第一次對非平面襯底上的光刻曝光的詳細研究出現(xiàn)在20世紀80年代后期,Matsuzawa等人72]采用有限元方法來描述硅襯底上高臺階的光散射,他們證明了散射光會導(dǎo)致局部曝光劑量和由此產(chǎn)生的光刻膠輪廓的變化。這種反射凹口也通過其他方法進行了研究!".73。盡管很早就開始研究晶圓形貌對光刻工藝的影響,但將嚴格的電磁場建模應(yīng)用到晶圓散射效應(yīng)建模的研究并不成熟。

通常,化學(xué)機械拋光(CMP)和底部抗反射涂層(BARC)用于調(diào)整晶圓的平面度,抑制晶圓圖案的反射,并改善離焦和工藝的控制。正如3.2.2節(jié)所述,此類BARC改善了所獲光刻膠輪廓的形狀,并降低了所得特征尺寸(CD)對光刻膠厚度變化的敏感性。此外,BARC的應(yīng)用減少了進入晶圓不均勻區(qū)域的光，使得光從晶圓不均勻區(qū)域到非預(yù)期方向的衍射可以忽略。類似的論點被用來證明描述光刻膠內(nèi)部強度分布的解析薄膜轉(zhuǎn)移矩陣的應(yīng)用。然而,FinFET等新器件架構(gòu)和包括雙重成形技術(shù)在內(nèi)的新工藝技術(shù),增加了晶圓形貌效應(yīng)的重要性。

晶圓散射效應(yīng)的嚴格電磁場建模比掩模形貌效應(yīng)的嚴格建模更具挑戰(zhàn)性。典型光刻機是4x縮放,因此與掩模上的特征尺寸相比,晶圓上仿真對象的尺寸更小。然而,光在晶圓上更大的入射角范圍和部分相干效應(yīng)增加了晶圓形貌效應(yīng)建模的數(shù)值計算工作量。對于許多單獨點光源,必須計算、存儲和疊加其散射場。此外,晶圓散射效應(yīng)的嚴格建模對電磁場的高空間頻率分量的數(shù)值誤差更為敏感。投影物鏡的有限孔徑和相應(yīng)的帶通濾波效果減少了此類誤差對掩模形貌仿真的影響。對于晶圓形貌仿真,情況并非如此,電場中的所有傅里葉分量都對光刻膠內(nèi)部的強度分布有著影響。

本節(jié)重點介紹幾種情況,其中晶圓散射現(xiàn)象會引入薄膜轉(zhuǎn)移矩陣無法描述的重要光刻效應(yīng),這包括比較不同的BARC沉積策略,靠近柵極的光刻膠底部殘余效應(yīng),以及由于晶圓形貌導(dǎo)致的雙重成形技術(shù)的線寬變化。

9.3.1 底部抗反射涂層的沉積策略

第一個晶圓形貌效應(yīng)的示例展示了45mm寬密集線的光刻曝光和工藝，這些線穿過晶圓上10nm高和150nm寬的硅臺階,相關(guān)的曝光和光刻膠膜層參數(shù)如圖9-21所示。該圖的頂行顯示了兩種不同的晶圓幾何形狀,分別是通過底部抗反射涂層(BARC)的平面化(左)沉積和保形(右)沉積獲得的。圖9-21的中行顯示了沿空中心的光刻膠膜層內(nèi)部產(chǎn)生的強度分布。圖中的虛線表示BARC的上表面,計算得到的光刻膠輪廓在圖9-21的底行中給出。

平面化沉積在BARC和光刻膠之間產(chǎn)生一個平坦的界面。BARC厚度僅在硅臺階的頂部達到其最佳值。在x=0處，硅臺階中心上方的光刻膠相應(yīng)區(qū)域中沒有駐波。硅臺階左右兩側(cè)的光刻膠區(qū)域中,BARC太厚,由此產(chǎn)生的反射光在光刻膠的左右區(qū)域會產(chǎn)生明顯的駐波圖樣。BARC在硅臺階外部區(qū)域的性能不佳也可以在光刻膠的剖面中觀察到,它們分別在硅臺階的左右兩側(cè)表現(xiàn)出明顯231的駐波和光刻膠底部殘留效應(yīng)。

BARC的保形沉積在晶圓上產(chǎn)生均勻的BARC厚度,相應(yīng)的光強分布中幾乎看不到駐波。然而,來自硅/BARC中的較小臺階的光散射會導(dǎo)致在硅臺階左右兩側(cè)的光刻膠/BARC界面附近的光強略有降低。這帶來相應(yīng)區(qū)域光刻膠線寬的些許變化和光刻膠的底部殘留。

9.3.2 靠近柵極的光刻膠底部殘余

在某些情況下,化學(xué)機械拋光(CMP)和BARC不能被用于降低晶圓形貌的影響。例如,BARC材料有時與特定工藝步驟中采用的技術(shù)不兼容。此外,BARC和CMP會增加額外的工藝時間和成本。圖9-22為一個典型情況,為了簡化對相關(guān)效應(yīng)的討論,所示仿真中假設(shè)襯底具有與光刻膠相同的折射率;70nm寬和175 nm高的多晶硅線嵌入在500mm厚的光刻膠中。該多晶硅線是在前一個光刻和刻蝕步驟中生成的，被用作后續(xù)離子注入步驟的掩模。本示例無法使用BARC,因為它可能會影響注人特性。圖9-22所示晶圓用250 mm線寬、周期為1000 nm的圖形曝光,這些線垂直于多晶硅線條。

圖9-22中圖顯示了光刻膠內(nèi)部沿掩模圖形空的中心計算所得光強分布，多晶硅線對光不透明,并將其散射到光刻膠的其他部分。來自多晶硅線頂部的光散射會在光刻膠的相應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生明顯的駐波。多晶硅線的垂直邊緣將光散射到其左右兩邊,導(dǎo)致光刻膠中相應(yīng)區(qū)域的局部曝光劑量顯著降低。多晶硅線左右兩側(cè)區(qū)域中較小的曝光劑量,會在靠近多晶硅線底部附近產(chǎn)生光刻膠殘留(參見圖9-22右圖)，來自多晶硅線頂部的散射光則會導(dǎo)致額外的線寬變化。本章后的參考文獻[74,75]中發(fā)表了針對各種曝光場景中的光刻膠底部殘留效應(yīng)的綜合仿真研究,包括與實驗數(shù)據(jù)的比較。結(jié)果表明,光刻膠底部殘留的多少取決于掩模的照射方向,更激進的離軸照明有助于減少光刻膠底部殘留效應(yīng)。

9.3.3 雙重成形技術(shù)中的線寬變化

本節(jié)的最后一個示例展示了晶圓形貌效應(yīng)對雙重成形技術(shù)中某些場景的重要性。圖9-23顯示了在光刻-固化-光刻-刻蝕(LFLE)工藝(參見5.3.2節(jié))中第一次曝光和光刻膠工藝步驟之后的晶圓幾何形狀。此過程的目標是使用正交線空圖形的后續(xù)曝光和工藝來生成(拉長的)接觸孔陣列。固化步驟可以改變第一個光刻步驟中圖案化光刻膠的折射率,這里假設(shè)固化使圖9-23左圖光刻膠中心部分折射率增加了0.03。

增加的折射率會吸引光并在光刻膠底部生成一個較強的光強分布,如圖9-23中圖所示。固化光刻膠附近這一較高的局部曝光劑量導(dǎo)致第二個光刻步驟中的線寬變化(圖9-23右圖)。本章后的參考文獻[76]中發(fā)表了針對不同周期圖形，第二次光刻步驟中觀察到的線寬變化與固化引發(fā)的光刻膠光學(xué)特性改變，以及二者之間相關(guān)性的綜合定量研究。其展示了如何通過嚴格的晶圓形貌仿真來識別適當?shù)牟牧闲阅芎凸袒^程中可容忍的折射率變化,并優(yōu)化雙重成形技術(shù)應(yīng)用的設(shè)計拆分方法。其他研究者也應(yīng)用了類似的建模技術(shù)來研究旋涂第二層光刻膠和由此產(chǎn)生的晶圓形貌對雙重成形工藝中第二次光刻步驟的影響[77]。