明顯失真。

圖1 鄰近效應示意圖

入射電子在抗蝕劑層和襯底中的散射可以按照其被散射的角度分為兩類：前散射和背散射。電子發(fā)生散射的幾率、類型與材料的原子序數(shù)有關?？刮g劑通常是具有小原子序數(shù)原子的材料體系，原子核所占空間相對較小，入射電子在其中的散射主要為與核外電子的小角度非彈性散射，一般將這類散射稱為前向散射。而襯底材料通常是高原子序數(shù)材料，入射電子在其中的散射主要為與原子核的大角度彈性散射，經(jīng)過散射的電子有一部分會再次進入抗蝕劑層，一般將這部分由襯底進入抗蝕劑層的電子稱為背向散射電子，其在抗蝕劑層繼續(xù)進行以前向為主的散射，損失能量，引起曝光[10]，如圖2所示。

圖2 入射電子散射示意圖

鄰近效應根據(jù)產(chǎn)生原理和后果的不同，我們將其分為內(nèi)鄰近效應和互鄰近效應，如圖3所示。內(nèi)鄰近效應為由前散射電子產(chǎn)生的鄰近效應，主要表現(xiàn)在孤立圖形曝光時所產(chǎn)生的鄰近效應。由于電子的散射，造成大面積圖形或密集圖形的邊緣向外側(cè)區(qū)域擴展，而孤立圖形的角部區(qū)域、線條端部和圖形邊緣區(qū)域則由于電子散射而減少了電子密度，產(chǎn)生曝光不足的現(xiàn)象。顯影后會出現(xiàn)圖形角變圓、線條端部縮短和線條變細的現(xiàn)象。互鄰近效應主要表現(xiàn)在密集圖形區(qū)域或大面積圖形鄰近區(qū)域的圖形在曝光時產(chǎn)生的鄰近效應現(xiàn)象。由于密集圖形或大面積圖形曝光時，曝光圖形鄰近區(qū)域的大量背散射電子的能量疊加，造成大面積圖形中心呈現(xiàn)超劑量曝光，圖形邊緣往外擴張，并使得鄰近區(qū)域圖形也產(chǎn)生失真。

圖3 互鄰近效應與內(nèi)鄰近效應示意圖

3 鄰近效應的修正

修正由于電子束鄰近效應產(chǎn)生的圖形失真的辦法主要有兩類。一種是采用軟件修正措施，主要根據(jù)電子散射造成的圖形失真情況，實施幾何圖形尺寸和形狀修正，即版圖圖形修正技術(shù)，其是根據(jù)鄰近效應引起的圖形形變趨勢而對版圖進行反方向的改動，為鄰近效應導致的變化預留空間。對于不具有逐點改變劑量的電子束曝光系統(tǒng)而言，例如成型束系統(tǒng)、投影曝光系統(tǒng)、多束曝光系統(tǒng)等，版圖圖形修正方法是比較理想的選擇?；蛘邔嵤┢毓鈩┝康恼{(diào)制（曝光劑量修正技術(shù)），對于孤立的線條或簡單的器件，還可以采用補償鄰近效應影響的措施，即GHOST(Global Horizontal Sounding Technique)方法，GHOST方法是在原有的曝光基礎上對互補圖形進行低劑量的曝光，兩次曝光的能量疊加正好使各處的能量分布均衡，但其需要進行二次曝光，不僅數(shù)據(jù)量大大增加、總曝光時間延長，而且會降低曝光圖形的對比度。稍復雜的圖形在曝光時，還是需要采用電子束曝光蒙特卡羅（Monte Carlo）模擬技術(shù)模擬電子束曝光的整個過程，研究不同曝光條件下抗蝕劑吸收能量密度的影響，獲得抗蝕劑吸收能量密度的分布規(guī)律。具體做法是根據(jù)基片材料的類型、抗蝕劑類型、抗蝕劑厚度和電子加速電壓等重要參數(shù)，調(diào)整雙高斯函數(shù)的前散射α、背散射β以及前散射和背散射之間的比例系數(shù)η，通過鄰近效應劑量調(diào)制運算軟件把曝光的圖形根據(jù)條寬大小、圖形位置、圖形密度和圖形結(jié)構(gòu)切割成256×256個調(diào)制級數(shù)，分別賦予不同的曝光劑量，目的是使整個圖形在同一個顯影條件下達到最佳，讓整體圖形區(qū)域沉積能量密度分布盡可能達到均勻。

目前我們在Leica SB350電子束系統(tǒng)上，通過建立 PEC（proximity effect correction parameter files）校正文件，確定相應的校正參數(shù)，對鄰近效應進行修正以減少鄰近效應對圖形分辨率的影響。PEC校正文件主要依據(jù)電子束在抗蝕劑層的能量分布建立模型對鄰近效應進行修正，其模型函數(shù)是一條由前電子散射引起的狹窄、陡峭的峰以及背電子反射引起的平坦線構(gòu)成的曲線，如圖4所示。

圖4 電子束在抗蝕劑的能量分布示意圖

電子束在抗蝕劑層的能量分布為典型的雙高斯對數(shù)函數(shù)，見式（1）[11]，其確定主要依賴于 α、β和 η這3個散射參數(shù)。

式（1）中括號內(nèi)的第一項是前散射電子對抗蝕劑吸收能量密度的貢獻，第二項是從襯底返回到抗蝕劑中的電子即背散射電子對抗蝕劑吸收能量密度的貢獻，r是距入射中心點的距離，α和β分別為前散射和背散射分布的特征半寬度，分別反映了前散射與背散射使電子束展寬的程度。η的含義是背散射所沉積能量與前散射所沉積能量之比。前散射和背散射分布的特征半寬度α、β主要取決于電子束能量、光刻膠材料、光刻膠厚度、襯底材料等。

3.1 實驗方法

實驗使用的設備有：電子束曝光機（型號Leica SB350），德國 Vistec公司；顯影機（型號 Masktrack），美國Hamatech公司；等離子蝕刻機（型號Unaxis GⅢ），美國Plasma公司；電子掃描電鏡，日本HOLON公司。

實驗使用材料：二元基板（型號SHQ 6025 1C NTAR7 FEP171），Hoya株式會社。

實驗條件：曝光機曝光劑量 4.2～51.6 μC/cm2，電子束能量50 kV，烘烤溫度105℃，顯影時間130 s。

實驗設計圖形見圖5，CDL5_32X中設計圖形包含圖形間距為 1：1，條寬 5000 nm、4000 nm、3000 nm、2000 nm、1400 nm、1200 nm、1000 nm、900 nm、800 nm、700 nm、600 nm、500 nm、400 nm、300 nm、200 nm、100 nm線條。

圖5 CDL5_32X設計圖形示意圖

DRT7_32X 中設計圖形包含間距（duty ratio）1：20、1：10、1：5、1：4、1：3、1：2、1：1.8、1：1.6、1：1.4、1：1.2、1：1， 條寬800 nm的線條，見圖6。

圖6 DRT7_32X設計圖形示意圖

3.2 鄰近效應修正步驟

3.2.1 估算散射參數(shù)α、β和η

通過ARAPROX軟件確定散射參數(shù)α、β和η估算值分別為 0.051 μm、5.275 μm 及 0.155，其中散射參數(shù)η主要取決于參數(shù)β以及曝光能量因子，其中曝光能量因子（DF，dose factor）為 Doselarge與 Dosesmall之比，Doselarge為大條寬，通常選擇10 μm或15 μm線條所需曝光能量；Dosesmall為小條寬，通常為1 μm以下線條所需曝光能量。散射參數(shù)α、β和η數(shù)值仍需在后續(xù)擬合過程中不斷調(diào)整。

圖7 確定散射參數(shù)α、β和η

3.2.2 Base dose的確立

通過量測GDL5_32X圖形中設計線寬1 μm、圖形間距 1：1、密集區(qū)（dense）圖形條寬，將條寬量測值與設計值最接近時的能量值定為Base dose，為8.4 μC/cm2。

3.2.3 對線性進行擬合校正

在CDL5_32X圖形中，確定設計線寬為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 稀 疏 （Iso） 線 條 的target dose，即達到設計條寬時的曝光能量，建立.TGT文檔導入軟件對散射參數(shù)進行修正，結(jié)果如表1所示，DF為Target Dose、Base Dose之比。

表1 線性擬合修正結(jié)果

調(diào)整α、β和η參數(shù)，使兩條趨勢線擬合，最終效果如圖9所示。

圖9 線性擬合最終狀態(tài)

3.2.4 對不同圖形間距（duty rate）條寬進行擬合校正

在表1中確認800 nm線條target dose為11.1 μC·cm-2，在 DRT7_32X 圖形中，量測 dose為11.1 μC·cm-2，圖形間距 1：20、1：10、1：5、1：4、1：3、1：2、1：1.8、1：1.6、1：1.4、1：1.2、1：1，條寬 800 nm 的線條，建立.DRT文檔導入軟件對散射參數(shù)進行修正，修正結(jié)果如表2所示。

與線性修正一樣，通過調(diào)整α、β和η的數(shù)值，使得不同圖形間距（duty rate）兩條趨勢線擬合，最終結(jié)果見圖10。

通過對線性以及圖形間距（duty rate）條寬的多次擬合，使得α、β和η參數(shù)能同時滿足線性和圖形間距的要求，最終擬合結(jié)果如下：修正參數(shù) α、β和η分別為 0.046、5.970、0.040。

3.3 實驗結(jié)果

通過對比校正前后不同間距條寬的偏差不難看出，使用鄰近效應修正后，圖形受圖形間距變化的影響明顯減少（設計線寬0.8 μm），條寬鄰近效應影響由無修正時的46 nm減少到8 nm，如圖11所示。

表2 不同圖形間距（duty rate）條寬修正結(jié)果

圖10 不同圖形間距（duty rate）條寬擬合結(jié)果

圖11 鄰近效應修正效果圖

4 結(jié)論

采用FEP171化學放大膠，在光刻膠厚度400 nm、顯影溫度105℃、烘烤時間10 min的條件下，得到最佳的電子束曝光鄰近效應條件α、β和η分別為0.046、5.970、0.040。

本文以Leica SB350電子束曝光機為手段，使用PARAPROX軟件對鄰近效應進行修正，有效地克服了電子束鄰近效應的影響。