重要的工艺波动：如何应对？

在分析低k因子成像技术需要应对的工艺波动之前，本节简单讨论在光刻工艺中遇到的一些工艺波动。工艺波动可以根据光刻工艺的关键元素分类，其中最重要的包括：晶圆材料、掩膜、照明系统、投影透镜、聚焦系统和光刻胶。下面简要分析波动类型，但决不是所有可能波动的完整罗列。

多种机制使晶圆成为光刻工艺中的波动源之一。例如，晶圆工业已经过前一步光刻形成的图像会导致反射率的局部变化。通常碰到的情况是，有些光刻胶线条将跨越先前已形成的金属层图形，这将使下面金属层图形附近的光刻胶线条反射率增加。反射率的调制将引起局部有效光强度的变化，这又会进而引起线宽的局部变化，并且在极端情况下引起灾难性的失效^[2]。对于覆盖在硅有源区以及浅槽介质上的光刻胶，也会经常出现相似的情况。这些区域存在的不同材料影响着反射率，导致了不希望的线宽变化。虽然使用抗反射层（ARC）能减小反射率变化的影响^[3]，但是这并不是100%的有效。在某些情况下，例如用于离子注入的光刻胶，使用抗反射层也有问题，因为在注入前必须去除抗反射层，而去除抗反射层要增加工艺步骤，导致成本太高，这都是不希望的。从空间像的观点看，较大的空间像光强I斜率dI/dx，将使反射率变化的影响最小。在这种情况下，反射率导致的光强变化（dI）对图像成像线宽偏移（dx）的影响较小。

另一个由晶圆引入的相当普遍的工艺波动，是局部或整个晶圆范围的表面形貌变化。在较老的工艺中，局部表面形貌变化只是由金属层刻蚀后再淀积氧化层形成的，在金属区上形成小丘而在无金属区形成凹陷。现在这些台阶高度已变得不能接受，因此现在的工艺使用化学机械抛光（Chemical-Mechanical Polishing，CMP）使表面平坦。尽管CMP使工艺水平提高了一大步，但是它们的平坦化能力并不十分完美。例如，由于抛光速率与图形密度有关，就导致了整个晶圆范围以及局部区域都存在薄膜厚度的变化。因此，在芯片边缘以及图形密度与平均图形密度存在较大差别的区域，抛光后将可能还留下有残存的材料。

晶圆的局部表面形貌通过两种机制来影响成像。首先，它引起反射率的局部变化，这不仅是由透明材料的厚度变化引起，而且抗反射材料和光刻胶膜的厚度变化也会引起反射率的局部变化。第二，曝光机需要修正晶圆载物台与透镜之间的距离，使图像正好聚焦于晶圆顶层的表面。因为自动对焦系统仅能调整晶圆载物台的距离或者倾斜度，晶圆表面上比典型芯片尺寸（20mm×20mm的面积）小的范围内存在的局部高度调制将很难得到补偿。同样，在晶圆边缘普遍存在的晶圆弯曲也无法修正。焦距变化将导致特征尺寸的改变，在极端情况下会造成灾难性的图形失效。图像的特征尺寸与焦距的关系不是线性的，一般情况下是二次

图3-7 透镜像差、特征、类型和衍射图形之间的关系

方关系，并且变化的幅度与光刻工艺和图形尺寸均有关。对于焦距的小范围变化所引起的图像变化，光刻一般有足够的容限，但是如果焦距变化太大，二次方关系将很快导致曝光尺寸产生不能接受的变化。

非理想的照明系统也会导致工艺波动。作为光刻机一部分的照明灯将光投射到掩膜版上，需要保持成像场中的光强均匀。对25mm宽的典型缝隙，实现不大于1%的波动是一个巨大的挑战。非均匀照明灯引起图形视场中本应等价的不同部分发生局部光强改变。因此它们与反射率变化的影响是相似的，并且要求空间像斜率足够大以使它们的影响降到最小。在这些影响中较难探测和比较敏感的情况是不同角度的亮度均匀性，而不是总的光照度^[4]。例如，如果从照明灯的一侧发出的光强强于另一侧，由焦距的变化导致的图形变形或者漂移最显著。

用来实现掩膜成像的投影光学系统也是工艺波动的来源之一。投影透镜的非理想性通常称为像差，这是一个极受关注的领域^[5-9]。它们可能是由于各种透镜单元的非理想安装或者是由于透镜制造过程中的容差带来的形状偏差引起的。这些偏差可以被描绘成光瞳面内特性分布的相位误差。基于轴向对称和半径的变化可以将像差分类。图3-7所示为像差的简单实例。在该例中，相位误差的增加量(www.xing528.com)

图3-7 透镜像差、特征、类型和衍射图形之间的关系（续）

（图a所示为像差一般概念的描述。如3.2节中所描述的，透镜可以被当作像物镜。仅当透镜与衍射角的关系遵循理想的相移时才可以实现完美的性能。与完美的成像间的偏差被称为像差。归一化的距离是x/PR，其中PR是指光瞳半径。从图b可以看到可能的相位偏差可以被描述为一组称之为Zernike多项式的基本函数的叠加。这些基本函数是归一化距离r（取值范围由0～1）以及光瞳面内角度θ（0～360°）的函数，表格提供了典型像差的类型。图c给出了双光束干涉时像差对密集条状图形的影响：（左）两个级次的相移相等；（右）两个级次相移不同。图d给出了衍射图形和像差的关系（像散的实例）。图示的是第三级像散的相位误差。在光瞳面内图示的相位误差呈现鞍形形状。该图突出显示了像差对称性与图形对称性之间的关系）

与半径有关，并有双重对称，其中在左侧引入负的相位误差，而在右侧引入正的相位误差。图3-7d是一个简单掩膜图形（图形中多条线条走向相同）的衍射和像差的相位偏移之间相互影响的实例。当掩膜图形在垂直方向时，两条衍射光束的相移量相等，等效于焦距的偏移，如图3-7c所示。若将同一掩膜图形旋转90°，与垂直情况相比相移的幅度相同，但是符号相反。结果，由于不同方向图形对应的最佳焦距不同，产生的像差称作像散。如果掩膜旋转45°，这个影响就会最小，因为在这种情况下衍射各级次和零级衍射没有相位漂移，因此像差对成像没有影响。这是一个像差依赖于成像图形类型、照明模式和图形方向的实例。通常像差会导致图形在光传播方向上（即在最好焦距上的漂移）的空间位移或在垂直于光轴方向的偏移。由于在透镜测量能力、透镜制造方面的重大改进和透镜组装技术的进步，在减小半导体制造中由透镜带来的像差大小方面已经取得了巨大进展。

从曝光时掩膜和晶圆保持静止的步进重复系统到掩膜和晶圆同时移动的步进扫描系统的变化，引入了又一个图像衰退的新来源。在成像过程中，对扫描系统有一个重大的挑战性要求，就是保持掩膜和晶圆台的同步移动，否则将导致图像模糊不清。通常的情况是一个方向上的扫描同步优于另一个方向，这将引起平行于扫描方向和垂直于扫描方向的线条宽度出现差异^[9]。

掩膜版本身也是一个重要的工艺波动来源。制备掩膜采用的也是光刻工艺，覆盖在铬石英版上的光刻胶用电子束或者激光扫描工具曝光，显影后，曝光区域的铬膜被去除。掩膜版上发生的常见变化是平行于或垂直于掩膜写工具扫描方向上特征尺寸的差异、整个掩膜版上线宽的变化或平均特征尺寸的漂移。金属刻蚀工艺或者显影工艺的不均匀性均可能造成这些变化。

本节提及的工艺因素是工艺波动的常见来源，这些波动导致了生产制造过程中成像的偏差。其中一些波动是系统性的，在整个过程中变化不大；而另外一些工艺波动由于影响因素并不总是在工艺工程师们的控制之下，因而在整个过程中是变化的；但是有一点是相同的，即它们都会引起实际成像达不到可实现的最好成像性能。最终就对不同芯片之间电参数的一致性以及不同时期生产的芯片之间电参数的稳定性产生了影响。如果这些变化超过容限，将导致芯片失效。从芯片制造的角度来看，低k因子成像的主要影响是，为了减小工艺的波动程度，必须使用昂贵的控制机制。