离轴照明强度不对称性对投影曝光光刻系统成像影响分析_陈德良.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering147迄今为止，集成电路(IC)的发展一直遵循 Intel 公司创始人之一 Gordon E.Moore 预言的规律：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔 18 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍1-2，这个规律就是 IC 界著名的摩尔定律。目前 13.5nm 光刻系统只有少数企业使用，193nm 光刻系统仍是国内制造集成电路的主流光刻设备。157nm 光刻系统因成本和透镜材料问题而不能被实际应用，下一代光刻系统，如极紫外光刻、离子束光刻和纳米压印技术仍在不断改进，因此国内企业目前只能不断改进 193nm 光刻设备和曝光工艺希望将此技术延伸到 7nm 节点。将 193nm 光刻技术延伸至7nm 节点可以说是相当大的挑战，对曝光工艺要求势必更加苛刻，因此提升 193nm 光刻系统曝光工艺就变得越来越重要。曝光工艺是集成电路加工的关键步骤。曝光工艺的主要作用是将掩膜板上的图形精确复制到硅片上，为下一步刻蚀或离子注入做准备。光刻工艺的提升离不开光刻工艺模拟，光刻模拟可为工艺提升提供参考依据，可以减少实验用的时间和节省实验的成本3-7。光刻成像模拟是光刻工艺模拟的重要组成部分，是后续光刻工艺模拟的关键，因此建立精确光刻成像仿真模型非常重要。离轴照明技术9是光刻技术常用的照明技术，离轴照明可以改善光刻分辨率、增大焦深、提高光刻成像的对比度8-10。但是离轴照明结构如果不对称，包括强度不对称和几何结构不对称，如果强度中心和几何中心偏离了主轴势必对光刻产生影响。因此，本文利用自建的一种光刻成像模型，再利用波前处理技术引入离焦像差，用以研究光刻照明光源不对称性对光刻成像的影响。利离轴照明强度不对称性对投影曝光光刻系统成像影响分析陈德良*王玉清李世雄余宏（贵州师范学院 贵州省贵阳市 550018）摘要：本文对离轴照明强度不对称性对投影曝光光刻系统成像影响进行了分析。离轴照明相对传统照明来讲可以提高光刻系统成像的分辨率，是光刻系统常用的照明模式。但是离轴照明光源相对光轴的强度和位置不对称性，会对光刻成像产生较大影响。因此，本文一种利用自建的一种光刻成像仿真模型，利用此模型分析了离轴二极照明下，照明光源强度不对称对 193nm 深紫外光刻机 90nm 线宽的成像影响。仿真结果表明，照明光源强度均匀对称时，离焦对成像的影响很小，照明强度不对称时，离焦对成像的影响非常大。因此，光刻时要确保掩膜照明强度均匀，减小离焦对成像线宽的影响。关键词：光刻系统；离轴照明；离焦；部分相干成像基金项目：贵州省科技支撑计划项目（黔科合 SY 字 20143084）；贵州省教育厅青年科技人才成长基金(批准号：黔教合 KY 字 2016217)；中央引导地方科技发展专项资金项目(黔科中引地【2019】4012）资助。图 1：光刻部分相干成像模型图 2：离焦与光瞳波前的关系电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering148用此模型，分析了照明光源强度不对称性在离焦和未离焦的情况下对 193nm 深紫外投影曝光光刻系统 100nm特征尺寸的成像影响。分析结果表明，掩膜处光场照明强度均匀时，离焦对成像的影响很小，光场照明强度不均匀时，离焦对成像的影响非常大。分析结果可为投影曝光光刻工艺优化提供参考。1 光刻部分相干成像模型光刻成像仿真模型，是由一个照明系统和一个双远心部分相干成像系统组成11-12。如图 1 所示，在照明系统前焦面处为一等效光源，等效光源面处每一点相当于点光源，发出的光经照明系统扩束准直后均匀照射到掩膜处，再经投影系统最后成像到硅片面处，等效光源所有点光源照射掩膜在硅片面成像的强度形成非相干叠加，即为光刻的部分相干成像，这种模型类似于广泛的阿贝成像。模型的理论部分已在文献13中进行了详细的推导论证，这里仅写出硅片面最后的成像公式，即为：（1）公式（1）中，r(x0,y0)为等效光源分布函数，Umask(x1,y1)为掩膜复振幅透过率函数，P(fx,fy)为光瞳函数，FT表示傅里叶变换，FT-1表示逆傅里叶变换。以上函数具体表达式请参看文献13。为了模拟离焦对部分相干成像的影响，本文采用了波前处理技术，在光瞳面引入离焦的影响。离焦实际上可认为是一种像差，如图 2 所示，理想的投影系统在光瞳处产生的球面波（半径较小者），设该平面波的汇聚点所在平面为理想焦平面，硅片面应该与焦平面重合。然而实际中硅片面与焦平面存在一定的距离，设为 z，那么此时可理解为球面波汇聚在离焦后的硅片面上，从图中可以看出，实际波前与理想光前存在光程差(OPD:optical path difference)，这个光程差可用离焦量 z 和位置描述，位置可用光的传播方向 表示，由于离焦量远远小于光波传播的距离，OPD 可近似写为：（2）OPD 实际上对光瞳函数进行了调制，光刻系统引入离焦像差后，光瞳函数可写为：（3）引入像差后的部分相干成像公式，可由式（1）和式（3）推出为：（4）2 二极照明下硅片面部分相干成像离焦影响仿真参数设置利用上面光刻部分相干成像模型，我们就可研究二极照明强度不平衡在离焦和未离焦的情况下，对光刻部分相干成像的影响。所用掩膜和二极照明如图 3 所示，掩膜特征尺寸为 100nm 等间距结构，二极照明极张角为30 度，内相干因子为 0.55，外相干因子为 0.85。模拟光源选用 193nm 紫外光刻光源，为了计算迅速方便且不失一般性，仿真中每个像素点代表 10nm 大小，采样点选取为 257257，详细参数如表 1 所示。表 1：光刻仿真主要参数设置参数值光源波长 193nm 数值孔径（NA）0.75照明模式二极照明：相干因子（内相干因子0.55，外相干因子 0.85）特征尺寸100nm像素单位10nm/pixel离焦-0.5um，-0.4um，-0.3um，-0.2um，0um，0.2nm，0.3um，0.4um，0.5um采样点257257二极照明对称时，左极和右极相对强度设置为 1；二极照明不对称时，左极和右极相对强度分别为 1 和 3。(a)二极照明(b)掩膜图 3：二极照明结构与掩膜特征尺寸电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering149本文分别在这两种情况下，研究了掩膜光刻部分相干成像随不同离焦的变化。3 仿真结果及分析基于表 1 参数，结合光刻部分相干仿真理论，仿真得到了在二极照明对称和不对称情况下，不同离焦量下掩膜图形部分相干成像强度分布。为获得部分相干成像图形的中心，首先我们将部分相干成像强度分布图灰度化，然后在相同阈值条件下对灰度化后的图像进行二值处理，最后求得图像中心。如图 4 所示为二极不对称照明条件下，部分相干成像强度图和图像处理后的二值图，a、b、c 分别是离焦量为0nm、-500nm和500nm时的部分相干成像强度图，a1、b1、c1 为其对应的二值化后的二值分布图。从图 4中可以看出，离焦为-500nm 和 500nm 时，掩膜成像的图形结构相对于未离焦时都有了较大偏移。如图 5 所示为二极对称照明条件下，部分相干成像强度图和图像处理后的二值图，d、e、f 分别是离焦量为 0nm、-500nm 和 500nm 时的部分相干成像强度图，d1、e1、f1 为其对应的二值化后的二值分布图。从图 5中可以看出，在二极强度对称照明条件下，离焦为-500nm和 500nm 时，掩膜成像的图形结构相对于未离焦时基本没有偏移。从图 4 和图 5 中还可以看出，不管是在二极对称照明或者二极不对称照明情况下，离焦-500nm 和 500nm时，掩膜图形成像的分辨率大大降低，掩膜特征尺寸变宽，可见离焦对部分相干成像的分辨率影响较大。通过图像处理方法，得到了两种照明情况下，不同离焦量对应部分相干成像图形结构的中心位置。图 6、图 7 分别是不对称照明和对称照明情况下，不同离焦量(a)(d)(a1)(d1)(b)(e)(b1)(e1)(c)(f)(c1)(f1)图 4：二极照明强度不对称时掩膜的部分相干成像强度图及二值化后图图 5：二极照明强度对称时掩膜的部分相干成像强度图及二值化后图图 6：照明强度不对称时成像图形中心位置图 7：照明强度对称时成像图形中心位置电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering150部分相干成像时对应图形中心坐标值。从图 6 和图 7 中可以看出，在没有离焦的情况下，不管是对称照明还是不对称照明，都不会使掩膜成像的图形结构偏移。但是在离焦的情况下，如果是不对称照明，掩膜成像的图形结构就会发生较大偏移；而对于对称照明，离焦情况下，图形结构仍没有偏移。从图 6、图 7 中还可以看出，不对称照明情况下，对应图形中心坐标 x 值并没有随离焦变化发生明显改变，而 y 值却随离焦发生了很大改变。因此可以得到，x 方向的不对称照明，离焦时可以引起掩膜图形在 y 方向偏移，x 方向不发生偏移；反之，y方向的不对称照明离焦时可以引起掩膜图形在 x 方向偏移，y 方向不发生偏移。4 结论从以上分析可以看出，当硅片面发生离焦时，离轴照明强度不对称对光刻系统的影响较大，离轴照明强度对称对光刻系统的影响较小，可以忽略；当硅片面不发生离焦时，离轴照明强度对称和不对称，都不会对光刻系统成像造成影响。通过模拟，可以事先了解离轴照明对光刻系统成像的影响，数据可以为实际光刻提供参考。在实际的光刻中，很难做到光刻照明强度绝对对称，因此控制硅片面的离焦量非常重要。参考文献1 姚汉民,胡松,刑廷文.光学投影曝光微纳加工技术 M.北京:北京工业大学出版社,2006.2 巩岩,张巍.193nm 光刻曝光系统的现状及发展J.中国光学与应用光学,2008,1(Z1):25-35.3 Chris A.Mack.Thirty years of lithography simulationJ.SPIE,2004,5754:1-12.4 F.H.Dill.Optical lithographyJ.IEEE Trans.Electron Devices,1975,22(7):440-444.5 F.H.Dill,W.P.Hornberger,P.S.Hauge,and J.M.Shaw.Characterization of positive photoresistJ.IEEE Trans.Electron Devices,1975,22(7):445-452.6 K.L.Konnerth and F.H.Dill.In.Situ measurement of dielectric thickness during etching or developing processesJ.IEEE Trans.Electron Devices,1975,22(7):452-456.7 F.H.Dill,A.R.Neureuther,J.A.Tuttle,and E.J.Walker.Modeling projection printing of positive photoresistsJ.IEEE Trans.Electron Devices,1975,22(7):456-464.8 J.P.F.Luehrmann.0.35-m lithography using off-axis illuminationC.SPIE,1993,1927:103-124.9 郭立萍,黄惠杰,王向朝.光学光刻中的离轴照明技术 J.激光杂志,20