在鏡像投影曝光機(jī)上使用相移掩膜提高解像力的初步研究

黎午升，惠官寶，崔承鎮(zhèn)，史大為，郭 建，孫 雙，薛建設(shè)

(1.京東方科技集團(tuán) TFT-LCD技術(shù)研發(fā)中心，北京 100176； 2.北京京東方光電科技有限公司，北京 100176)

1 引 言

在目前許多現(xiàn)行的分辨率強(qiáng)化技術(shù)中，相位移掩模一直是用來提升分辨率的重要工具之一。一般說來，當(dāng)曝光光源通過傳統(tǒng)掩模后，由于曝光光源發(fā)出的光的相位并沒有被偏移，因此，部分光線到達(dá)基板表面時(shí)產(chǎn)生了光的相長(zhǎng)干涉(construction interference)，造成基板表面上不應(yīng)該被照射到光線的圖形因?yàn)楦缮孀饔枚辛似毓獾默F(xiàn)象，使得圖形的分辨率下降。相位移掩膜則是在圖案本身上選擇性使用了一相位移層(phase shifter)。當(dāng)曝光光源通過相位移掩模的相位移層后，曝光光源發(fā)出的光的相位會(huì)被位移了一預(yù)定角度，使得位移后的光的相位與先前入射的光的相位產(chǎn)生相位差，造成光到達(dá)基板表面時(shí)，產(chǎn)生了相消干涉(destructive interference)。經(jīng)由光的相消干涉效應(yīng)來消除繞射所引起的干涉效應(yīng)，大幅提升了圖案邊界的分辨率[1-3]。

比較典型的相移掩膜有李文森交替型相移掩膜、無鉻相移掩膜、邊緣相移掩膜、部分邊緣相移掩膜、輔助相移掩膜、連續(xù)色調(diào)相移掩膜和衰減相移掩膜等等[4-6]?？紤]掩膜板的制作精度、成本、交期等風(fēng)險(xiǎn)因素，我們采用無鉻相移掩膜，即用透過率約為8%的相移膜(成分為MoSiOxNy)代替鉻膜。

本文對(duì)比分析了傳統(tǒng)掩膜與相移掩膜在相同條件下模擬、實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，得到結(jié)論：在Canon鏡像投影曝光機(jī)MPA-7800上使用相移掩膜能增大鏡像投影曝光機(jī)分辨率以下間距(線寬)的工藝容限，從而提高了光刻的解像力。

2 軟件模擬和結(jié)果分析

2.1 軟件介紹

Athena是美國Silvaco公司推出的一種商用的TCAD工具。TCAD就是Technology Computer Aided Design，指半導(dǎo)體工藝模擬以及器件模擬工具。ATHENA提供了一個(gè)易于使用、模塊化的、可擴(kuò)展的平臺(tái)，能對(duì)所有關(guān)鍵制造步驟(離子注入、擴(kuò)散、刻蝕、沉積、光刻以及氧化等)進(jìn)行快速精確的模擬[7-10]。它有一個(gè)交互式、圖形化的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境Deckbuild，在工藝仿真中作為仿真平臺(tái)，既有仿真輸入和編輯的窗口，也有仿真輸出和控制的窗口。它還包括了一個(gè)應(yīng)用傅里葉變換方法和光衍射理論的光學(xué)模塊(OPTOLITH)。

2.2 模擬過程及結(jié)果分析

通過使用Athena軟件的Deckbuild仿真平臺(tái)畫出2.5 μm等間隔線的掩膜圖形，并模擬Canon鏡像投影曝光機(jī)MPA-7800光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)，如表1所示。

表1 模擬參數(shù)

圖1 等間隔線(2.5 μm)光強(qiáng)分布對(duì)比Fig.1 Image intensity distributions of equidistant lines(2.5 μm) on PSM(Phase Shift Mask) and normal mask

再利用該軟件的OPTOLITH模塊模擬光強(qiáng)分布，如圖1所示?？梢钥闯觯嘁蒲谀?PSM)的光強(qiáng)分布更密，這樣的光強(qiáng)分布在光刻膠中可使光刻圖形的襯比(度)增大，從而改善曝光容限。

以上是離焦量(Defocus)為0時(shí)的情況，由于MPA-7800的焦深保證范圍為±30 μm，所以我們還模擬了離焦量為15、30 μm時(shí)通過掩膜得到的光刻間距情況，如圖2所示，可以看出：該間距隨著離焦量的增大而減小，但相移掩膜與傳統(tǒng)掩膜相比，其變化幅度小0.045 μm。因此，在相同的設(shè)備焦深變化范圍內(nèi)，通過相移掩膜得到光刻間距的波動(dòng)更小，更穩(wěn)定(3sigma小)。

圖2 光刻間距與離焦量關(guān)系的對(duì)比Fig.2 Space DICD v.s. defocus on PSM(Phase Shift Mask) and normal mask

3 光刻實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)介紹

實(shí)驗(yàn)采用的是5代的曝光機(jī)MPA-7800(解像力Resolution=4.0 μm)及對(duì)應(yīng)的Track機(jī)，條件如表2所示。為了便于比較和節(jié)約成本，我們?cè)谝粔K掩膜板上制作了傳統(tǒng)鉻膜掩膜區(qū)域和相移掩膜區(qū)域，并在這兩個(gè)區(qū)域設(shè)計(jì)了一樣的多組等間隔線，僅取2.5 μm等間隔線為例來加以說明。

表2 光刻條件

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3比較了通過傳統(tǒng)掩膜和相移掩膜得到的光刻間距與曝光量的關(guān)系。在2.0～3.0 μm區(qū)間(2.5±0.5 μm)看曝光量的變化范圍，可知道傳統(tǒng)掩膜的曝光容限為4 mJ/cm2，相移掩膜的曝光容限為8 mJ/cm2，相移掩膜的曝光容限大于傳統(tǒng)掩膜(約為2倍)。這與模擬光強(qiáng)分布得到的結(jié)論相吻合，同時(shí)，相移掩膜的3sigma更小，這也與模擬光刻間距與離焦量關(guān)系對(duì)比得到的結(jié)論吻合。

圖3 光刻間距與曝光量關(guān)系的對(duì)比Fig.3 Space DICD v.s. exposure dose on PSM(Phase Shift Mask) and normal mask

圖4 剖面圖的對(duì)比Fig.4 Cross section of line used normal mask and phase shift mask

圖4展現(xiàn)了我們用2.5 μm等間隔線的不同掩膜在光刻后得到線寬/間距也為2.5 μm/2.5 μm時(shí)(相移掩膜需曝光量31.7 mJ/cm2，傳統(tǒng)掩膜需曝光量25.4 mJ/cm2)，光刻線條剖面坡度角的不同。顯然，相移掩膜得到的光刻線條剖面的坡度角更大(約10°左右)，由以前的工藝經(jīng)驗(yàn)可知這樣會(huì)有一個(gè)更好的光刻工藝容限。這與模擬和實(shí)驗(yàn)的結(jié)論吻合，從剖面的角度說明了相移掩膜的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

本文對(duì)用相移掩膜和傳統(tǒng)掩膜的2.5 μm的等間隔線的光刻進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。結(jié)果表明，相移掩膜能使鏡像投影曝光機(jī)分辨力以下間距(線寬)的工藝容限增大1倍，并使相應(yīng)曝光量下間距(線寬)的分布更集中，從而增加細(xì)線化的穩(wěn)定性，提高了光刻的解像力。在隨后的研究中，我們還將研究相移掩膜相比傳統(tǒng)掩膜在孔圖形、拐角圖形以及復(fù)雜圖形上的優(yōu)勢(shì)。

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