0.25μm掩模制造中激光直寫(xiě)參數(shù)的優(yōu)化研究

袁卓穎，華衛(wèi)群，劉 浩

（1.中電國(guó)基南方集團(tuán)有限公司，南京 211153；2.無(wú)錫中微掩模電子有限公司，江蘇無(wú)錫 214035）

1 引言

激光直寫(xiě)系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)控制高精度聚焦激光束，按照設(shè)計(jì)圖形在涂有光致抗蝕劑的掩模版上掃描曝光，最終把設(shè)計(jì)圖形直接轉(zhuǎn)移到掩模上[1]。作為掩模制作的第一環(huán)節(jié)也是最重要的環(huán)節(jié)之一，激光直寫(xiě)的質(zhì)量直接影響掩模條寬（CD）均勻性[2-4]。較差的CD均勻性在密度較高的圖形中很容易使得掩模中線與線之間的間距變小，因?yàn)檠诿械膱D形實(shí)際上就是晶圓制造的芯片中的線路，這種粗細(xì)不一致的線路容易造成短路或斷路，影響晶圓質(zhì)量，導(dǎo)致晶圓制造困難。

影響激光直寫(xiě)CD均勻性的主要參數(shù)有束斑劑量、焦距、每束光的劑量、光束一致性以及拼接等。本文主要從激光直寫(xiě)的原理出發(fā)，研究激光直寫(xiě)參數(shù)與CD之間的關(guān)系，分析激光直寫(xiě)參數(shù)對(duì)CD均勻性影響的機(jī)理，探索出激光直寫(xiě)參數(shù)的設(shè)置和調(diào)節(jié)方法，為今后的科研生產(chǎn)提供依據(jù)，保障掩模的品質(zhì)。

2 激光直寫(xiě)工藝參數(shù)研究

2.1 激光直寫(xiě)工藝介紹

激光直寫(xiě)系統(tǒng)是制作衍射光學(xué)元件的重要設(shè)備之一。激光直寫(xiě)制作衍射光學(xué)元件時(shí)，元件的線形對(duì)元件的效率起著重要的作用。線條的面形由曝光量分布來(lái)決定，而曝光量分布又依賴于焦斑的光強(qiáng)分布。在投影光刻印系統(tǒng)中，因?yàn)槠毓饬糠植记€和光強(qiáng)分布曲線是相同的，所以當(dāng)分析線條的線形時(shí)，常常用焦斑的光強(qiáng)分布代替抗蝕劑中的曝光量分布。然而在單點(diǎn)激光直接寫(xiě)入系統(tǒng)中，光強(qiáng)分布和曝光量分布之間有差別，而且這種差別將帶來(lái)線形誤差。

本試驗(yàn)所采用的曝光設(shè)備為瑞典Micronic公司的Omega6600，其主要組成部分由設(shè)備主機(jī)、伺服機(jī)、主鐳射系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、操作系統(tǒng)等組成。激光束由主鐳射系統(tǒng)提供，經(jīng)過(guò)十多個(gè)棱鏡組成的光路系統(tǒng)形成可調(diào)節(jié)的5束光（分別稱之為Beam1、Beam2、Beam3、Beam4、Beam5），由5束光組成的束斑投射到基板表面，再通過(guò)工業(yè)計(jì)算機(jī)根據(jù)圖形數(shù)據(jù)控制光路的開(kāi)關(guān)以及工件臺(tái)的移動(dòng)，最終達(dá)到曝光出想要的圖形的目的，激光直寫(xiě)原理圖如圖1所示。

圖1 激光直寫(xiě)原理圖

2.2 研究設(shè)備與材料

研究使用的設(shè)備有激光直寫(xiě)設(shè)備（型號(hào)Omega6600，瑞典Micronic公司），顯影設(shè)備（型號(hào)Masktrack，德國(guó)Hamatec公司），濕法蝕刻機(jī)（型號(hào)HMP，德國(guó)Hamatec公司），條寬量測(cè)儀（型號(hào)MT270，美國(guó)KLA-Tencor公司），套準(zhǔn)量測(cè)儀（型號(hào)IPRO2，德國(guó)Leica公司）；試驗(yàn)使用材料為二元掩模版（型號(hào)SBNB-6025-1T-THMR IP3500-M(A)，韓國(guó)S&S TECH公司）。

2.3 研究方案

在掩模版上設(shè)計(jì)線寬分別為1μm、1.5μm、2μm、3μm、4μm的十字圖形，量測(cè)十字的X和Y方向的CD，CD量測(cè)圖形如圖2所示，分析CD與束斑劑量、焦距、每束光的劑量、光束一致性以及拼接的關(guān)系，探索出激光直寫(xiě)對(duì)CD均勻性影響的機(jī)理，從而得到激光直寫(xiě)參數(shù)的設(shè)置和調(diào)節(jié)方法。

圖2 CD量測(cè)圖形

3 激光直寫(xiě)參數(shù)對(duì)激光直寫(xiě)質(zhì)量的影響

激光直寫(xiě)工藝參數(shù)主要包括束斑劑量、焦距、每束光的劑量、光束一致性以及拼接等。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，束斑劑量和焦距的變動(dòng)會(huì)引起其他參數(shù)的變化，所以需優(yōu)先研究束斑劑量和焦距對(duì)CD的影響，確定好束斑劑量和焦距的參數(shù)后再研究其他參數(shù)對(duì)CD均勻性的影響。

3.1 束斑劑量和焦距對(duì)CD均勻性的影響

圖3為不同束斑劑量隨著焦距波動(dòng)的CD變化情況，可得出束斑劑量、焦距、CD三者的關(guān)系。

圖3 束斑劑量、焦距對(duì)CD的影響

焦距的波動(dòng)會(huì)引起CD的變化，導(dǎo)致CD均勻性較差，但是在某些束斑劑量下焦距的變化幾乎不會(huì)引起CD的變化，從圖3中可以看到當(dāng)束斑劑量為1000時(shí)對(duì)應(yīng)的CD波動(dòng)最小，該束斑劑量為最優(yōu)劑量，當(dāng)選擇此束斑劑量時(shí)CD均勻性最好。另外，由圖3趨勢(shì)可以看出，焦距向負(fù)方向移動(dòng)30 nm時(shí)，該點(diǎn)周圍的CD波動(dòng)最小，因此焦距應(yīng)向負(fù)方向補(bǔ)償30 nm，才能得到較好的CD均勻性。

3.2 光束劑量對(duì)CD均勻性的影響

在2.1節(jié)中提到本試驗(yàn)中的激光直寫(xiě)設(shè)備使用的激光束是由5束光組成的，CD均勻性不僅與束斑的劑量有關(guān)，還與每束光本身的劑量有關(guān)，光束劑量之間的不平衡會(huì)導(dǎo)致線條粗細(xì)不一，從而導(dǎo)致CD均勻性較差。圖4為使用最優(yōu)束斑劑量和焦距補(bǔ)償后單一光束曝光得到的CD情況。

圖4 5束光之間的差異

從圖4中可以看出5束光之間的CD均勻性達(dá)到60 nm，但是單束光內(nèi)的CD均勻性全部小于40 nm，因此如果將5束光之間的差異降至最低，可以極大地優(yōu)化CD的均勻性。光束B(niǎo)eam1的CD比Beam2、Beam3、Beam4和Beam5都 要 小，Beam2、Beam3、Beam4和Beam5之間的CD變化區(qū)間較為一致，因此將Beam1的劑量增加1.5%，保證5束光之間的CD區(qū)間一致，提升CD均勻性。

3.3 光束之間一致性對(duì)CD均勻性的影響

圖5為5束光出現(xiàn)的兩種情況，當(dāng)5束光同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，5束光幾乎在一條直線上，曝光出來(lái)的橫條紋（Sweep）粗糙度較好，CD均勻性較好；5束光之間有延遲時(shí)，曝光出來(lái)的橫條紋邊緣粗糙度較差，導(dǎo)致CD均勻性較差。

圖5 5束光出現(xiàn)的兩種情況

從圖5可以看出，當(dāng)5束光出現(xiàn)不一致，曝光出來(lái)的線條不是筆直的，從而導(dǎo)致線邊粗糙，CD均勻性較差。當(dāng)出現(xiàn)這種情況后，以5束光中Beam5做基準(zhǔn)，修正其他4束光對(duì)它的偏差，使5束光保持一致，5束光之間的差修正見(jiàn)表1。

表1 5束光之間的差修正

表1以Beam5做基準(zhǔn)，對(duì)于光束一致性進(jìn)行調(diào)整，Beam1需調(diào)34.93 nm，Beam2需調(diào)13.55 nm，Beam3需調(diào)4.61 nm，Beam4需調(diào)3.63 nm。

3.4 拼接對(duì)CD均勻性的影響

激光直寫(xiě)的圖形由一個(gè)個(gè)激光束（束斑）拼接而成，拼接的好壞直接影響CD的質(zhì)量。激光束拼接較差主要是由于束斑大小不均勻、束斑位置不均勻?qū)е?，使得曝光的線條歪歪扭扭，CD均勻性較差。另外，由于束斑是由很多的橫條紋組成，所以橫條紋的大小也會(huì)影響拼接的好壞。

圖6和圖7分別為直寫(xiě)過(guò)程中束斑大小對(duì)CD影響的原理和實(shí)際情況，束斑大小不一致導(dǎo)致CD均勻性較差，需要通過(guò)調(diào)整能量保證每個(gè)束斑大小一致。

圖6 束斑大小影響激光直寫(xiě)的原理

圖7 束斑大小對(duì)CD的實(shí)際影響

理想情況是，在激光直寫(xiě)過(guò)程中X和Y的CD偏差都為零，不存在持續(xù)變大或變小的情況，保證束斑間的大小均勻。但是，如圖7所示，X和Y是處于一個(gè)負(fù)斜坡，CD X大約從1608 nm開(kāi)始，到1586 nm結(jié)束，CD X持續(xù)變小，波動(dòng)大約在22 nm，CD Y波動(dòng)大約在13 nm。而可接受的CD偏差要求不大于20 nm，所以CD Y是正常的，CD X偏大，需要通過(guò)調(diào)整X方向的能量，使波動(dòng)能夠小于20 nm。

圖8和圖9分別為直寫(xiě)過(guò)程中束斑位置對(duì)CD影響的原理和實(shí)際情況，束斑位置不一致導(dǎo)致CD均勻性較差，需要通過(guò)調(diào)整束斑掃描的位置保證每個(gè)束斑都能均勻排布。

圖8 束斑位置影響激光直寫(xiě)的原理

理想情況同能量斜率一樣，在激光直寫(xiě)過(guò)程中X和Y的CD偏差都為零，保證束斑間的距離一致。但是，如圖9所示，X位置偏差波動(dòng)大約為35 nm，Y位置偏差波動(dòng)大約為23 nm，而可接受的波動(dòng)偏差為10 nm，因此X和Y的位置都需要調(diào)整，直至小于10 nm，調(diào)整的位置稱之為線性斜率。

圖9 束斑位置對(duì)CD的實(shí)際影響

圖10和圖11分別為直寫(xiě)過(guò)程中Sweep大小對(duì)CD影響的原理和實(shí)際情況，Sweep大小不一導(dǎo)致CD均勻性較差，需要通過(guò)調(diào)整Sweep的大小保證Sweep之間無(wú)偏移。

圖10 Sweep大小影響激光直寫(xiě)的原理

圖11 Sweep大小對(duì)CD的實(shí)際影響

Sweep大小的理想情況是，各Sweep大小一致，X、Y方向都無(wú)差異。但實(shí)際情況如圖11所示，以X方向?yàn)槔?，?fù)方向越大表明Sweep越長(zhǎng)，正方向越大表明Sweep越短，無(wú)論太長(zhǎng)還是太短，對(duì)拼接影響都不好，圖11中正方向已經(jīng)超過(guò)20 nm，而可接受的范圍為±15 nm，因此Sweep X方向最少要增大5 nm。如圖10，Sweep大小正好與Sweep大小不一致的兩種情況對(duì)比，當(dāng)Sweep大小相差較大時(shí)會(huì)造成線條不再筆直的情況，從而導(dǎo)致CD均勻性較差。

4 結(jié)論

通過(guò)集成電路掩模試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)為了在掩模版上制作出較好的CD均勻性產(chǎn)品，激光直寫(xiě)工藝需選擇隨焦距變化CD波動(dòng)最小的束斑劑量和對(duì)CD影響最小的焦距。當(dāng)調(diào)節(jié)好束斑劑量和焦距后，以某一光束作為基準(zhǔn)，將其他光束的劑量調(diào)節(jié)至制作的CD值與基準(zhǔn)值一致，從而保證光束之間的平衡性；再將所有光束調(diào)節(jié)至每束光同時(shí)出現(xiàn)，確保光束幾乎出現(xiàn)在同一直線上，保證光束的一致性；最后將束斑的大小調(diào)節(jié)至CD偏差20 nm以內(nèi)，束斑的位置調(diào)節(jié)至CD偏差10 nm以內(nèi)，Sweep的大小調(diào)節(jié)至CD偏差±15 nm以內(nèi)，從而保障激光直寫(xiě)設(shè)備制作的產(chǎn)品具有良好的CD均勻性。

隨著CD的不斷變小，圖形越來(lái)越密集，制程控制越來(lái)越復(fù)雜，只有通過(guò)合適的控制方法才能保證產(chǎn)品質(zhì)量，從而保障生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定。