Proceso de fabricación de circuitos integrados a escala nanométrica (fotolitografía)

Introducción a la tecnología de fotolitografía

Historia del desarrollo de la tecnología de la fotolitografía

Desde que Jack S. Kilby inventó el primer circuito integrado del mundo el 12 de septiembre de 1958, los circuitos integrados han experimentado un rápido desarrollo durante más de 50 años. El ancho mínimo de línea se encuentra ahora entre 20 y 30 nm. tiempo, entrando en el rango profundo submicrónico. La tecnología de la fotolitografía, una de las tecnologías clave, también ha evolucionado desde el uso inicial de lentes de aumento similares a las de los equipos fotográficos hasta el actual conjunto de lentes gigantes de tipo inmersión de 1,35 de alta apertura numérica, que tiene la capacidad de controlar y ajustar automáticamente la calidad de la imagen, con un diámetro de más de medio metro y un peso de media tonelada. La función de la fotolitografía es imprimir patrones de circuitos semiconductores sobre obleas de silicio capa por capa. Su idea proviene de la tecnología de impresión de larga data. La diferencia es que la impresión registra la información mediante el uso de tinta para producir cambios en la reflectividad de la luz sobre el papel. , mientras que la fotolitografía utiliza la reacción fotoquímica de la luz y sustancias sensibles a la luz para lograr cambios en el contraste.

La tecnología de impresión surgió por primera vez a finales de la dinastía Han en China. Más de 800 años después, Bi Sheng de la dinastía Song realizó mejoras revolucionarias y transformó la impresión con bloques fijos en impresión con tipos móviles, que luego se desarrolló rápidamente. Hoy en día, se ha desarrollado la tecnología de fotocomposición láser. La "fotolitografía" en el sentido actual comenzó con los intentos de Alois Senefedler en 1798. Cuando intentó publicar su libro en Munich, Alemania, descubrió que si usaba un lápiz de aceite para dibujar ilustraciones sobre piedra caliza porosa y humedecía las áreas no dibujadas con agua, la tinta solo se pegaría donde dibujó con lápiz. Esta técnica se llama litografía o dibujo sobre piedra. La litografía fue la precursora de la multirregistro moderna.

Métodos básicos de fotolitografía

Aunque existen algunas similitudes, la fotolitografía en circuitos integrados utiliza luz en lugar de tinta, y las áreas con tinta y sin tinta se convierten en las áreas con luz y sin luz en la máscara. Por lo tanto, en la industria de fabricación de circuitos integrados, la litografía también se denomina fotolitografía o litografía. Al igual que la tinta a base de aceite se deposita selectivamente sobre piedra caliza, la luz solo puede pasar a través de las áreas transparentes de la máscara y la luz proyectada se registra en un material sensible a la luz llamado fotorresistente. En la Figura 7.1 se muestra un diagrama esquemático simple del proceso de fotolitografía.

Debido a que la fotorresistencia sufre un cambio en la tasa de disolución en el revelador después de la exposición a la luz ultravioleta (UV), el patrón de la máscara se transfiere a la capa de fotorresistencia en la parte superior de la oblea de silicio. Las áreas cubiertas por la fotorresistencia pueden lograr una mayor transferencia del patrón de la máscara al evitar un procesamiento posterior (como el grabado o la implantación de iones).

Desde 1960, la tecnología de fotolitografía se puede dividir en los siguientes tres tipos: exposición por contacto, exposición por proximidad y exposición por proyección. La primera fue la exposición por contacto o por proximidad, que fue la corriente principal de fabricación hasta mediados del siglo XX. Para la exposición por contacto, dado que teóricamente no hay espacio entre la máscara y la parte superior de la oblea de silicio, la resolución no es un problema. Sin embargo, dado que el contacto causará defectos debido al desgaste de la máscara y la fotorresistencia, la gente finalmente eligió la exposición por proximidad. Por supuesto, en la exposición por proximidad, aunque se evitan los defectos, la resolución de la exposición por proximidad está limitada a 3 μm o más debido a la presencia de espacios y dispersión de la luz. El límite teórico de resolución de la exposición por proximidad es

Entre ellos,

k representa los parámetros de la fotorresistencia, normalmente entre 1 y 2;

CD representa el tamaño mínimo, es decir, la dimensión crítica, que generalmente corresponde al ancho de línea del período espacial mínimo resoluble;

λ se refiere a la longitud de onda de exposición;

g representa la distancia desde la máscara hasta el espacio en la superficie de la fotorresistencia (g=0 corresponde a la exposición por contacto)

Dado que g suele ser mayor que 10μm (limitado por la planitud de la superficie de la máscara y la oblea de silicio), la resolución está muy limitada, por ejemplo, 3 μm para una longitud de onda de iluminación de 450 nm. La exposición por contacto puede alcanzar 0,7 μm.

Para superar las dificultades duales de los defectos y la resolución, se propuso un esquema de exposición por proyección, en el que la máscara y la oblea de silicio están separadas por más de varios centímetros. Se utilizan lentes ópticas para proyectar la lente de patrón de la máscara sobre la oblea de silicio. A medida que el mercado demanda tamaños de chip más grandes y un control más estricto de la uniformidad del ancho de línea, la exposición por proyección también ha evolucionado gradualmente desde el modelo original.

Exposición total de la oblea de silicio a exposición total del escaneo de la oblea de silicio (ver Figura 7.2 (a))

Exposición paso a paso y repetida (ver Figura 7.2 (b))

Exposición por pasos y escaneo (ver Figura 7.2 (c))

El método de exposición 1:1 de toda la oblea de silicio tiene una estructura simple y no requiere una alta monocromaticidad de la luz. Sin embargo, a medida que el tamaño del chip y de la oblea de silicio se hacen cada vez más grandes y el ancho de la línea se hace cada vez más fino, el sistema óptico no puede proyectar el patrón sobre toda la oblea de silicio a la vez sin afectar la calidad de la imagen, y la exposición del bloque se vuelve inevitable.

Uno de los métodos de exposición de bloques es el método de escaneo de la oblea de silicio completa, como se muestra en la Figura 7.2 (a). Este método escanea y expone continuamente el patrón de la máscara a la oblea de silicio a través de un campo de visión en forma de arco. El sistema utiliza dos espejos esféricos con el mismo eje óptico, y su radio de curvatura y distancia de instalación están determinados por el requisito de que no haya aberración.

Sin embargo, a medida que el tamaño del chip y de la oblea de silicio se hacen cada vez más grandes, y el ancho de la línea se hace cada vez más fino, la exposición 1x hace que sea cada vez más difícil hacer la máscara con alta precisión de producción de patrones y precisión de colocación.

Por ello, a finales de los años 70 se creó una máquina de exposición en bloque con aumento reducido. El patrón del chip se expone a la oblea de silicio uno por uno, como se muestra en la Figura 7.2 (b). Por lo tanto, este sistema de exposición con aumento reducido se denomina sistema de repetición por pasos o stepper.

Sin embargo, a medida que el tamaño del chip y de la oblea de silicio se hacen más grandes y el control del ancho de línea se vuelve más estricto, incluso las capacidades técnicas del motor paso a paso no pueden satisfacer las necesidades. La solución de la contradicción entre esta demanda y la tecnología actual condujo directamente al nacimiento de la máquina de exposición de paso y escaneo, como se muestra en la Figura 7.2 (c). Este dispositivo es un híbrido que combina las ventajas de la primera máquina de exposición de escaneo de oblea completa y la posterior máquina de exposición de paso y repetición: la máscara se escanea y proyecta en lugar de proyectarse de una vez, y toda la oblea de silicio también se expone en bloques. Este dispositivo transfiere las dificultades ópticas a un alto posicionamiento y control mecánico. Este dispositivo ha sido utilizado por la industria hasta el día de hoy, especialmente en la producción de chips semiconductores en nodos de tecnología de 65 nm y menores.

Los principales fabricantes de máquinas litográficas del mundo son ASML en los Países Bajos, Nikon y Canon en Japón, y otros fabricantes de máquinas litográficas de tamaño no completo, como Ultrastepper.

La fabricación de máquinas de litografía de escaneo avanzadas nacionales comenzó tarde. Después de 2002, fue desarrollada principalmente por Shanghai Microelectronics Equipment Co., Ltd. (SMEE). Las máquinas de litografía nacionales han evolucionado desde la reparación de máquinas de litografía de segunda mano hasta el desarrollo y fabricación independientes de máquinas de litografía. La máquina de litografía más avanzada actualmente en desarrollo es la SSA600/20 de 193 nm (ver Figura 7.3). Aunque todavía existe una gran brecha con el nivel avanzado mundial, debe decirse que se han logrado avances gratificantes. Su apertura numérica es de 0,75, el campo de exposición estándar es de 26 × 33 mm, la resolución es de 90 nm, la precisión de superposición es de 20 nm y la capacidad de producción de 300 mm es de 80 piezas por hora.

Otros métodos de transferencia de imágenes

Es bien sabido que una de las direcciones para el desarrollo continuo de la fotolitografía es la reducción de la longitud de onda. Sin embargo, este esfuerzo se ha visto obstaculizado por factores como el desarrollo de fotorresistencias adecuadas de 157 nm, películas protectoras de máscaras y el volumen de producción de materiales para lentes como el fluoruro de calcio (
). Sin embargo, en los últimos 20 años, se ha invertido mucho en investigación en la fotolitografía de longitud de onda ultravioleta extrema (EUV). Esta tecnología utiliza luz ultravioleta extrema de 13,5 nm emitida por plasma de xenón o estaño generado por láseres potentes o descargas de alto voltaje. Aunque la alta resolución que aporta la tecnología EUV es muy atractiva, esta tecnología también tiene muchas dificultades técnicas, como que el espejo se contamina fácilmente con el material salpicado generado por el pulso, la luz ultravioleta extrema se absorbe fácilmente (lo que requiere que el sistema tenga un vacío extremadamente alto y el mínimo número de lentes reflectantes), los estrictos requisitos para la máscara (sin defectos y alta reflectividad), el destello causado por la longitud de onda corta, la velocidad de reacción de la fotorresistencia y la resolución, etc.

Además de utilizar luz tradicional para transferir el patrón de la máscara, la gente también está buscando otros métodos de microlitografía, como rayos X, nanoimpresión, escritura directa con haz de electrones múltiples, haz de electrones, proyección de haz de iones, etc.

Parámetros del sistema de fotolitografía

Longitud de onda, apertura numérica, índice de refracción del medio espacial de la imagen

Se mencionó anteriormente que la resolución de la exposición de proximidad se deteriora rápidamente a medida que aumenta la distancia entre la máscara y la oblea de silicio. En el método de exposición por proyección, la resolución óptica se determina mediante la siguiente fórmula, es decir,

Entre ellos,
representa un coeficiente proporcional que caracteriza la dificultad del proceso de fotolitografía. En términos generales,
está entre {{0}}.25 y 1.0. Esta es en realidad la famosa fórmula de Rayleigh. Según esta fórmula, la resolución óptica está determinada por la longitud de onda λ, la apertura numérica NA y la relación del proceso.
Si necesita imprimir un patrón más pequeño, el método utilizado puede ser reducir simultáneamente la longitud de onda de exposición, aumentar la apertura numérica, reducir la
valor, o cambiar uno de los factores. En esta sección, primero presentaremos los resultados existentes de mejorar la resolución al reducir la longitud de onda y aumentar la apertura numérica. Cómo mejorar la resolución al reducir la
El factor bajo la premisa de longitud de onda fija y apertura numérica se discutirá más adelante.

Aunque la longitud de onda corta puede lograr una alta resolución, también se deben considerar varios otros parámetros importantes relacionados con la fuente de luz, como la intensidad luminosa (brillo), el ancho de banda de frecuencia y la coherencia (la coherencia se describirá en detalle más adelante). Después de una evaluación exhaustiva, se seleccionó la lámpara de mercurio de alta presión como una fuente de luz confiable debido a su brillo y muchas líneas espectrales nítidas. Se pueden seleccionar diferentes longitudes de onda de exposición utilizando filtros de diferentes longitudes de onda. La capacidad de seleccionar una sola longitud de onda de luz es crucial para la fotolitografía, porque un paso general producirá aberración cromática para la luz no monocromática, lo que resultará en una disminución de la calidad de la imagen. La línea G, la línea H y la línea I utilizadas en la industria se refieren a los espectros de lámpara de mercurio de 436 nm, 405 nm y 365 nm utilizados por la máquina de exposición, respectivamente (consulte la Figura 7.4).

Dado que la resolución óptica del motor paso a paso de línea I solo puede alcanzar 0.25 μm, la demanda de una resolución más alta ha empujado la longitud de onda de exposición a una longitud de onda más corta, como el espectro ultravioleta profundo (DUV) de 150-300 nm. Sin embargo, la extensión de las lámparas de mercurio de alta presión en el ultravioleta profundo no es ideal, no solo por la intensidad insuficiente, sino también porque la radiación en la banda de longitud de onda larga producirá calor y deformación. Los láseres ultravioleta comunes tampoco son ideales, como los láseres de iones de argón, porque la coherencia espacial excesiva causará moteado y afectará la uniformidad de la iluminación. Por el contrario, los láseres excimer se han seleccionado como fuentes de luz ideales para el ultravioleta profundo debido a sus siguientes ventajas.

(1) Su alta potencia de salida maximiza la productividad de la máquina de litografía;

(2) Su incoherencia espacial, a diferencia de otros láseres, elimina las motas;

(3) La alta potencia de salida facilita el desarrollo de fotorresistencias adecuadas;

(4) Ópticamente, la capacidad de producir una salida ultravioleta profunda con una frecuencia estrecha (tan estrecha como unos pocos pm) permite diseñar lentes para máquinas de litografía totalmente de cuarzo de alta calidad.

Por lo tanto, los láseres excimer se han convertido en la fuente de luz de iluminación principal en las líneas de producción de circuitos integrados de 0,5 μm y menores, y el primer informe fue publicado por Jain et al. En particular, los dos láseres excimer, fluoruro de criptón (KrF) con una longitud de onda de 248 nm y fluoruro de argón (ArF) con una longitud de onda de 193 nm, han demostrado un excelente rendimiento en términos de energía de exposición, ancho de banda, forma del haz, vida útil y confiabilidad. Por lo tanto, se utilizan ampliamente en máquinas de litografía de paso y escaneo avanzadas, como Twinscan XT: 1000H (KrF) y Twinscan XT: 1450G (ArF) de doble plataforma de ASML y NSR-S210D (KrF), NSR-310F (ArF) de Nikon.

Por supuesto, la gente todavía está buscando fuentes de luz de longitud de onda más corta, como el láser de 157 nm generado por moléculas de flúor.
Sin embargo, debido a la dificultad de desarrollar fotorresistencias adecuadas, películas protectoras de máscaras (películas) y el volumen de producción de fluoruro de calcio (
), la tecnología de litografía de 157 nm solo puede extender el proceso de semiconductores en un nodo, es decir, de 65 nm a 45 nm; mientras que el desarrollo anterior de la tecnología de litografía de 193 nm extendió el nodo de fabricación de 130 nm a dos nodos: 90 nm y 65 nm, lo que resultó en el abandono definitivo de los esfuerzos para comercializar la producción en masa de la tecnología de litografía de 157 nm. El desarrollo de la longitud de onda de exposición con nodos de proceso se muestra en la Figura 7.5.

Además de acortar la longitud de onda de exposición, otra forma de mejorar la resolución es aumentar la apertura numérica (NA) del dispositivo de proyección/escaneo.

Donde n representa el índice de refracción en el espacio de la imagen y θ representa el ángulo medio máximo de la lente del objetivo en el espacio de la imagen, como se muestra en la Figura 7.6.

Si el medio del espacio de la imagen es aire o vacío, su índice de refracción es cercano a 1.0 o 1.0, y la apertura numérica es senθ. Cuanto mayor sea el ángulo de la lente del objetivo en el espacio de la imagen, mayor será la resolución del sistema óptico. Por supuesto, si la distancia entre la lente y la oblea de silicio permanece invariable, cuanto mayor sea la apertura numérica, mayor será el diámetro de la lente. Cuanto mayor sea el tamaño de la lente, mayor será la dificultad de fabricación y más compleja la estructura.

Por lo general, la apertura numérica máxima alcanzable está determinada por la capacidad de fabricación y el costo de fabricación de la tecnología de lentes. En la actualidad, la máquina de litografía de escaneo de línea I típica (Twinscan XT de ASML: 450G) está equipada con una lente con una NA máxima de 0.65, que puede distinguir líneas densas de 220nm y un período espacial de 440 nm. La apertura numérica más alta de la longitud de onda del fluoruro de criptón (KrF) es 0.93 (Twinscan XT de ASML: 1000H), que puede distinguir líneas densas de 80 nm (período espacial de 160 nm). La máquina de litografía ArF más avanzada tiene una apertura numérica de 0.93 (Twinscan XT de ASML: 1450G), que puede imprimir líneas densas de 65 nm (período espacial de 120 nm).

Como se mencionó anteriormente, la apertura numérica se puede aumentar no solo aumentando el ángulo de apertura de la lente en el espacio de la imagen, sino también aumentando el índice de refracción del espacio de la imagen. Si se utiliza agua en lugar de aire para llenar el espacio de la imagen, el índice de refracción del espacio de la imagen aumentará a 1,44 a una longitud de onda de 193 nm. Esto es equivalente a aumentar la NA de 0.93 en el aire a 1,34 NA de una vez. La resolución se mejora entre un 30% y un 40%. Por lo tanto, una nueva era de la litografía de inmersión comenzó en 2001. Las máquinas de litografía de escaneo por inmersión comerciales más avanzadas son Twinscan NXT: 1950i de ASML y NSR-S610C de Nikon, como se muestra en las Figuras 7.7 (a) y 7.7 (b). La situación de la litografía de inmersión se describirá en detalle más adelante.

Representación de la resolución de la fotolitografía

Se mencionó anteriormente que la resolución de la fotolitografía está determinada por la apertura numérica y la longitud de onda del sistema y, por supuesto, está relacionada con el método de mejora de la resolución de la fotolitografía relacionado con el factor
Esta sección presenta principalmente cómo juzgar la resolución del proceso de fotolitografía. Sabemos que la resolución del sistema óptico está dada por el famoso criterio de Rayleigh. Cuando dos fuentes de luz puntuales del mismo tamaño están cerca una de la otra, la distancia de su centro a centro es igual a la distancia desde el valor máximo hasta el primer valor mínimo de la intensidad de luz de cada fuente de luz captada por el instrumento óptico, el sistema óptico no puede distinguir si se trata de dos o una fuente de luz, como se muestra en la Figura 7.8. Sin embargo, incluso si cumple con el criterio de Rayleigh, la intensidad de la luz en el área entre las dos fuentes de luz puntuales sigue siendo inferior al valor pico, con un contraste de aproximadamente el 20%. Para una fuente de luz lineal, cuando el ancho de la fuente de luz es infinitamente pequeño, para un sistema óptico con una apertura numérica de NA y una longitud de onda de la fuente de luz de iluminación de λ, la distribución de la intensidad de la luz en el plano de la imagen es

Es decir, la intensidad de la luz alcanza el primer punto mínimo con respecto a la posición central de la imagen (2NA). I0 representa la intensidad de la luz en el centro de la imagen. Se puede considerar que la distancia mínima que puede resolver este sistema óptico es λ/(2NA). Por ejemplo, cuando la longitud de onda es 193 nm y la NA es 1,35 (inmersión), la distancia mínima de resolución del sistema óptico es 71,5 nm.

Por supuesto, para el proceso de fotolitografía, ¿significa que se puede imprimir un patrón con un período espacial de 71,5 nm? La respuesta es no. Existen dos razones:

① Un proceso requiere un cierto margen e indicadores de proceso para ser producido en masa;

② La precisión de fabricación comercial de todas las máquinas y equipos y la exhaustividad del rendimiento de la máquina, de modo que la máquina pueda imprimir líneas densas en el límite de resolución y patrones aislados, y también debe minimizar el impacto de las aberraciones residuales en el proceso.

Para una máquina de litografía de 1,35 NA, ASML promete que el período espacial mínimo del patrón que se puede producir es de 76 nm, es decir, líneas densas de 38 nm con espaciado igual. En el proceso de fotolitografía, la resolución límite es solo un valor de referencia. En el trabajo real, solo hablamos de qué tan grande es la ventana de proceso en un período espacial determinado y un ancho de línea determinado, y si es suficiente para la producción en masa. Los parámetros que caracterizan la ventana de proceso se discutirán en detalle en la Sección 7.4. Aquí hay una breve introducción. Por lo general, los parámetros que caracterizan la ventana de proceso incluyen latitud de energía de exposición (EL), profundidad de enfoque o profundidad de enfoque (DOF), factor de error de máscara (MEF), precisión de superposición, uniformidad de ancho de línea, etc.

La latitud de la energía de exposición se refiere a la desviación máxima permitida de la energía de exposición dentro del rango permitido de variación del ancho de línea. Por ejemplo, para una línea con un ancho de línea de 90 nm, el ancho de línea cambia con la energía en 3 nm/mJ, y el rango permitido de variación del ancho de línea es ±9 nm, entonces el rango permitido de variación de la energía de exposición es 9×2/3=6mJ. Si la energía de exposición es 30 mJ, la latitud de la energía es del 20 % en relación con la energía de exposición.

La profundidad de enfoque generalmente está relacionada con el rendimiento del control de enfoque de la máquina de litografía. Por ejemplo, la precisión del control de enfoque de una máquina de litografía de 193 nm, que incluye la estabilidad del plano focal de la máquina, la curvatura de campo de la lente, el astigmatismo, la precisión de nivelación y la planitud de la plataforma de la oblea de silicio, es de 120 nm. Entonces, la profundidad de enfoque mínima de un proceso que se puede producir en masa debe ser superior a 120 nm. Si se agrega la influencia de otros procesos, como la planarización químico-mecánica, se debe mejorar la profundidad de enfoque mínima, como 200 nm. Por supuesto, como se discutirá más adelante, la mejora de la profundidad de enfoque puede ser a expensas del margen de energía.

El factor de error de máscara (MEF) se define como la relación entre la desviación del ancho de línea de la oblea de silicio debido a la desviación del ancho de línea en la máscara y la desviación en la máscara, como se muestra en la fórmula (7-5).

Normalmente, el MEF es cercano o igual a 1.0. Sin embargo, cuando el período espacial del patrón se acerca al límite de difracción, el MEF aumentará rápidamente. Un factor de error demasiado grande hará que la uniformidad del ancho de línea en la oblea de silicio se deteriore. O, de acuerdo con el requisito de uniformidad del ancho de línea dado, la uniformidad del ancho de línea de la máscara será demasiado alta.

La precisión de la superposición generalmente está determinada por el paso, la precisión de sincronización de escaneo, el control de temperatura, la aberración de la lente y la estabilidad de la aberración de la plataforma móvil en la máquina de litografía. Por supuesto, la precisión de la superposición también depende de la precisión de reconocimiento y lectura de la marca de superposición, la influencia del proceso en la marca de superposición, la deformación del proceso en la oblea de silicio (como varios procesos de calentamiento, procesos de recocido), etc. El paso de la máquina de litografía moderna puede compensar la expansión uniforme de la oblea de silicio y también puede compensar la distorsión no uniforme de la oblea de silicio, como el software GridMapper de "mapeo de cuadrícula" lanzado por ASML. Puede corregir la distorsión de la cuadrícula de exposición de oblea de silicio no lineal.

La uniformidad del ancho de línea se divide en dos categorías: uniformidad dentro del área de exposición (intracampo) y uniformidad entre áreas de exposición (intercampo).

La uniformidad del ancho de línea dentro del área de exposición está determinada principalmente por la uniformidad del ancho de línea de la máscara (transmitida a través del factor de error de máscara), la estabilidad de la energía (durante el escaneo), la uniformidad de la iluminación dentro de la ranura de escaneo, la uniformidad de enfoque/nivelación para cada punto en el área de exposición, la aberración de la lente (como coma, astigmatismo), el error de precisión de sincronización de escaneo (desviación estándar móvil, MSD), etc.

La uniformidad del ancho de línea entre las áreas de exposición está determinada principalmente por la estabilidad de la energía de iluminación, la uniformidad de la distribución del espesor de la película del sustrato de la oblea de silicio en la superficie de la oblea de silicio (principalmente debido a la uniformidad del recubrimiento de pegamento y la uniformidad del espesor de la película generada por otros procesos), la planitud de la superficie de la oblea de silicio, la uniformidad del horneado relacionado con el revelador, la uniformidad de la pulverización del revelador, etc.

Flujo del proceso de fotolitografía

El flujo básico del proceso de fotolitografía de 8- pasos se muestra en la Figura 7.9.

paso01-Tratamiento de superficie HMDS

paso02-Pegado

paso03-Horneado previo a la exposición

paso04-Alineación y exposición

paso05-Horneado posterior a la exposición

Paso06-Desarrollo

Paso07-Horneado posterior al desarrollo

paso08-Medición

1. Pretratamiento de la superficie de las obleas de silicio gaseoso

Antes de la fotolitografía, la oblea de silicio se someterá a una limpieza húmeda y un enjuague con agua desionizada para eliminar los contaminantes. Después de la limpieza, la superficie de la oblea de silicio debe hidrofobizarse para mejorar la adhesión entre la superficie de la oblea de silicio y la fotorresistencia (generalmente hidrófoba). El tratamiento hidrófobo utiliza un material llamado hexametildisilazano, con una fórmula molecular de (CH₃)3SiNHSi(CH₃)₃. Se produce vapor de hexametildisilazano (HMDS). Este pretratamiento con gas es similar al uso de un aerosol de imprimación sobre madera y plástico antes de pintar. La función del hexametildisilazano es reemplazar el hidroxilo hidrófilo (OH) en la superficie de la oblea de silicio con hidroxilo hidrófobo (OH) a través de una reacción química. OSi(CH₃)₃. Para lograr el propósito del pretratamiento

La temperatura del pretratamiento de gas se controla a 200-250 grado y el tiempo generalmente es de 30 s. El dispositivo de pretratamiento de gas está conectado a la pista de oblea para el procesamiento de fotorresistencia y su estructura básica se muestra en la Figura 7.10.

2. Fotorresistencia recubierta por centrifugación, capa antirreflectante

Después del pretratamiento con gas, es necesario recubrir la superficie de la oblea de silicio con fotorresistencia. El método de recubrimiento más utilizado es el método de recubrimiento por centrifugación. La fotorresistencia (unos pocos mililitros) se transporta primero al centro de la oblea de silicio mediante una tubería, y luego la oblea de silicio se rotará y se acelerará gradualmente hasta que se estabilice a una cierta velocidad (la velocidad determina el espesor del pegamento, y el espesor es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la velocidad). Cuando la oblea de silicio se detiene, su superficie está básicamente seca y el espesor es estable en un tamaño preestablecido. La uniformidad del espesor del recubrimiento debe estar dentro de ±20 Å ("Å, pronunciado "angstrom", es una unidad de longitud en física de partículas. 1 Å es igual a
m, que es una décima parte de un nanómetro) a 45 nm o más nodos de tecnología avanzada. Por lo general, hay tres componentes principales de la fotorresistencia: resina orgánica, disolvente químico y compuesto fotosensible (PAC).

En el capítulo dedicado a la fotorresistencia se analizará en detalle la fotorresistencia. En esta sección solo se analiza la dinámica de fluidos básica. El proceso de recubrimiento se divide en tres pasos:

① Transporte de fotorresistencia;
② Acelerar la rotación de la oblea de silicio a la velocidad final;
③ Gire a una velocidad constante hasta que el espesor se estabilice en el valor preestablecido;
El espesor final de la fotorresistencia está directamente relacionado con su viscosidad y con la velocidad de rotación final. La viscosidad de la fotorresistencia se puede ajustar aumentando o disminuyendo el disolvente químico. La mecánica de fluidos del recubrimiento por centrifugación se ha estudiado cuidadosamente.

Los altos requisitos de uniformidad del espesor de la fotorresistencia se pueden lograr controlando completamente los siguientes parámetros:

① Temperatura de la fotorresistencia;
② Temperatura ambiente;
③ Temperatura de la oblea de silicio;
④ Flujo de escape y presión del módulo de recubrimiento;

Otro desafío es cómo reducir los defectos relacionados con el recubrimiento. La práctica demuestra que el uso del siguiente proceso puede reducir significativamente la aparición de defectos.

(1) La propia fotorresistencia debe estar limpia y libre de partículas. Antes de aplicar el revestimiento, se debe utilizar un proceso de filtración y el tamaño de poro del filtro debe cumplir con los requisitos del nodo tecnológico.

(2) La propia fotorresistencia no debe contener aire mezclado, ya que las burbujas provocarán defectos en la imagen. Las burbujas se comportan de manera similar a las partículas.

(3) El diseño del recipiente de recubrimiento debe evitar estructuralmente las salpicaduras de la fotorresistencia expulsada.

(4) El sistema de bombeo para suministrar fotorresistencia debe estar diseñado para poder succionar después de cada suministro de fotorresistencia. La función de la succión es succionar el exceso de fotorresistencia de la boquilla hacia la tubería para evitar que el exceso de fotorresistencia gotee sobre la oblea de silicio o que el exceso de fotorresistencia se seque y cause defectos granulares durante el siguiente suministro. La acción de succión debe ser ajustable para evitar que entre aire en exceso en la tubería.

(5) Desprendimiento del borde de la oblea (Edge El disolvente utilizado en el proceso de eliminación de perlas (EBR) debe controlarse bien. Durante el proceso de recubrimiento por centrifugación de obleas de silicio, la fotorresistencia fluirá hacia el borde de la oblea de silicio y desde el borde de la oblea de silicio hasta la parte posterior de la oblea de silicio debido a la fuerza centrífuga. Se formará un círculo de residuo de fotorresistencia en forma de perla en el borde de la oblea de silicio debido a su tensión superficial, como se muestra en la Figura 7.11. Este residuo se llama perla de borde. Si no se elimina, este círculo de perla se despegará y formará partículas después del secado, y caerá sobre la oblea de silicio, la herramienta de transporte de obleas de silicio y el equipo de procesamiento de obleas de silicio, lo que provocará un aumento en la tasa de defectos. Además, el residuo de fotorresistencia en la parte posterior de la oblea de silicio se pegará a la plataforma de la oblea de silicio (mandril de oblea), lo que provocará una mala adsorción de la oblea de silicio, lo que provocará un desenfoque de exposición y aumentará los errores de superposición. Por lo general, se instala un dispositivo de eliminación de bordes en el recubrimiento de fotorresistencia. La función de retirar la fotorresistencia a una cierta distancia del borde de la oblea de silicio se logra girando la oblea de silicio en el borde de la oblea de silicio (una boquilla en la parte superior y otra en la parte inferior, y la posición de la boquilla desde el borde de la oblea de silicio es ajustable).

(6) Después de un cálculo cuidadoso, se descubrió que entre el 90% y el 99% de la fotorresistencia se desprendió de la oblea de silicio y se desperdició. Se ha intentado pretratar la oblea de silicio antes de centrifugar la fotorresistencia sobre la oblea de silicio utilizando un disolvente químico llamado acetato de metil éter de propilenglicol (fórmula molecular CH₃COOCH(CH₃)CH₃OCH₃), PGMEA). Este método se denomina recubrimiento de reducción de la resistencia (RRC). Sin embargo, si este método se utiliza de forma incorrecta, se producirán defectos. Los defectos pueden estar relacionados con el impacto químico en la interfaz RRC-fotorresistencia y la contaminación del disolvente RRC por amoníaco en el aire.

(7) Mantenga la presión de escape del revelador o del módulo revelador para evitar que pequeñas gotas de revelador salpiquen durante el proceso de revelado cuando se gira la oblea de silicio.

Dado que la viscosidad de la fotorresistencia cambia con la temperatura, se pueden obtener diferentes espesores modificando intencionalmente la temperatura de la oblea de silicio o de la fotorresistencia. Si se establecen diferentes temperaturas en diferentes áreas de la oblea de silicio, se pueden obtener diferentes espesores de fotorresistencia en una oblea de silicio. El espesor óptimo de la fotorresistencia se puede determinar mediante la ley del ancho de línea y el espesor de la fotorresistencia (curva de oscilación) para ahorrar obleas de silicio, tiempo de máquina y materiales. La discusión de las curvas de oscilación se tratará en capítulos posteriores. El método y el principio del recubrimiento por centrifugación de la capa antirreflectante son los mismos.

3. Horneado previo a la exposición
Después de que la fotorresistencia se aplica por centrifugación sobre la superficie de la oblea de silicio, se debe hornear. El propósito del horneado es eliminar casi todos los solventes. Este horneado se llama "horneado previo a la exposición" o "prehorneado" porque se realiza antes de la exposición. El prehorneado mejora la adhesión de la fotorresistencia, mejora la uniformidad de la fotorresistencia y controla la uniformidad del ancho de línea durante el proceso de grabado. En la fotorresistencia amplificada químicamente mencionada en la Sección 6.3, el prehorneado también se puede utilizar para cambiar la longitud de difusión del fotoácido hasta cierto punto para ajustar los parámetros de la ventana de proceso. La temperatura y el tiempo típicos de prehorneado son 90-100 grados, aproximadamente 30 s. Después del prehorneado, la oblea de silicio se moverá de la placa caliente utilizada para hornear a una placa fría para devolverla a temperatura ambiente en preparación para el paso de exposición.

4. Alineación y exposición
Los pasos posteriores al prehorneado son la alineación y la exposición. En el método de exposición por proyección, la máscara se mueve a una posición aproximada predefinida en la oblea de silicio, o a una posición adecuada en relación con el patrón existente en la oblea de silicio, y luego la lente transfiere su patrón a la oblea de silicio a través de fotolitografía. Para la exposición por proximidad o contacto, el patrón en la máscara se expondrá directamente a la oblea de silicio mediante la fuente de luz ultravioleta.

Para la primera capa de patrones, puede que no haya ningún patrón en la oblea de silicio, y la máquina de fotolitografía mueve la máscara relativamente a la posición aproximada predefinida (método de diferenciación de chip) en la oblea de silicio (dependiendo de la precisión de colocación lateral de la oblea de silicio en la plataforma de la máquina de fotolitografía, generalmente alrededor de 10 a 30 μm).

Para la segunda capa y los patrones subsiguientes, la máquina de fotolitografía necesita alinear la marca de alineación dejada por la exposición de la capa anterior para sobreimprimir la máscara de esta capa sobre el patrón existente de la capa anterior. Esta precisión de superposición suele ser del 25% al ​​30% del tamaño mínimo del patrón. Por ejemplo, en la tecnología de 90 nm, la precisión de superposición suele ser de 22 a 28 nm (3 veces la desviación estándar). Una vez que la precisión de alineación cumple con los requisitos, comienza la exposición. La energía de la luz activa los componentes sensibles a la luz en la fotorresistencia y comienza la reacción fotoquímica. Los principales indicadores para medir la calidad de la fotolitografía son generalmente la resolución y uniformidad de la dimensión crítica (CD), la precisión de la superposición y el número de partículas y defectos.

El significado básico de la precisión de superposición se refiere a la precisión de alineación (3σ) de los gráficos entre los dos procesos de fotolitografía. Si la desviación de alineación es demasiado grande, afectará directamente el rendimiento del producto. Para las máquinas de fotolitografía de alta gama, los proveedores de equipos generales proporcionarán dos valores para la precisión de superposición, uno es el error de superposición de dos veces de una sola máquina en sí y el otro es el error de superposición entre dos dispositivos (dispositivos diferentes).

5. Horneado posterior a la exposición
Una vez finalizada la exposición, es necesario volver a hornear la fotorresistencia. Como este horneado se realiza después de la exposición, se denomina "horneado posterior a la exposición", abreviado como horneado posterior a la exposición (PEB). El propósito del horneado posterior es completar por completo la reacción fotoquímica mediante el calentamiento. Los componentes fotosensibles generados durante el proceso de exposición se difundirán bajo la acción del calentamiento y reaccionarán químicamente con la fotorresistencia, transformando el material de la fotorresistencia que era casi insoluble en el líquido revelador en un material soluble en el líquido revelador, formando patrones que son solubles en el líquido revelador e insolubles en el líquido revelador en la película de fotorresistencia.

Dado que estos patrones son consistentes con los patrones de la máscara, pero no se muestran, también se denominan "imágenes latentes". En el caso de las fotorresistencias amplificadas químicamente, las temperaturas de cocción excesivas o los tiempos de cocción excesivos provocarán una difusión excesiva de fotoácidos (catalizadores de reacciones fotoquímicas), lo que dañará el contraste de la imagen original y, por lo tanto, reducirá la uniformidad de la ventana de proceso y el ancho de línea. Se realizará un análisis detallado en los capítulos posteriores. Para mostrar realmente la imagen latente, se requiere revelado.

6. Desarrollo
Una vez finalizado el proceso de poscocción, la oblea de silicio entrará en la etapa de revelado. Dado que la fotorresistencia después de la reacción fotoquímica es ácida, se utiliza una solución alcalina fuerte como revelador. Generalmente, se utiliza una solución acuosa de hidróxido de tetrametilamonio (TMAH) al 2,38 % con una fórmula molecular de (CH₃)₄NOH. Después de que la película de fotorresistencia haya pasado por el proceso de revelado, el revelador elimina las áreas expuestas y el patrón de la máscara se muestra en la película de fotorresistencia sobre la oblea de silicio en forma de formas cóncavas y convexas con o sin fotorresistencia. El proceso de revelado generalmente tiene los siguientes pasos:

(1) Pre-pulverización (pre-humectación): rocíe un poco de agua desionizada (agua DI) sobre la superficie de la oblea de silicio para mejorar la adhesión del revelador sobre la superficie de la oblea de silicio.

(2) Dispensación del revelador (dispensación del revelador): se aplica el revelador a la superficie de la oblea de silicio. Para que todas las partes de la superficie de la oblea de silicio entren en contacto con la mayor cantidad posible de revelador, se han desarrollado los siguientes métodos de dispensación del revelador. Por ejemplo, se utilizan boquillas E2, boquillas LD, etc.

(3) Permanencia del revelador en la superficie (charco): después de rociar el revelador, debe permanecer en la superficie de la oblea de silicio durante un período de tiempo, generalmente desde decenas de segundos hasta uno o dos minutos, para permitir que el revelador reaccione completamente con la fotorresistencia.

(4) Extracción y enjuague del revelador: Una vez que el revelador se haya detenido, se desechará el revelador y se rociará agua desionizada sobre la superficie de la oblea de silicio para eliminar el revelador residual y los fragmentos de fotorresistencia residuales.

(5) Centrifugado: La oblea de silicio gira a alta velocidad para extraer el agua desionizada de la superficie.

7. Horneado posterior al revelado, horneado de película dura
Después del revelado, dado que la oblea de silicio está expuesta al agua, la fotorresistencia absorberá algo de agua, lo que no es bueno para los procesos posteriores, como el grabado húmedo. Por lo tanto, se requiere un horneado de película dura para expulsar el exceso de agua de la fotorresistencia. Dado que la mayoría de los grabados actuales utilizan grabado de plasma, también conocido como "grabado en seco", el horneado de película dura se ha omitido en muchos procesos.

8. Medición
Una vez finalizada la exposición, es necesario medir (metrología) la dimensión crítica (dimensión crítica, CD para abreviar) formada por la litografía y la precisión de la superposición. La dimensión crítica se mide normalmente utilizando un microscopio electrónico de barrido, mientras que la precisión de la superposición se mide mediante un microscopio óptico y un detector de imágenes de matriz acoplada a carga (CCD). La razón para utilizar un microscopio electrónico de barrido es que el ancho de línea en el proceso de semiconductores es generalmente menor que la longitud de onda de la luz visible, como 400 a 700 nm, y la longitud de onda equivalente del electrón del microscopio electrónico está determinada por el voltaje de aceleración del electrón. Según los principios de la mecánica cuántica, la longitud de onda de De Broglie de un electrón es

Donde h (6,626×10^-³⁴Js) es la constante de Planck, m (9,1×10^-³¹kg) es la masa del electrón en el vacío y v es la velocidad del electrón. Si el voltaje de aceleración es V, la longitud de onda de De Broglie del electrón se puede escribir como

Donde q (1,609×10^-19c) es la carga del electrón. Sustituyendo valores numéricos, la ecuación (7-7) puede escribirse aproximadamente como

Si el voltaje de aceleración es 300V, la longitud de onda del electrón es 0,07 nm, lo que es suficiente para medir el ancho de la línea. En el trabajo real, la resolución del microscopio electrónico está determinada por la dispersión múltiple del haz de electrones en el material y la aberración de la lente electrónica. Por lo general, la resolución del microscopio electrónico es de decenas de nanómetros y el error de medición de la dimensión de la línea es de aproximadamente 1 a 3 nm. Aunque la precisión de superposición ha alcanzado el nivel nanométrico, dado que la medición de la superposición solo requiere la capacidad de determinar la posición central de la línea más gruesa, se puede utilizar un microscopio óptico para medir la precisión de la superposición.

La figura 7.12 (a) es una captura de pantalla de la medición de tamaño tomada con un microscopio electrónico de barrido. Las líneas dobles blancas y las flechas relativas en la figura representan el tamaño del objetivo. El contraste de la imagen del microscopio electrónico de barrido se forma por la emisión y recolección de electrones secundarios generados por el bombardeo de electrones. Se puede ver que se pueden recolectar más electrones secundarios en el borde de la línea. En principio, cuantos más electrones se recolecten, más precisa será la medición. Sin embargo, dado que no se puede ignorar el impacto del haz de electrones en la fotorresistencia, esta se encogerá después de la irradiación del haz de electrones, especialmente la fotorresistencia de 193 nm. Por lo tanto, se vuelve muy importante establecer un equilibrio entre la mensurabilidad y la interrupción mínima.

La figura 7.12 (b) es un diagrama esquemático típico de medición de superposición, en el que el grosor de la línea es generalmente de 1 a 3 μm, la longitud del lado del marco exterior es generalmente de 20 a 30 μm y la longitud del lado del marco interior es generalmente de 10 a 20 μm. En esta figura, los diferentes colores o contrastes que muestran los marcos interior y exterior se deben a las diferencias en el color y el contraste de la luz reflejada causadas por los diferentes grosores de las diferentes capas de películas delgadas. La medición de la superposición se logra determinando la diferencia espacial entre el punto central del marco interior y el punto central del marco exterior. La práctica ha demostrado que, siempre que se proporcione una intensidad de señal suficiente, incluso un microscopio óptico puede lograr una precisión de medición de aproximadamente 1 nm.

Método de evaluación de la integridad del patrón y de la ventana del proceso de litografía

Margen de energía de exposición, pendiente logarítmica de imagen normalizada (NILS)

En la Sección 2, se mencionó que el margen de energía de exposición (EL) se refiere a la desviación máxima permitida de la energía de exposición dentro del rango permitido de variación del ancho de línea. Es un parámetro básico para medir el proceso de litografía.

La figura 7.13 (a) muestra la variación del patrón litográfico con la energía de exposición y la distancia focal.

La figura 7.13 (b) muestra un patrón de prueba de distribución bidimensional con diferentes energías y longitudes focales expuestas en una oblea de silicio. Es como una matriz y también se denomina matriz de enfoque-exposición (FEM).

Esta matriz se utiliza para medir la ventana de proceso del proceso de fotolitografía en uno o varios patrones, como el margen de energía y la profundidad de enfoque. Si se agregan patrones de prueba especiales en la máscara, la Matriz de Energía de Enfoque también puede medir otros parámetros de rendimiento relacionados con el proceso y el equipo, como varias aberraciones de la lente de la máquina de litografía, luz difusa (destellos), factor de error de la máscara, longitud de difusión del fotoácido de la fotorresistencia, sensibilidad de la fotorresistencia, precisión de fabricación de la máscara, etc.

En la Figura 7.13 (a), el gráfico gris representa la morfología de la sección transversal de la fotorresistencia (fotorresistencia positiva) después de la exposición y el revelado. A medida que la energía de exposición continúa aumentando, el ancho de la línea se hace cada vez más pequeño. A medida que cambia la distancia focal, la morfología vertical de la fotorresistencia también cambia. Analicemos primero el cambio con la energía. Si se selecciona la distancia focal como -0.1μm, es decir, el plano focal proyectado está 0.1μm por debajo de la parte superior de la fotorresistencia. Si se mide el ancho de la línea a medida que cambia con la energía, se puede obtener una curva como la que se muestra en la Figura 7.14.

Si seleccionamos la tolerancia CD total del ancho de línea como ±10% del ancho de línea de 90 nm, es decir, 18 nm, y la pendiente del ancho de línea que cambia con la energía de exposición es 6,5 nm/(mJ/cm²), y la energía de exposición óptima es 20 (mJ/cm²), entonces el margen de energía EL es 18/6,5/20=13,8%.

¿Es suficiente? Esta pregunta está relacionada con factores como la resistencia de la máquina de litografía, la capacidad de control de producción del proceso y los requisitos del dispositivo para el ancho de línea. El margen de energía también está relacionado con la capacidad de la fotorresistencia para preservar la imagen espacial. En términos generales, en los nodos de 90 nm, 65 nm, 45 nm y 32 nm, el requisito de EL para la litografía de la capa de compuerta es del 15 % al 20 %, y el requisito de EL para la capa de cableado de metal es de aproximadamente el 13 % al 15 %.

El margen de energía también está directamente relacionado con el contraste de la imagen, pero la imagen aquí no es la imagen espacial de la lente, sino la "imagen latente" después de la reacción fotoquímica de la fotorresistencia. La absorción de luz por la fotorresistencia y la ocurrencia de reacciones fotoquímicas requieren la difusión de componentes sensibles a la luz en la película de la fotorresistencia. La difusión requerida para esta reacción fotoquímica reducirá el contraste de la imagen. El contraste se define como

Entre ellos, U es la intensidad luminosa equivalente de la "imagen latente" (en realidad, la densidad del componente sensible a la luz).

Para líneas densas, si el período espacial P es menor que λ /NA, entonces su intensidad de luz equivalente de imagen espacial U(x) debe ser una onda sinusoidal, como se muestra en la Figura 7.15, que puede escribirse como

De acuerdo con la definición de EL, combinada con la fórmula (7-10), como se muestra en la Figura 7.16, EL se puede escribir como la siguiente expresión, es decir,

Para líneas y espacios iguales, CD=P/2. Existe una expresión más concisa e intuitiva, a saber:

Es decir, si dCD utiliza el CD general del 10%, entonces el contraste es aproximadamente igual a 3,2 veces el EL. La pendiente en la fórmula (7-11) es

También se denomina pendiente logarítmica de la imagen (ILS). Debido a su relación directa con el contraste de la imagen y la EL, también se utiliza como un parámetro importante para medir la ventana del proceso de litografía. Si se normaliza, es decir, se multiplica por el ancho de línea, se puede obtener la pendiente logarítmica de la imagen normalizada (NILS), tal como se define en la fórmula (7-15), es decir,

En general, U (x) se refiere a la imagen espacial proyectada por la lente en la fotorresistencia, que aquí se refiere a la "imagen latente" después de la reacción fotoquímica de la fotorresistencia. Para líneas densas con espaciado igual, CD=P/2, y el período espacial P es menor que λ/NA, NILS se puede escribir como

Por ejemplo, para un proceso de memoria de 90nm, el ancho de línea CD es igual a 0.09μm, si el contraste es del 50% y el período espacial es 0,18μm, entonces el NILS es 1,57.

Profundidad de enfoque (método de nivelación)

La profundidad de foco (DOF) se refiere al rango máximo de variación de la longitud focal dentro del rango permitido de variación del ancho de línea. Como se muestra en la Figura 7.13, la fotorresistencia no solo cambiará en el ancho de línea sino también en la morfología a medida que cambia la longitud focal. En términos generales, para las fotorresistencias con alta transparencia, como las fotorresistencias de 193 nm y las fotorresistencias de 248 nm con alta resolución, cuando el plano focal de la máquina de fotolitografía está en un valor negativo, el plano focal está cerca de la parte superior de la fotorresistencia; cuando la relación de aspecto es mayor que 2.5-3, debido al gran ancho de línea en la parte inferior de la fotorresistencia, incluso puede ocurrir un "socavamiento", lo que puede causar inestabilidad mecánica y vuelco. Cuando el plano focal está en un valor positivo, debido al gran ancho de línea en la parte superior de la ranura de la fotorresistencia, las esquinas cuadradas en la parte superior se redondearán (redondeo superior). Este "redondeo superior" puede transferirse a la morfología del material después del grabado, por lo que se deben evitar tanto el "socavamiento" como el "redondeo".

Si se grafican los datos de ancho de línea en la Figura 7.13, se obtendrá una curva de ancho de línea versus longitud focal a diferentes energías de exposición, como se muestra en la Figura 7.17.

La variación del ancho de línea con la distancia focal bajo una energía de exposición de 16, 18, 20, 22, 24 también se denomina diagrama de Poisson.

Si el rango de variación permisible del ancho de línea está limitado a ±9 nm, la variación máxima permisible de la longitud focal en la energía de exposición óptima se puede encontrar en la Figura 7.17. No solo eso, porque en el trabajo real, tanto la energía como la longitud focal cambian al mismo tiempo, como la deriva de la máquina de litografía, es necesario obtener el rango de variación máxima permisible de la longitud focal bajo la condición de deriva de energía. Como se muestra en la Figura 7.17, un cierto rango de variación permisible del ancho de línea EL, como ±5% como el estándar (EL=10%), se puede utilizar para calcular el rango de variación máxima permisible de la longitud focal, que está entre 19 y 21 mJ/cm2. Los datos EL se pueden graficar contra el rango de longitud focal permisible, como se muestra en la Figura 7.18. Se puede encontrar que en el proceso de 90 nm, bajo el rango de variación del 10% EL, el rango de profundidad de enfoque máximo es de aproximadamente 0,30 μm.

¿Es suficiente? En términos generales, la profundidad de enfoque está relacionada con la máquina de fotolitografía, como la precisión del control de enfoque, incluida la estabilidad del plano focal de la máquina, la curvatura de campo de la lente, el astigmatismo, la precisión de nivelación y la planitud de la plataforma de la oblea de silicio. Por supuesto, también está relacionada con la planitud de la propia oblea de silicio y el grado de reducción de planitud causado por el proceso de aplanamiento químico-mecánico. Para diferentes nodos de tecnología, los requisitos típicos de profundidad de enfoque se enumeran en la Tabla 7.1.

Dado que la profundidad de enfoque es tan importante, la nivelación, una parte importante de la máquina de litografía, es muy crítica. El método de nivelación más utilizado en la industria hoy en día es determinar la posición vertical z de la oblea de silicio y los ángulos de inclinación R_xy R_y
en dirección horizontal midiendo la posición del punto de luz reflejado por la luz incidente oblicua sobre la superficie de la oblea de silicio, como se muestra en la Figura 7.19.

El sistema real es mucho más complicado, incluyendo cómo separar los z, R independientes._x, y Ry. Dado que estos tres parámetros independientes deben medirse simultáneamente, un haz de luz no es suficiente (solo hay dos grados de libertad para el desplazamiento lateral) y se requieren al menos dos haces de luz.

Además, si es necesario detectar z, R_x, y R_yEn diferentes puntos del área de exposición o ranura, es necesario aumentar el número de puntos de luz. Generalmente, para un área de exposición, puede haber hasta 8 a 10 puntos de medición. Sin embargo, este método de nivelación tiene sus limitaciones. Debido a que se utiliza luz incidente oblicua, como un ángulo de incidencia rasante de 15 a 20 grados (o un ángulo de incidencia de 70 a 75 grados en relación con la dirección vertical de la superficie de la oblea de silicio), para superficies como la fotorresistencia y el dióxido de silicio con un índice de refracción de luz blanca de aproximadamente 1,5, solo alrededor del 18 % al 25 % de la luz se refleja de vuelta, como se muestra en la Figura 7.20, y el otro 75 % al 82 % de la luz que ingresa al detector penetrará la superficie del medio transparente. Esta parte de la luz transmitida continuará propagándose hasta que encuentre un medio opaco o un medio reflectante, como silicio, polisilicio, metal o un medio con un índice de refracción alto, como nitruro de silicio, y luego se refleja.

Por lo tanto, la "superficie" realmente detectada por el sistema de nivelación estará en algún lugar por debajo de la superficie superior de la fotorresistencia. Dado que el extremo posterior de la línea (BEOL) tiene principalmente una capa de óxido relativamente gruesa, como varios dióxidos de silicio, habrá una cierta desviación de la longitud focal entre el extremo frontal de la línea (FEOL) y el extremo posterior, generalmente entre 0.05 y 0,20 μm, dependiendo del espesor del medio transparente y la reflectividad del medio opaco. Por lo tanto, en el extremo posterior, el patrón de diseño del chip debe ser lo más uniforme posible; de ​​lo contrario, debido a la distribución desigual de la densidad del patrón, provocará errores de nivelación, lo que introducirá una compensación de inclinación incorrecta y provocará desenfoque.

Generalmente existen dos modos de nivelación de las máquinas de fotolitografía:

(1) Modo plano: mida la altura de varios puntos en el área de exposición o en toda la oblea de silicio y luego encuentre el plano de acuerdo con el método de mínimos cuadrados;

(2) Modo dinámico (exclusivo de las máquinas de fotolitografía de escaneo): mide dinámicamente la altura de varios puntos en el área de la ranura escaneada y luego compensa continuamente a lo largo de la dirección de escaneo. Por supuesto, es importante saber que la retroalimentación de nivelación se logra moviendo la plataforma de la oblea de silicio hacia arriba y hacia abajo e inclinándola a lo largo de la dirección de no escaneo. Su compensación solo puede ser macroscópica, generalmente a nivel milimétrico. Además, en la dirección de no escaneo (dirección X), solo se puede procesar de acuerdo con la inclinación de primer orden, y cualquier curvatura no lineal (como la curvatura del campo de la lente y la deformación de la oblea de silicio) no se puede compensar, como se muestra en la Figura 7.21.

En el modo dinámico, algunas máquinas de litografía también pueden detener la medición de nivelación para áreas de exposición incompletas (disparos) o áreas de chip en el borde de la oblea de silicio (un área de exposición con un máximo de
Puede contener muchas áreas de chip, llamadas matriz), y utilizar los datos de exposición o nivelación del área de chip a su alrededor para la epitaxia a fin de evitar errores de medición causados ​​por una desviación excesiva de la altura y una capa de película incompleta en el borde de la oblea de silicio. En las máquinas de litografía ASML, esta función se denomina "Separación del borde del foco dependiente del circuito" (CDFEC).

Hay varios factores principales que afectan la profundidad de foco: apertura numérica del sistema, condición de iluminación, ancho de línea del patrón, densidad del patrón, temperatura de horneado de la fotorresistencia, etc. Como se muestra en la Figura 7.22, según la óptica ondulatoria, en la mejor distancia focal, todos los rayos de luz convergidos al foco tienen la misma fase;

Sin embargo, en la posición desenfocada, los rayos de luz que pasan por el borde de la lente y los rayos de luz que pasan por el centro de la lente recorren diferentes caminos ópticos, y su diferencia es (FF′- OF′). Cuando aumenta la apertura numérica, la diferencia de caminos ópticos también aumenta, y la intensidad de luz focal real en el punto de desenfoque se vuelve más pequeña, o la profundidad de enfoque se vuelve más pequeña. En condiciones de iluminación de luz paralela, la profundidad de enfoque (Rayleigh) generalmente se da mediante la siguiente fórmula, es decir,

Donde θ es el ángulo máximo de apertura de la lente, correspondiente a la apertura numérica NA. Cuando NA es relativamente pequeña, se puede escribir aproximadamente como

Se puede observar que cuando la apertura numérica es mayor, la profundidad de enfoque es menor y la profundidad de enfoque es inversamente proporcional al cuadrado de la apertura numérica.

No solo la apertura numérica afecta la profundidad de enfoque, sino también las condiciones de iluminación. Por ejemplo, para gráficos densos, y el período espacial es menor que λ /NA, la iluminación fuera del eje aumentará la profundidad de enfoque. Esta parte se discutirá nuevamente en la Sección 7.1 de la Sección 7 con iluminación fuera del eje. Además, el ancho de línea de los gráficos también afectará la profundidad de enfoque. Por ejemplo, la profundidad de enfoque de los gráficos pequeños es generalmente menor que la de los gráficos gruesos. Esto se debe a que el ángulo de onda de difracción de los gráficos pequeños es relativamente grande y el ángulo entre su convergencia en el plano focal es relativamente grande. Como se mencionó anteriormente, la profundidad de enfoque será menor. Además, la temperatura de horneado de la fotorresistencia también afectará la profundidad de enfoque hasta cierto punto. Un horneado posterior a la exposición (PEB) más alto hará que el promedio del contraste de la imagen espacial en la dirección vertical (Z) dentro del espesor de la fotorresistencia, lo que dará como resultado una mayor profundidad de enfoque. Sin embargo, esto es a expensas de reducir el contraste máximo de la imagen.

Factor de error de máscara

El factor de error de máscara (MEF) o factor de mejora de error de máscara (MEEF) se define como la derivada parcial del ancho de línea expuesta en la oblea de silicio con respecto al ancho de línea de máscara. El factor de error de máscara se debe principalmente a la difracción del sistema óptico y aumentará debido a la fidelidad limitada de la fotorresistencia a la imagen espacial. Los factores que afectan al factor de error de máscara incluyen las condiciones de iluminación, las propiedades de la fotorresistencia, las aberraciones de la lente de la máquina de litografía, la temperatura posterior al horneado (PEB), etc. En la última década, ha habido muchos informes sobre la investigación de los factores de error de máscara en la literatura. A partir de estos estudios, se puede ver que cuanto menor sea el período espacial o menor el contraste de la imagen, mayor será el factor de error de máscara. Para patrones que son mucho más grandes que la longitud de onda de exposición, o en el llamado rango lineal, el factor de error de máscara generalmente está muy cerca de 1. Para patrones que son cercanos o más pequeños que la longitud de onda, el factor de error de máscara aumentará significativamente. Sin embargo, excepto en los siguientes casos especiales, el factor de error de máscara generalmente no es menor que 1:

(1) La litografía lineal que utiliza una máscara de cambio de fase alternante puede producir un factor de error de máscara significativamente menor que 1. Esto se debe a que la intensidad mínima de la luz en la distribución del campo de la imagen espacial se debe principalmente a la mutación de fase de 180 grados generada por la zona de fase adyacente. Cambiar el ancho de la línea de metal en la máscara en la mutación de fase tiene poco efecto en el ancho de la línea.

(2) El factor de error de máscara será significativamente menor que 1 cerca de la pequeña estructura de compensación en la corrección del efecto de proximidad óptica. Esto se debe a que el sistema de imágenes no puede identificar con sensibilidad los pequeños cambios en el patrón principal con una resolución limitada causada por la difracción.

Por lo general, para patrones espacialmente extendidos, como líneas o ranuras y orificios de contacto, el factor de error de máscara es igual o mayor que 1. Debido a que la importancia del factor de error de máscara radica en su relación con el ancho de línea y el costo de la máscara, resulta muy importante limitarlo a un rango pequeño. Por ejemplo, para la capa de compuerta con requisitos de uniformidad de ancho de línea extremadamente altos, generalmente se requiere que el factor de error de máscara se controle por debajo de 1,5 (para procesos de 90 nm y más anchos).

Hasta hace poco, la obtención de datos sobre los factores de error de máscara requería simulación numérica o medición experimental. Para la simulación numérica, lograr un cierto grado de precisión requiere confiar en la experiencia en el establecimiento de parámetros de simulación. Si se requiere información sobre la distribución de los factores de error de máscara en todo el espacio de parámetros de litografía, dichos métodos tardarán mucho tiempo en usarse. De hecho, para la formación de imágenes de líneas densas o ranuras, el factor de error de máscara tiene una expresión analítica aproximada en teoría. En las condiciones especiales en las que el período espacial p es menor que λ /NA y el ancho de la línea es igual al ancho de la ranura, en condiciones de iluminación anular, la expresión analítica se puede simplificar y escribir en la siguiente forma, es decir,

+, - son aplicables a ranuras y líneas, respectivamente. Entre ellos, σ es el parámetro de coherencia parcial (0＜σ ＜1), es el factor de transmitancia de amplitud en la máscara de cambio de fase atenuada (por ejemplo, para una máscara atenuada al 6%, es 0.25), n es el índice de refracción de la fotorresistencia (normalmente entre 1,7 y 1,8), y a es la longitud de difusión del fotoácido equivalente bajo el modelo de umbral (dependiendo de los diferentes nodos de tecnología, normalmente de 5 a 10 nm para nodos de 32 a 45 nm a 70 nm para nodos de 0,18 a 0,25 μm).

Para la máscara de cambio de fase alterna (Alt-PSM), MEF tiene una expresión más simple, a saber:

Entre ellos, el período espacial p<3λ / (2NA), CD refers to the line width on the silicon wafer, and δ refers to the line width on the mask. If we plot equation (7-21), we can get the result in Figure 7.23. It can be seen that MEF increases rapidly as the spatial period decreases, and increases as the photoacid diffusion length increases.

Si se conocen todos los parámetros excepto la longitud de difusión del fotoácido en la fórmula (7-21), la longitud de difusión del fotoácido se puede obtener ajustando los datos experimentales. Los resultados muestran que después de 40 segundos de poscocción, la longitud de difusión del fotoácido de un cierto tipo de fotorresistencia de 193 nm es de 27 nm; después de 60 segundos de poscocción, la longitud de difusión se convierte en 33 nm. Y debido a la precisión de los datos, la precisión de la medición de la longitud de difusión del fotoácido es de ±2 nm. Esto es un orden de magnitud mayor que la precisión de los métodos de medición anteriores, como se muestra en la Figura 7.24. El factor de error de máscara también se puede utilizar para calcular los requisitos del ancho de línea de máscara para la uniformidad del ancho de línea, así como la configuración de las reglas de espaciado de gráficos bidimensionales en la corrección del efecto de proximidad óptica. Para un gráfico bidimensional con extremos de línea acortados, como se muestra en la Figura 7.25, a través del cálculo de una función de dispersión de puntos simple y un cierto grado de aproximación de la difusión del fotoácido, se puede obtener una fórmula casi analítica para el efecto de proximidad óptica del extremo de línea, es decir,

Donde PSF es la función de dispersión de puntos, el subíndice "D" representa la difusión del fotoácido, a representa la longitud de difusión del fotoácido, n=1, 2 corresponde a las condiciones de iluminación coherente e incoherente, y

Uniformidad del ancho de línea

La uniformidad del ancho de línea en los procesos de semiconductores se divide generalmente en: área del chip, área de inyección, área de oblea, área del lote y área de lote a lote. Los factores que afectan la uniformidad del ancho de línea y el análisis general del rango de impacto se enumeran en la Tabla 7.2. De la Tabla 7.2, podemos encontrar que:

1) Generalmente, los problemas causados ​​por las máquinas de litografía y las ventanas de proceso tienen un amplio impacto.

(2) Los problemas causados ​​por errores de fabricación de la máscara o efectos de proximidad óptica generalmente se limitan al área de exposición.

(3) Los problemas causados ​​por el recubrimiento o el sustrato generalmente se limitan a la oblea de silicio.

Los dispositivos CMOS generalmente requieren una uniformidad del ancho de línea de aproximadamente ±10% del ancho de línea. Para las puertas, la precisión de control general es de ±7%. Esto se debe a que en los procesos por debajo del nodo de 0,18 μm, generalmente hay un proceso de grabado de "recorte" del ancho de línea después de la litografía y antes del grabado, que reduce aún más el ancho de línea de litografía al ancho de línea del dispositivo, o cerca del ancho de línea del dispositivo, que generalmente es el 70% del ancho de línea de litografía. Dado que el control del ancho de línea del dispositivo es de ±10%, el ancho de línea de litografía se convierte en ±7%.

Existen muchas formas de mejorar la uniformidad del ancho de línea de litografía, como compensar la distribución de energía de exposición en la distribución de iluminación de la máquina de litografía en función de los resultados de la medición de uniformidad de exposición en el área de exposición. Esta compensación se puede lograr en dos niveles. Se puede compensar en las constantes de la máquina, lo que es aplicable a todas las condiciones de iluminación, o se puede compensar en la subrutina de exposición (siguiendo un determinado programa de exposición). De esta manera, se puede apuntar con precisión a un cierto nivel con estrictos requisitos de uniformidad. También se puede mejorar analizando la causa raíz del ancho de línea de litografía desigual. Por ejemplo, un problema típico es la influencia de la diferencia de altura causada por la estructura del proceso en el sustrato de la oblea de silicio en la uniformidad del ancho de línea de la compuerta. Por ejemplo, la uniformidad del ancho de línea local (Variación CD local, LCDV) de la capa de compuerta analizada en [6] se deteriorará debido a la fluctuación de altura del sustrato. Esta fluctuación se muestra en la Figura 7.28.

Los cambios en el ancho de línea causados ​​por la diferencia de altura se muestran en la Figura 7.29 y la Figura 7.30. Se puede ver que a medida que la diferencia de altura disminuye gradualmente, el ancho de línea disminuye gradualmente hasta un valor estable.

1. Mejora de la uniformidad del ancho de línea en la zona del chip o en la zona gráfica
Dado que hay muchos factores que afectan este rango, solo se analizan algunos métodos principales.

(1) Mejorar la ventana de proceso y optimizar la ventana de proceso.

Para gráficos densos, se puede utilizar iluminación fuera del eje para mejorar tanto el contraste como la profundidad de enfoque, y se pueden utilizar máscaras de cambio de fase para mejorar el contraste;

Para gráficos aislados, se pueden utilizar tiras de dispersión de subdifracción (SRAF) para mejorar la profundidad de enfoque de los gráficos aislados;

Para gráficos semiaislados, es decir, el período espacial es menor que el doble del período espacial mínimo y ligeramente mayor que el período espacial mínimo, la ventana de proceso aquí alcanzará un estado casi difícil, también conocido como "tono prohibido", como se muestra en la Figura 7.31.

Como se puede ver en la Figura 7.31, en relación con el período espacial mínimo de 310 nm, el ancho de línea cae de 130 nm a aproximadamente 90 nm cerca del período de 500 nm. Esto (no se muestra aquí) también implica una caída significativa en el contraste y la profundidad de enfoque. La prohibición del período espacial se debe a la necesidad de mantener un ancho de línea mínimo fijo en la litografía de circuitos lógicos, lo que da como resultado una grave falta de contraste en imágenes con espaciado desigual en diferentes períodos espaciales o patrones adyacentes. Se debe principalmente a que la iluminación fuera del eje impone limitaciones en los gráficos semidensos. Por lo general, la iluminación fuera del eje solo tiene una gran ayuda para el período espacial mínimo, pero tiene un cierto impacto negativo en los llamados gráficos "semidensos" en el período espacial mínimo y 2 veces el período espacial mínimo. Para mejorar la ventana de proceso durante el llamado período prohibido, el ángulo fuera del eje de la iluminación fuera del eje debe reducirse adecuadamente para lograr un rendimiento de uniformidad de ancho de línea equilibrado.

(2) Mejorar la precisión y confiabilidad de la corrección del efecto de proximidad óptica.

El proceso básico de corrección del efecto de proximidad óptica es el siguiente: al establecer el modelo, primero se diseñan algunos gráficos de calibración en la máscara de prueba, como se muestra en la Figura 7.32. Luego, se obtiene el tamaño del patrón de la fotorresistencia en la oblea de silicio exponiendo la oblea de silicio y, luego, se calibra el modelo (se determinan los parámetros relevantes del modelo) y, al mismo tiempo, se calcula la cantidad de corrección. Luego, en función de la similitud entre el gráfico real y el gráfico de calibración, se corrige de acuerdo con el modelo.

La precisión de la corrección del efecto de proximidad óptica depende de los siguientes factores: precisión de la medición de los datos de ancho de línea de la oblea de silicio, precisión de ajuste del modelo y la racionalidad y confiabilidad del algoritmo de corrección del patrón de circuito del modelo, como el método de muestreo (fragmentación), la selección de la densidad del punto de muestreo, el tamaño de paso correcto, etc. Para los modelos de fotorresistencia, generalmente existen modelos de umbral simples que incluyen difusión gaussiana (modelo de umbral con difusión gaussiana) y modelos de resistencia de umbral variable. El primero supone que la fotorresistencia es un interruptor de luz. Cuando la intensidad de la luz alcanza un cierto umbral, la tasa de disolución de la fotorresistencia en el revelador cambia repentinamente. Esto último se debe a la desviación del primero con respecto a los datos experimentales. El segundo cree que la fotorresistencia es un sistema complejo y su umbral de reacción está relacionado con la intensidad máxima de la luz y el gradiente de la intensidad máxima de la luz (que provocará la difusión direccional del agente fotosensible), y puede ser una relación no lineal. Y el último también puede describir algunas desviaciones del ancho de línea de grabado en patrones densos a aislados. Por supuesto, este tipo de modelo no puede mostrar físicamente la imagen física con mucha claridad. En términos generales, la imagen física del modelo de umbral más la difusión gaussiana es muy clara y la gente la usa más, especialmente en el desarrollo de procesos y en el trabajo de optimización de procesos. En términos de corrección del efecto de proximidad óptica, dado que es necesario construir un modelo con una precisión de unos pocos nanómetros en un tiempo muy corto, agregar algunos parámetros adicionales cuyo significado físico no se puede explicar claramente es inevitable y también es una medida temporal.

Por supuesto, a medida que el proceso de fotolitografía continúa desarrollándose, el modelo de corrección del efecto de proximidad de la fotolitografía continuará evolucionando y absorbiendo parámetros con significados físicos. Para aumentar la precisión del modelo, puede ampliar la representatividad de los gráficos de medición aumentando el número de puntos de medición (por ejemplo, de 3 a 5 veces), es decir, mejorando los gráficos de calibración (calibre), como se muestra en la Figura 7.32. Los mismos gráficos de diseño de circuitos se encuentran en Correlaciones y similitudes en formas geométricas. Durante el proceso de ajuste del modelo, intente utilizar parámetros físicos y retroalimente los errores de ajuste al ingeniero de litografía para que los analice y elimine posibles errores. La corrección del efecto de proximidad óptica se analizará en profundidad en otro capítulo.

(3) Optimizar el espesor de la capa antirreflejo.

Debido a la diferencia en el índice de refracción (valores n y k) entre la fotorresistencia y el sustrato, parte de la luz de iluminación se reflejará de vuelta desde la interfaz entre la fotorresistencia y el sustrato, causando interferencia con la luz de imagen incidente. Cuando esta interferencia es grave, puede incluso producir un efecto de onda estacionaria, como se muestra en la Figura 7.33 (c). La Figura 7.33 (c) muestra la sección transversal de la fotorresistencia de 365 nm o 248 nm de línea i. Debido a que la distancia entre los picos en la onda estacionaria es la mitad de una longitud de onda, y el índice de refracción n de la fotorresistencia es generalmente alrededor de 1,6 a 1,7, de acuerdo con el número de picos (~10), se puede inferir que el espesor de la fotorresistencia es de aproximadamente 0,7 a 1,2 μm. El espesor de la fotorresistencia de 193 nm es generalmente menor a 300 nm. Para eliminar la luz reflejada en la parte inferior de la fotorresistencia, generalmente se utiliza un revestimiento antirreflejo inferior (BARC), como se muestra en la Figura 7.34 (a). En la Figura 7.34 (a), se agrega una interfaz después de agregar la capa antirreflejo inferior. La fase de la luz reflejada entre la capa antirreflejo y el sustrato se puede ajustar ajustando el espesor de la capa antirreflejo para compensar la luz reflejada entre la fotorresistencia y la capa antirreflejo, eliminando así la luz reflejada en la parte inferior de la fotorresistencia. Para la capa antirreflejo, si se debe lograr una antirreflejo estricta con un espesor de aproximadamente 1/4 de la longitud de onda, el índice de refracción n de la capa antirreflejo debe ajustarse con precisión para que esté entre n_Sustratoy n_{Fotorresistencia}del sustrato, es decir,

(4) Optimizar el espesor y la curva de oscilación de la fotorresistencia.

Incluso con la capa antirreflejo inferior, todavía habrá una cierta cantidad de luz residual reflejada desde la parte inferior de la fotorresistencia. Esta parte de la luz interferirá con la luz reflejada desde la parte superior de la fotorresistencia, como se muestra en la Figura 7.35 (a) y la Figura 7.35 (b). A medida que cambia el espesor de la fotorresistencia, la fase de "luz reflejada 0" y "luz reflejada 1" cambia periódicamente, lo que provoca interferencias. La redistribución de energía por interferencia hará que la energía que entra en la fotorresistencia cambie periódicamente a medida que cambia el espesor de la fotorresistencia, por lo que el ancho de línea cambiará periódicamente a medida que cambia el espesor de la fotorresistencia, como se muestra en la Figura 7.35 (b). En general, existen varias formas de resolver el problema de la fluctuación del ancho de línea con el espesor de la fotorresistencia:

Optimizar el espesor y el índice de refracción de la capa antirreflejo (seleccionar una capa antirreflejo adecuada)
Seleccione dos capas antirreflejos (generalmente una de ellas es una capa antirreflejos inorgánica, como oxinitruro de silicio SiON)
Agregue una capa antirreflejo superior (Top ARC, TARC) para eliminar la luz reflejada en la parte superior de la fotorresistencia.
Sin embargo, agregar una capa antirreflejo hará que el proceso sea más complicado y costoso. Cuando la ventana de proceso aún es aceptable, generalmente se selecciona el grosor con el ancho de línea más pequeño. Esto se debe a que cuando el grosor de la fotorresistencia cambia, el ancho de línea se hará más grande, no más pequeño, por lo que la ventana de proceso se vuelve drásticamente más pequeña.

2. Otros métodos para mejorar la uniformidad del ancho de línea
Mejorar la uniformidad de la iluminación de la rendija, la aberración, la distancia focal y el control de nivelación, la precisión de sincronización de la plataforma y la precisión del control de temperatura de la máquina de litografía; mejorar la uniformidad del ancho de la línea de máscara; mejorar el sustrato y reducir la influencia del sustrato en la litografía (incluido el aumento de la profundidad de enfoque y la mejora de la capa antirreflejos). Entre ellos, la Sección 4.2 mencionó que aumentar la uniformidad del patrón de diseño favorece la mejora de la precisión de nivelación y, de hecho, aumenta la profundidad de enfoque. La rugosidad del borde del patrón generalmente se debe a los siguientes factores:

(1) La rugosidad inherente de la fotorresistencia: está relacionada con el peso molecular de la fotorresistencia, la distribución del tamaño del peso molecular y la concentración del generador de fotoácido (PAG).

(2) El contraste de la tasa de disolución del revelado de la fotorresistencia con el aumento de la intensidad de la luz: cuanto más pronunciado sea el cambio de la tasa de disolución con la intensidad de la luz cerca de la energía umbral, menor será la rugosidad causada por el revelado parcial.

(3) Sensibilidad de la fotorresistencia: cuanto menos dependa la fotorresistencia del secado posterior a la exposición (PEB), mayor será la rugosidad del ancho de la línea. El secado posterior a la exposición puede eliminar algunas irregularidades.

(4) Contraste o margen de energía de la imagen fotolitográfica: Cuanto mayor sea el contraste, más estrecha será la zona donde se desarrolla el borde del patrón y menor la rugosidad. Generalmente se expresa mediante la relación entre la rugosidad del ancho de línea y la pendiente logarítmica de la imagen (ILS).

En el caso de las fotorresistencias amplificadas químicamente, cada molécula de fotoácido generada por la reacción fotoquímica experimentará una reacción catalítica de desprotección dentro de un rango de longitud de difusión con el punto de generación como el centro del círculo y el radio como el radio. En términos generales, para las fotorresistencias de 193 nm, la longitud de difusión está en el rango de 5 a 30 nm. Cuanto mayor sea la longitud de difusión, mejor será la rugosidad del patrón cuando el contraste de la imagen permanezca inalterado. Sin embargo, cerca del límite de resolución, como cerca del paso medio de 45 nm, un aumento en la longitud de difusión conducirá a una disminución en el contraste de la imagen espacial, y una disminución en el contraste de la imagen espacial también conducirá a un aumento en la rugosidad del patrón.

La tasa de disolución de la fotorresistencia generalmente cambia de un nivel muy bajo a un nivel muy alto de manera escalonada a medida que cambia la intensidad de la luz. Si este cambio escalonado es más pronunciado, se reducirá la denominada zona de "revelado parcial", es decir, el área de transición en el medio del cambio escalonado, lo que reducirá la rugosidad del patrón. Por supuesto, un contraste de disolución excesivo también afectará la profundidad de enfoque. Para algunas fotorresistencias de 248 nm y 365 nm, un contraste de revelado ligeramente menor puede ampliar la profundidad de enfoque hasta cierto punto, como se muestra en la Figura 7.36.

Cuanto mayor sea la sensibilidad de la fotorresistencia, menor será la longitud de difusión del fotoácido (mayor será la fidelidad de la imagen aérea y mayor la resolución), porque dichas fotorresistencias generalmente dependen menos del horneado posterior a la exposición, lo que puede generar un cierto grado de rugosidad del patrón. Sin embargo, si se aumenta al mismo tiempo la concentración del generador de fotoácido, esta situación se puede mejorar. Mejorar el contraste de la imagen de la fotorresistencia puede reducir la rugosidad del patrón, como se muestra en la Figura 7.37.

La redondez de los orificios de contacto y las vías es similar a la rugosidad del patrón. También está relacionada con la difusión del fotoácido, la concentración del fotoácido, el contraste de la imagen espacial y el contraste del revelado de la fotorresistencia. No los analizaremos uno por uno aquí.

Morfología de la fotorresistencia

Las anomalías en la morfología de la fotorresistencia incluyen el ángulo de inclinación de la pared lateral, la onda estacionaria, la pérdida de espesor, la base del fondo, la incisión del fondo, la parte superior en T, el redondeo superior, la rugosidad del ancho de línea, la relación de aspecto/el volcado del patrón, los residuos del fondo, etc. Los analizaremos uno por uno, como se muestra en la Figura 7.38.

Ángulo de la pared lateral: esto se debe generalmente a que la luz que entra por la parte inferior de la fotorresistencia es más débil que la luz que entra por la parte superior (debido a la absorción de luz por parte de la fotorresistencia). La solución es generalmente reducir la absorción de luz por parte de la fotorresistencia mientras se aumenta la sensibilidad de la fotorresistencia a la luz. Esto se puede lograr aumentando la adición de componentes fotosensibles y aumentando el efecto catalítico de los fotoácidos en la reacción de desprotección (reacción de difusión-catálisis). El ángulo de la pared lateral tendrá un cierto impacto en el grabado y, en casos graves, el ángulo de la pared lateral se transferirá al material del sustrato grabado.

Onda estacionaria: El efecto de onda estacionaria se puede resolver eficazmente añadiendo una capa antirreflejo y aumentando adecuadamente la difusión del fotosensibilizador (por ejemplo, aumentando la temperatura o el tiempo de cocción posterior para aumentar la difusión de los fotoácidos).

Pérdida de espesor: dado que la parte superior de la fotorresistencia recibe la luz más fuerte y está expuesta a la mayor cantidad de revelador, el espesor de la fotorresistencia se perderá hasta cierto punto después de que se complete el revelado.

Base: La base inferior generalmente se debe al desequilibrio ácido-base entre la fotorresistencia y el sustrato (como la capa antirreflejo inferior). Si el sustrato es relativamente alcalino o hidrófilo, el fotoácido se neutralizará o absorberá en el sustrato, lo que hará que la reacción de desprotección en la parte inferior de la fotorresistencia se vea comprometida. La solución a este problema generalmente es aumentar la acidez del sustrato, aumentar la temperatura de cocción previa a la exposición de la fotorresistencia y la capa antirreflejo, de modo de limitar la difusión del fotoácido en la fotorresistencia y en el sustrato. Sin embargo, limitar la difusión también afectará otras propiedades, como la rugosidad del patrón, la profundidad de enfoque, etc.

Socavación: A diferencia de la base, la socavación se debe a la mayor acidez en la parte inferior de la fotorresistencia y la reacción de desprotección en la parte inferior es mayor que en otros lugares. La solución es exactamente la opuesta a la anterior.

T-topping: El T-topping es causado por los componentes alcalinos (base) en el aire de la fábrica, como el amoníaco, el amoníaco (amoniaco) y los compuestos orgánicos de amina (amina), que penetran en la parte superior de la fotorresistencia y neutralizan parte del fotoácido, lo que da como resultado un ancho de línea local más grande en la parte superior y, en casos graves, provocará la adhesión de la línea. La solución es controlar estrictamente el contenido de álcali del aire en el área de fotolitografía, generalmente menos de 20 ppb (partes por mil millones), y tratar de acortar el tiempo desde la exposición hasta el retraso posterior a la exposición.

Redondeo superior: Generalmente, la intensidad de la luz irradiada en la parte superior de la fotorresistencia es relativamente grande. Cuando el contraste de revelado de la fotorresistencia no es muy alto, esta parte de la luz aumentada conducirá a una mayor tasa de disolución, lo que hará que la parte superior se redondee.

Rugosidad del ancho de línea: La rugosidad del ancho de línea ya se ha discutido anteriormente.

Relación de aspecto/colapso del patrón: Se analiza la relación de aspecto porque durante el proceso de revelado, el revelador, el agua desionizada, etc. generarán tensión lateral formada por la tensión superficial en el patrón de fotorresistencia después del revelado, como se muestra en la Figura 7.39. Para los patrones densos, dado que la tensión en ambos lados es aproximadamente la misma, el problema no es demasiado grande. Sin embargo, para el patrón en el borde del patrón denso, si la relación de aspecto es grande, estará sujeto a tensión unilateral. Junto con la perturbación de la rotación a alta velocidad durante el proceso de revelado, el patrón puede colapsar. Los experimentos muestran que una relación altura-ancho superior a 3:1 es generalmente más peligrosa.

Formación de escamas: la formación de escamas generalmente se debe a que la fotorresistencia inferior no absorbe suficiente luz, lo que da como resultado un revelado parcial. Para mejorar la resolución de la fotorresistencia, se debe minimizar la longitud de difusión del fotoácido y reducir la uniformidad del revelado espacial causada por la difusión del fotoácido. De esta manera, aumenta la rugosidad del espacio. La formación de escamas inferior generalmente se puede reducir optimizando las condiciones de iluminación, el sesgo del ancho de la línea de máscara y la temperatura y el tiempo de horneado para mejorar el contraste de la imagen espacial y aumentar la exposición por unidad de área.

Precisión de alineación y superposición

La alineación se refiere al registro entre capas. En términos generales, la precisión de superposición entre capas debe ser de alrededor del 25 % al 30 % del tamaño crítico (tamaño mínimo) de la oblea de silicio. Aquí analizaremos los siguientes aspectos: proceso de superposición, parámetros y ecuaciones de superposición, marcas de superposición, equipos y cuestiones técnicas relacionadas con la superposición, y procesos que afectan la precisión de la superposición.
El proceso de superposición se divide en la producción de la marca de alineación de la primera capa (o capa frontal), la alineación, la solución de alineación, la compensación de la máquina de fotolitografía, la exposición, la medición de la precisión de la superposición después de la exposición y el cálculo de la siguiente ronda de compensación de alineación, como se muestra en la Figura 7.40. El propósito de la superposición es maximizar la superposición de las coordenadas en la oblea de silicio con la plataforma de la oblea de silicio (es decir, las coordenadas de la máquina de fotolitografía). Para la parte lineal, hay cuatro parámetros: traslación (T_x, T_y), alrededor del eje vertical (Z), rotación (R) y aumento (M). Se puede establecer la siguiente relación entre el sistema de coordenadas de la oblea de silicio (X_w, Y_w) y el sistema de coordenadas de la máquina de fotolitografía (X_M, Y_M):

X_M=T_X+M[X_{W porque}(R)-Y_{W pecado} (R)]