浸没式ArF光刻CD均匀性研究

摘要

根据下一代光刻技术发展趋势和2005年国际半导体技术路径图(ITRS)给出的技术路径，浸没式ArF(氟化氩)光刻是实现特征尺寸 (CD，Critical dimension) 65～45 nm技术节点最有潜力的候选技术之一。采用浸没式ArF光刻可以实现数值孔径(NA，Numerical aperture) 大于1，但是，在大数值孔径和小工艺系数的情况下，杂散光、像差和偏振光对特征图形CD均匀性的影响更为显著和复杂。 本文围绕着在浸没式ArF光刻系统中如何有效地控制由杂散光、偏振光和像差等因素引起的CD误差，提高光刻图形CD均匀性这一中心目的，分别从杂散光、偏振光和像差对CD均匀性的影响入手，采用矢量模型和全物理模型较为系统全面地研究了杂散光、像差和偏振光三种因素对一维图形、L形图形、拼接图形和H形图形的成像质量和CD均匀性的影响，以及三种因素对CD均匀性的综合影响。根据我们研究得到的影响规律，首次提出了补偿方法来控制杂散光、偏振光和像差等因素对CD均匀性的影响，即分别通过在线调整曝光剂量来补偿浸没式ArF光刻系统中杂散光对CD均匀性的影响、合理调整光线偏振状态来提高CD均匀性与利用偏振光和相移掩模来降低像差敏感度等方法，实现了提高CD均匀性、拓展光刻工艺窗口的目的，并通过实际计算验证了上述方法的可行性。本文主要研究内容包括： 第一、杂散光对CD均匀性影响与控制的研究。分别研究了在不同杂散光量的情况下，一维图形、L形图形、拼接图形和H形图形CD误差随杂散光量的变化规律。根据其影响规律，首次采用曝光剂量在线调整的方法来补偿浸没式ArF光刻系统中杂散光引起的CD误差。通过对每个局域场的曝光剂量进行适当地调整，在整个晶片范围内获得了良好的CD均匀性。在进行曝光剂量补偿后，特征图形的CD误差被控制在±1.2％范围内。实现了在不增加杂散光控制成本的情况下，有效地提高光刻图形CD均匀性的目的。 第二、像差对CD均匀性影响与控制的研究。分别研究了不同几何像差和波像差对一维图形、拼接图形和L形图形CD均匀性影响的规律。通过研究我们发现，像差对孤立图形CD均匀性的影响大于其对半密集图形CD均匀性的影响。在采用交替型相移掩模时，图形位置误差的像差敏感度高；采用无铬相移掩模时，CD误差的像差敏感度高。因此，在实际CD误差控制中，针对不同情况，对不同几何像差的控制重点有所不同。 根据CD均匀性、图形位置精度、图形侧壁陡度和抗蚀剂损耗率等光刻技术指标的需求，在为其它CD误差影响因素预留误差容限的条件下，我们确定了45 nm分辨率节点的波像差容限值，可为下一代浸没式ArF光刻设备各分系统边界条件的设计提供重要的参考数据。 在研究中我们还发现，几何像差的不同组合和CD均匀性有重要的关系，我们通过优化几何像差组合获得了更好的CD均匀性。 第三、光线偏振状态对CD均匀性影响与控制的研究。通过分析不同光线偏振状态对一维图形、拼接图形和L形图形CD均匀性的影响，找出了其相应的影响规律。根据研究得到的各影响规律，我们通过合理地利用S偏振光和P偏振光，控制了杂散光对工艺窗口的影响。我们首次提出了通过调整光线偏振状态的方法来实现补偿拼接图形CD误差的目的，实际计算验证了上述方法的可行性及其效果。 第四、多因素对CD均匀性影响与控制的研究。我们主要研究了杂散光、偏振光和分辨率增强技术等因素对CD像差敏感度的影响和这些因素对CD均匀性的综合作用，根据其影响规律，我们着重研究了对CD像差敏感度的有效控制方法。 根据CD像差敏感度的变化规律，我们首次提出了通过合理调整光线偏振状态、合理设置光学参数和采用衰减型掩模等方法来有效地降低CD像差敏感度，实现了在不增加像差控制成本的情况下，有效地提高CD均匀性的目的，并通过实际计算证实了这些方法的可行性。 在本文研究中，我们根据不同实际需求，编制了优化光学参数设置程序、像差敏感度批量计算程序和光线偏振状态优化设置程序，分别用于优化光学参数设置、分析像差敏感度和优化几何像差组合以及优化光线偏振状态设置的辅助计算，这些程序拓展了商用光刻软件的功能，在CD误差控制的研究中发挥了重要作用。