80nm應(yīng)用中的高數(shù)位孔徑，雙載具93nm TWINSCAN 掃描分步投影機(jī)

出處：cqs168 發(fā)布于：2007-04-29 10:26:53

程天風(fēng)

（ASML 阿斯麥光刻設(shè)備有限公司）

摘要：針對次100nm的生產(chǎn),ASML 研發(fā)了一個新光刻系統(tǒng),其中克服了許多底k1解晰度的挑戰(zhàn)。其中包含0.85NA雙載具193nm TWINSCAN的設(shè)計(jì)、性能與一些初步的量測數(shù)據(jù)。80nm的生產(chǎn)必須要有多方面的量測與控制來達(dá)到高準(zhǔn)確度的線寬（CD)與對準(zhǔn)（Overlay)的要求水平。本機(jī)臺擁有高成熟度的雙載具平臺，穩(wěn)定的系統(tǒng)動態(tài)質(zhì)（MSD)，一慣性的光量遞輸?shù)裙δ?，幷包含了一個內(nèi)建偵測回送系統(tǒng)來自動調(diào)控投影鏡的像差(aberrations)，來達(dá)到的影像保真度。
關(guān)鍵詞：光刻系統(tǒng)；投影；影像；對準(zhǔn)
中圖分類號：TN305 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1003-353X(2004)02-0007-05
1前言
193nm波長光刻技術(shù)在近五年內(nèi)有顯著的進(jìn)步，臺ArF的掃描分步機(jī)應(yīng)用0.63NA于1999年推出，促使早期的研發(fā)與試產(chǎn)項(xiàng)目。之后ArF基礎(chǔ)逐漸成熟使業(yè)界開始應(yīng)用193nm掃描分步機(jī)來進(jìn)行量產(chǎn)重要層曝光，因而ArF已經(jīng)成為100nm和之后的先進(jìn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)科技。
2002年ITRS的路徑圖中顯示出在短期內(nèi)光刻技術(shù)的解晰度需求會以每年10nm的速度縮減，表1中顯示從2003年的半周期100nm開始到2006年的70nm。在這段期間ArF波長是所有主要半導(dǎo)體產(chǎn)品族群，包括DRAM，MPU，和ASIC/LP，可被通用的科技選項(xiàng)。

2系統(tǒng)介紹
本系統(tǒng)組合了高產(chǎn)能雙載具的TWINSCAN的平臺和Carl Zeiss (CZO)的第三代ArF投影鏡，它含有一個新的、193nm，4倍縮小，0.60-0.85NA可調(diào)度NA的Starlith 投影鏡，連接到一個新品AERI AL II高彈性。高透明度的照明光源，幷加上一個超窄頻寬多頻率控調(diào)的20W ArF準(zhǔn)分子激光。系統(tǒng)的雙載具提供200mm、300mm晶圓幷行運(yùn)作而達(dá)到的產(chǎn)能。其它機(jī)臺特性包括載具動力控制，對焦和對準(zhǔn)同步量測平行處理，和光量控制的改善，幷加上多彈性的投影鏡瞳孔調(diào)控，與內(nèi)建的空間影像量測儀幷調(diào)控器可調(diào)到的鏡片像差和雜光。這些功能都必須應(yīng)用到系統(tǒng)上來達(dá)到80nm工藝中所需求的低k1影像的效果。

3 投影
半導(dǎo)體線寬控制是由許多因素影響的，這些因素有獨(dú)立的也有相互關(guān)聯(lián)的。若是以蝕刻后檢驗(yàn)（AEI）來看，曝光機(jī)之外的因數(shù)有如掩模版上線寬的不均勻，晶圓表層的高低地勢，光刻膠涂布的不均勻等，此外涂膠機(jī)，腐蝕機(jī)，CD量測機(jī)各有可能有系統(tǒng)性或非系統(tǒng)性的誤差。任何一個因素都可導(dǎo)制致命性的影響，曝光機(jī)當(dāng)然本身也具有影響CD的因素：
3.1 載具動力
以一個掃描分步機(jī)來看，晶圓載具和掩模版載具的定位測量可以顯示。載具在1比4的速度以反方向來復(fù)的運(yùn)行，在任何時候載具與載具之間必須要非常準(zhǔn)確的保持相對的位置。載具的震動使其偏移可以被定義為動向的基本偏差值。MSD會損壞從投影鏡形成的空間影像的對比，因此焦距和曝光量井深縮小使得CD失控。的摸擬顯示出MSD 對一般線寬CD控制的影響。目前本機(jī)臺在快的掃描速度以109個曝光區(qū)分布300mm晶圓上來測量到的MSDx和MSDy，足夠控制CD均勻度小于0.1nm （3σ）。

3.2 曝光量
ASML介紹一個新的測試：光量系統(tǒng)性能測量，我們用現(xiàn)有的光能探測儀，所謂的spot sensor，來測量整個曝光場和在時間上的光量差別。在整個30分鐘的量測里面我們5和100mj/cm2的能量反復(fù)的在曝光場里不同的位置上測試,顯示了我們測驗(yàn)光隙均勻度的節(jié)果。表2列出一個用30mj/cm2能量，在NA＝0.85,σo/σi＝0.88/0.58的設(shè)定下，曝光場區(qū)內(nèi)和整批25片曝光的光量差別。我們將所有的誤差加起來當(dāng)作差的情況的估計(jì)，假設(shè)這加數(shù)等于是3σ值，那么所量到的 0.68％會導(dǎo)致在80nm獨(dú)立線寬上不到1.0nm（3σ）的曝光場區(qū)內(nèi)的CD誤差。

3.3 曝光鏡瞳孔
是目前ASML現(xiàn)有機(jī)臺的多項(xiàng)選擇的照明方式，各方式都保持接近照明能量來確保無產(chǎn)量消減。如今我們加增了照明相干變化幅度，例如應(yīng)用High Sigma DOE設(shè)定可達(dá)0.96的σouter，窄的圈圓可達(dá)到0.2（NA＝0.85）。如用Low Sigma DOE，的σ可達(dá)到0.263（Conventional）。我們的AERIAL II照明系統(tǒng)更改良了光隙區(qū)長的相干值的均勻度，現(xiàn)有量測到的偏差可以低于0.001（NA＝0.85，s＝0.34）。

AERIAL II照明系統(tǒng)也開始提供瞳孔自動調(diào)整功能，顯示一個σo/σi＝0.93/0.69（NA＝0.85）的調(diào)整分布，圖左顯示調(diào)整前，圖中和圖右顯示不同橫豎差值的調(diào)整（H/V Delta）。我們利用此法做了一個稠密８０nm線與隙的曝光實(shí)驗(yàn)（NA＝0.85， σo/σi＝0.88/0.58），起先的橫豎差值接近1.18nm，然后系統(tǒng)自動的挑選了四個調(diào)位設(shè)置來繼續(xù)H/V差值量測，結(jié)果顯示在。我們可以用直線型數(shù)據(jù)介入來得到H/V等于零的線寬控制。

3.4 對焦和平坦控制
Rayleigh第二方程式表示光學(xué)焦聚井深（DOF）是數(shù)據(jù)孔徑平方的對比，但在實(shí)際情況里可達(dá)到的焦聚井深是除了NA之外還受曝光波長，照明源的形狀，線寬與周期，和光刻膠的對比度等影響。因此曝光機(jī)必須在所給的范圍內(nèi)控制焦聚，如要曝一個Binary Mask的單一80nm線，在不用輔助糾正圖形下，整體焦聚必須控制在 300nm的空間內(nèi)。其中的因素是晶圓和掩模板的不平坦度，而光刻機(jī)引起的因素是以平坦控制誤差和光像平面偏差。
我們用一個布滿ASML對準(zhǔn)標(biāo)和非平面楔型鏡片來測量平坦控制功能（Leveling Verification Test）。所示，楔型鏡片主要目的是引用非平行光源，促使影像成像的主光軸與像面不成垂直。如果我門測量從有楔型鏡片曝出的對準(zhǔn)標(biāo)的位置和沒有楔型鏡片曝出的對準(zhǔn)表的位置，其差別可被換算為焦聚誤差。我們用LVT掩模版實(shí)驗(yàn)了許多機(jī)臺以每片晶圓布滿87個曝光場，每場55點(diǎn)的測量來得到本系統(tǒng)機(jī)型的焦聚誤差功能，3σ參數(shù)分布圖如所示。

光像平面偏差(Image Plane Deviation)像散（Astigmatism）在ASML光刻機(jī)上一般是用FO CAL程序來測量的，F(xiàn)OCAL應(yīng)用200nm線與隙組合成的8mm對準(zhǔn)標(biāo)在先進(jìn)光刻領(lǐng)域已經(jīng)不符合測驗(yàn)低于100nmIPD的水平,所以我們發(fā)展了一個新的程序。我們增加了曝光鏡的像差數(shù)據(jù),與FO CAL 所量測的數(shù)據(jù)來計(jì)算IPD和Astigmatism。和13顯示80nm的數(shù)據(jù)，而我們可以從看到掩模載具在掃描時增加了一些對IPD的額外影響，整體系統(tǒng)IPD包括投影鏡和機(jī)械系統(tǒng)，共是34nm。

3.5 投影鏡像差
0.85NA的投影鏡是蔡司第三代的ArF曝光鏡，顯示每一代在光學(xué)像差數(shù)據(jù)的改進(jìn)，比較第二代，0.85NA鏡頭有將近25 ~30％，比較1999年的193nm鏡頭則有接近70％的改進(jìn)。

為了完全測量整體波面的偏差，我門NA ArF系統(tǒng)增加了內(nèi)建的光學(xué)干擾儀--ILIAS，可達(dá)到高度的準(zhǔn)確性和重復(fù)性來量到Zernike像差Z5和以上的參數(shù)。這些參數(shù)可以用到系統(tǒng)組合，驗(yàn)收投影鏡頭，模擬器件設(shè)計(jì)，甚至于用來監(jiān)視鏡片在量產(chǎn)時的穩(wěn)定情況。顯示鏡頭中所有像差參數(shù)分布在整個光隙區(qū)，表3列出全波面的RMS，像差數(shù) RMS（Z5-Z37），全波面RMS包含了所有的Zernike37個參數(shù)，和余數(shù)就是經(jīng)常被定義為近距離失落光（Straylight）。RMS族群是以相同Zernike光線紋多項(xiàng)式各體組合而定義的。如球面型RMS（spherical）如下:

3.6失落光
一般采用的測試失落光(Straylight)的方法是基于方塊光刻膠消失現(xiàn)象，ASML介紹一個新方法,稱為SAMOS。區(qū)別是SAMOS不需要光刻膠或晶圓處理，而且是高速和全自動化運(yùn)作。和18顯示0.75NA與0.85NA鏡頭的比較，是以兩種方法，SAMOS和方塊光刻膠兩種方法測量的比較。可以很清楚的看出0.85NA相當(dāng)大的改進(jìn)。

4 影像
有用的光刻系統(tǒng)是指其實(shí)際曝出的影像。下列表顯示所用的工藝。

4.1 CD控制
表5，和20顯示單一線80nm的結(jié)果，用的是Binary Mask，無輔助圖形。曝光設(shè)定是NA＝0.70，so /si＝0.75/0.45，工藝參數(shù)是上表內(nèi)的B行。全晶圓CD數(shù)據(jù)是經(jīng)過≤6次方的多項(xiàng)方程式演算處理，將低空間變數(shù)濾掉，這變數(shù)我們定義為工藝上的誤差。但是掩模板的誤差沒有濾掉。

5 對準(zhǔn)
半導(dǎo)體業(yè)界里有許多實(shí)際例子說明生產(chǎn)線上采用單一機(jī)臺或是綁機(jī)臺作法來掌控限制了對準(zhǔn)瓶頸的良率。雖然在控制對準(zhǔn)功效上有幫助，但是要轉(zhuǎn)移更多的層次到重點(diǎn)機(jī)臺上而增加生產(chǎn)成本。為了要達(dá)到80nm工藝要求，ASML的TWINSCAN平臺必須達(dá)到30nm的基礎(chǔ)。
5.1 單機(jī)對準(zhǔn)
要達(dá)到30nm工藝對準(zhǔn)需求，單機(jī)對準(zhǔn)SMO）必須達(dá)到小于12nm。表6顯示改進(jìn)后的TWINSCAN系統(tǒng)，對準(zhǔn)功能３天的測量結(jié)果。顯示一批20片晶圓的對準(zhǔn)功能，顯示TWINSCAN系統(tǒng)優(yōu)良的對準(zhǔn)功能。
5.2 形變
整體系統(tǒng)的形變，或非更改的偏差（NCE）顯示于，其中值是6nm。顯示曝光鏡對于Distortion的供獻(xiàn)，是非常小的，小于1nm！我們也測量了在不同光源下，包含了的σ，而所得到的數(shù)據(jù)在所有的情況下均小于1nm!
6 結(jié)論
我們探討了本系統(tǒng)結(jié)合的許多新的功能和改進(jìn)使其達(dá)到80nm，低k1成影的需求。我們也指出系統(tǒng)在CD與Overlay控制上所作的供獻(xiàn)，幷以實(shí)際數(shù)據(jù)證明系統(tǒng)的功能，已達(dá)到80nm生產(chǎn)要求。

本文摘自《半導(dǎo)體技術(shù)》

關(guān)鍵詞：80nm應(yīng)用中的高數(shù)位孔徑，雙載具93nm TWINSCAN 掃描分步投影機(jī)2002 2003 2004 2006

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